华能荆门热电厂现场总线技术控制策略及其应用

曹 泉,王 刚

（1.国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.国家电投集团河南电力有限公司技术信息中心，河南 郑州 450000）

0 引言

现场总线技术（FCS）是近年来迅速发展起来的一种控制设备，FCS是控制系统新的发展方向，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。FCS的主要特征是开放、全数字化和双向、多站的通信网络与多功能的智能化现场数字仪表。FCS使自动控制系统的效能产生巨大的飞跃，同时降低施工、调试、运行、维护和系统扩展等方面的综合费用，它既是一个开放的通信网络，又是一个全分布式的控制系统，由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而在控制领域得到迅速应用[1-3]。

华能荆门热电厂建设两台350 MW超临界热电联产机组，现场总线系统采用常规的DCS系统DPU+总线I/O卡的构架，将现场智能总线设备分别纳入主机DCS网络和辅网PLC网络，与其它电厂相比，荆门热电厂在全厂范围内采用现场总线技术控制，在单元控制室实现对机、炉、电、网控、辅助系统的监控，连成一个现场总线技术控制网络覆盖到全厂，现场总线技术应用在规模和深度上首屈一指，而大部分电厂只在个别辅助车间应用现场总线控制。现场总线技术的应用，不仅节省了硬件数量与安装费用，而且系统的维护开销也大大地降低。现场总线控制系统不仅精确度与可靠性高，在使用方便和维护性方面也优势明显。机组投产后，总线控制系统运行正常，调节品质优良，保证了机组的安全、稳定运行。

1 现场总线控制策略

华能荆门热电厂应用的现场总线设备有两种：EMERSON的FF总线和西门子的PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA总线。FF总线设备主要包括Rosemount压力/差压变送器、ABB气动定位器、SIMENS气动定位器、FISHER气动定位器、E+H液位计和Magnetrol液位计。DP总线设备主要包括ROTORK、LIMITORQUE、G-TORK、EMG、AUMA、EIM、施耐德和上自仪公司多种型号的电动执行器，另外还有深圳中电公司中电550系列马达保护和中电630系列电气仪表等，PA总线主要应用于化学制水车间。

华能荆门热电厂现场总线控制策略设计如下：

1）压力/差压仪表原则上全部纳入总线，包括炉膛压力、省煤器入口流量等重要的保护测点；

2）除了极个别重要的设备（如引风机动叶执行器），电动执行器原则上全部纳入总线；不太重要的气动执行器（调节型）纳入总线，约占气动执行器总量的80%；

3）400 V及以下等级100%的电气开关全部纳入总线，除了极其个别重要的设备如汽轮机润滑油泵外，400 V及以下等级马达保护器原则上全部纳入总线；

4）温度测量需要增加温变器，开关型气动执行器需要增加阀岛，因涉及费用成本和风险增加，不纳入总线；

5）汽轮机控制系统（DEH、ETS）和小汽轮机控制系统（MEH、METS）因随主设备厂家成套供货，不纳入总线。

总之，全厂约99%的压力/差压仪表、电动执行器、400 V及以下等级电气开关、约80%的调节型气动执行器都纳入现场总线系统，具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。

2 现场总线应用过程中的主要问题

2.1 现场总线设备的设计选型

现场总线技术是现场设备与控制系统之间数字式、双向、多点的基于共同规约下的通信技术。因此，控制系统与总线设备间的通信兼容尤为重要，在工程前期，必须保证总线设备与DCS或PLC控制系统间的实验室兼容性测试。同时，即使通过测试，也仅能保证特定型号设备、特定版本程序与控制系统的兼容性，同一型号设备的内部程序版本的变化，也可能导致通信不能联通，因而在总线设备的仪表和执行机构设计选型时必须十分小心，但由于国内电厂设计中设计院和厂家长期形成的习惯做法，设计人员对现场总线技术概念很少接触，尤其是在工程进度紧迫，主辅机技术协议中没有约定现场总线技术应用范围的情况下，造成现场总线设备配置混乱。

荆门工程设计的现场总线涉及六大品牌，几十种型号，其中西门子应用业绩较多，技术相对成熟。但支持现场总线的智能现场设备相对常规仪表来说，还是比较少，特别是针对电厂开发的现场总线高性能智能现场设备更少，因前期在EMERSON实验室内测试工作的不充分，导致在现场安装过程中，发生一部分设备规约不清、通信连接不上、多个设备厂家技术人员到现场配合EMERSON公司解决通信的工作，这直接影响到了工程建设进度。另外，有些供货厂家在设备采购中对技术协议中总线要求视而不见，经常出现总线配置非总线设备(变送器、执行机构）的错误，导致信号无法通信、显示，执行机构不能远操，运行人员被迫就地手操，如1、2号机组锅炉的二次风挡板直到168试运时才能全部远操，严重影响了机组的调试工作。

因此，在工程设计及设备选型阶段，首先要尽早确定控制系统，然后是现场总线设备选型。其次，在招标过程中，要明确要求供货商将变送器、执行器等总线设备送至控制设备厂家进行实验室测试。此项工作最好在DCS和PLC控制系统出厂前完成，以便相关控制机柜设计和逻辑组态的开展。未开展前期实验室测试的设备，在设备单体调试前，务必尽早联系厂家到现场配合调试，以避免影响分系统及整套启动调试的进度。最后，尽可能减少现场总线设备的品牌类型，以便于工程实施过程中的组织协调和机组投产后运行、维护。

2.2 现场总线设备的安装

现场总线技术是一种数字通信技术，总线电缆属于通信电缆。从荆门工程经验来看，信号干扰是总线系统可靠性的一大瓶颈，总线系统的可靠性主要取决于安装的工艺。虽然现场总线相对常规设备的安装工作量减少，但技术要求提高，对现场布线和接线的要求高。如通信光纤的熔接、通信电缆的分支连接、现场总线仪表通信接口接线等，有的需要使用专用设备和工具，有的需要特殊的工艺和方法。这些虽然不难掌握，但与常规安装工艺和方法有差别，需要一定的培训。由于本工程1号机组电建队伍第一次大规模安装总线设备，而且工程进度紧迫，大部分总线电缆布置和接线未能满足通信要求，造成在锅炉吹管阶段，相当一部分总线测点发生过因干扰跳变或离线，1号机组重要保护信号跳变且易受干扰，严重影响了机组的安全运行。因此，1、2号机组168试运前被迫进行大规模总线电缆现场整改，不仅增加了工作量，而且造成整套启动工作滞后。

因此，现场总线设备安装必须通过严格总线电缆的施工过程管理来予以保障。安装单位应严格按照《电力建设施工及验收技术规范 第5部分热工自动化DL/T 5190.5—2004》和控制设备厂家给出的安装要求施工，特别强调要避免长距离平行布线，因为平行布线会导致空间电容耦合，互相产生影响，干扰信号通信。如高电压、大电流的动力电缆与低电压、小电流的通信电缆必须严格分线槽布线，如二者无法分槽布线，需将二者尽量远离，同时中间加装接地的金属隔板进行隔离。另外，建议总线电缆安装采用单独、封闭的槽盒，以增强总线的抗干扰能力。

2.3 现场总线设备的调试

在新建工程中，现场总线设备调试涉及参建单位较多，且彼此间关联性强，该工作涉及到设计单位、DCS厂家、组态服务单位、电建单位、调试单位和各总线设备厂家。不同于常规设备调试，各单位之间有着规程上的或约定俗成的工作界面，总线技术使得设备调试的工作内容和流程分工有了较大变化，如总线电缆的敷设与接线质量检查、总线设备地址编码设置、总线信号噪声测试、设备通信抗干扰调试等，这些工作科学的分工和组织，是整个工程调试进度和调试质量得以保证的关键。特别是在现场总线前期调试阶段，如在总线设备逻辑组态时需要详细的设备类型，要求主辅机设备供应商尽早提供配供的总线设备具体型号，否则总线组态的现场工作量会很大，在现场调试和运行时常会遇到困难。上述这一切，需要有一支较强的技术队伍来解决调试、运行中产生的技术难题，并进行总线设备调试的协调工作。本工程因参建各方对现场总线调试经验不足，前期缺少这样一支队伍，致使总线组态和调试举步维艰，调试过程中总线设备的部分缺陷无法及时消除，总线调试一再拖延。

另外，由于现场总线控制包含许多新的技术内容，组态参数很多，不容易掌握，对热工技术人员调试水平和维护水平也要求很高，但由于工程抢进度，调试人员缺乏现场总线技术的培训，边学习边调试，致使总线设备的调试和维护进展缓慢，影响了机组调试工作。

为此，在荆门工程中，建设单位最后委托西安热工院作为总线调试的总体负责方，负责总线设备招标、设计、安装、调试过程中各个环节的技术支持和组织协调，上述问题才得以解决，这一方式在现场总线应用的工程中是值得借鉴的。

3 结语

通过工程建设过程中对现场总线的整改、优化，现场总线系统在华能荆门热电厂两台机组上运行正常。这一结果表明，现场总线是一项成熟的技术，完全可以满足火电机组安全稳定、运行的要求，同时也为今后现场总线技术在其它热电厂的应用提供了切实的借鉴意义。另一方面，荆门工程在现场总线应用方面尚待改进的工作和建议如下。

1)现场总线技术培训

现场总线技术的应用，理论上是热控技术人员的劳动强度有所降低，但由于数字通信不如电压和电流信号直观，分析通信故障需要新知识、新装备，对热工专业的技术要求大大提高了。荆门工程由于种种原因，现场总线技术的培训一直是薄弱环节，为此影响工程的设计、安装、调试和运行各个阶段，因此有必要加强现场总线技术的培训，热工调试人员通过加强现场总线技术的学习，逐步形成现场总线控制技术的工程应用能力，运行和维护人员通过学习现场总线信息管理和诊断软件，及时了解总线仪表和设备运行状况，通过诊断数据，提前预警设备故障。学习的内容包括现场总线专用工具和缺陷诊断工具的使用，掌握总线接线工艺等，同时要熟悉多种软件的使用方法，以适应现场总线控制系统的运行、维护。

2)现场总线技术优化

出于对总线通信速率考虑和日常维护方便，荆门工程选择FF总线连接仪表，DP总线连接执行器的整体技术构架，这使得DCS系统模拟量闭环控制逻辑和联锁逻辑不能从DPU中下放到总线设备上执行，总线只是实现了I/O信号传输的数字化，虽然提高了通信信号的精度，但没有能够实现控制系统风险从控制器层次向现场设备的分散，并且因为同一总线段上挂接了多个设备，理论上还集中了控制风险。另外，现场总线技术与目前DCS控制系统相比，最大的优势在于现场总线设备可以提供丰富的设备内部信息，为电厂投产后的设备管理、故障诊断、设备检修带来方便，如阀门执行器可以提供“行程累计、行程偏差、阀门特征曲线”，压力变送器可以输出“电子故障、传感器故障、导压管堵塞”等信息，通过软件的自动巡检功能，以实时报警或报表方式对设备问题进行提醒，可以极大地提高设备管理水平，从而实现对热工设备的精密点检和预防性维修，但目前荆门热电厂尚未实现现场总线设备的智能化管理，因此有必要对上述问题进行完善和优化，全面提升电厂的自动化和信息化水平。

3）现场总线技术应用率

相比常规设计，理论上采用现场总线技术省电缆，减少机柜，节约成本，但荆门工程整个控制系统的投资费用提高了约20%，原因是DCS厂家合同中因增加了现场总线电缆、光缆、就地总线盒等设备，导致设备费用增加，而现场总线设备价格偏高，总线技术应用带来的电缆节省、安装和调试费用降低无法抵消增加的费用，荆门工程现场总线技术的应用率已近60%，但仍然体现不出工程造价的优势，不过随着现场总线技术的大规模推广应用，以及应用率的提高，相信在不远的将来这一问题会得到解决。

（References）

[1]曹泉.联合循环燃机机组APS控制策略及其实践[J].湖北电力,2015,39(4):83-86.CAO Quan.The control strategy and practice of the combined cycle gas turbine unit APS[J].Hubei Electric Power,2015,39(4):83-86.

[2]王刚，梁正玉.全厂现场总线技术在华能荆门2×350 MW新建机组上的应用[J].河南电力,2015(4):52-56.WANG Gang,LIANG Zhengyu.Fieldbus technology application and the practice in the Huaneng Jingmen power plant 2×350 MW unit[J].Henan Electric Power,2015(4):52-56.

[3]张战强.现场总线技术在660 MW超临界机组上的应用分析[J].华电技术,2014(6):45-47.ZHANG Zhanqiang.Fieldbus technology application and the practice in the 660 MW unit[J].Huadian Technology,2014(6):45-47.