现场总线技术在大型火电机组上的应用及可靠性提高方案浅析

冯志金

（广东大唐国际雷州发电有限责任公司，广东湛江 524255）

0.引言

由于数字技术和计算机技术的快速发展，发电行业的控制系统正向着智能化、数字化的方向发展。传统发电厂的分散控制系统（DCS）已开始慢慢转变成智能化的现场总线控制系统。

1.现场总线系统及其优越性

现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线。

与传统DCS系统相比，现场总线技术先进性体现在以下方面[1]：（1）一根总线电缆可以传输多个信号，节省大量电缆，节约成本；（2）能够传输大量实时数据，满足数字化电厂需要；（3）除传输I/O数据外，现场总线还能够将设备状态、诊断信息等数据传至控制器；（4）能够使控制器与现场设备之间实现信号双向传输，可以实现对设备远程维护、管理。

2.国内现场总线技术研究现状及发展趋势

2.1 我国现场总线技术研究现状

现场总线技术在国外起步较早，但在国内发展较晚，目前国内应用在火电厂比较成熟和广泛的现场总线标准是：Profibus现场总线和FF现场总线。

Profibus现场总线技术是由PLC技术发展而来，是IEC61158现场总线国际标准中的第3类，该技术规范在2006年10月经国家标准化管委会审查通过，成为我国第一个现场总线国家标准。FF现场总线是由模拟量仪表及模拟量技术发展而来，该现场总线由HSE高速以太网和FF-H1现场总线组成。

2.2 我国现场总线技术未来发展趋势

随着中国经济的快速发展，工业制造和发电行业如雨后春笋般快速发展。这就给各种工业控制技术的发展提供了有利的基础，而现场总线技术由于其在节省建设成本、数据传输量大、检修维护方便等方面具有明显优势，使得其在众多控制技术中快速发展[2]。

未来我国现场总线发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）多种现场总线技术展开激烈竞争，最终几种技术成熟的现场总线技术发展壮大；（2）国产现场总线技术慢慢开始起步，逐渐占领部分国内市场；（3）现场总线技术在电力行业快速发展，逐渐替代传统控制技术；（4）现场总线技术在使用过程中逐渐暴露出一些问题，同时现场总线技术的各种技术规范、规程出台。

3.现场总线系统使用过程中存在的问题

虽然现场总线技术与传统DCS系统相比在节省成本、提高数据传输能力、远程诊断等方面具有明显优势，但通过调研发现在实际应用中，由于现场总线设备数量较多、分布较分散、现场存在各种各样的信号干扰，使得通信的可靠性并受到较大影响。如果在总线系统设计、施工、调试过程中管理不到位，很可能导致现场总线在使用过程中受到信号干扰，从而导致通讯不稳定，甚至有误发信号和误动作的可能。

4.总线系统可靠性提高方案

针对现场总线系统可能存在干扰的问题，雷州电厂通过重新调研后分别在总线系统设计阶段、设备安装阶段、调试阶段、运行阶段对总线系统的可靠性进行了整体提高。

4.1 设计阶段

雷州电厂的现场总线技术采用的是目前较成熟、应用较广的Profibus现场总线技术，且采用国产系统，该控制系统采用 Profibus-DP 和 Profibus-PA 两种现场总线协议。总线系统设计的总原则：调门、电动门、压力、流量、液位等均使用总线控制；10kV电机、变频电机、主保护设备采用常规硬接线控制；总线设备保留事故接口功能，对于现场部分较重要的设备采用“总线+硬接线”联合控制方式。采用这种设计思路既可以最大限度的使用总线设备，又避免了总线系统故障影响机组的安全[3]。

按照Profibus总线系统的厂家说明资料，通讯比特率为500kbit/s的DP总线最大网段长度为500m，通讯比特率为187.5kbit/s的DP总线最大网段长度为1200m，PA总线非本安要求安装最大分支线路长度为90m。雷州电厂总线系统DP总线通讯比特率为500kbit/s，为提高总线系统的稳定性，设计的最大DP总线网段长度为400m，PA总线设计长度为40m。

由于总线通讯宜受高电压信号干扰，在早期设计时就要求电源电缆与总线通讯电缆必须分层敷设，且分层敷设间距不能小于200mm。总线电缆设计有专用的电缆槽盒，各个桥架及槽盒要有专门的接地扁钢，使桥架总体形成接地，降低干扰信号的影响，提高了总线设备的抗干扰能力。

4.2 设备安装阶段

雷州电厂总线电缆敷设时严格执行“现场总线电缆与其他电力电缆必须分层敷设，且敷设间距不能小于200mm”的要求。

总线电缆敷设过程中，要求两端应有热缩套管封闭，避免线芯的氧化以及杂质进入影响通讯质量。敷设过程中严格控制总线电缆的弯曲半径：单个弯曲，半径≥75mm；多个弯曲，半径≥150mm。

现场总线系统中设备接地和数据线屏蔽接地对于设备通信的稳定至关重要。Profibus现场总线系统采用多点接地方式，当在插头内接线时，须将屏蔽层剥开，压在插头内的金属部分，与Sub-D插头外部的金属部分相连；当在电动执行机构等设备上接线时，须接在电动执行机构内部专用的接地处，保证整个总线系统接地的连续性。

在雷州电厂总线设备安装过程中，发现总线网段图存在因设计不合理从而导致总线网段过长，从而导致通讯不稳定的隐患，雷州电厂先后调整总线网络拓扑图及总线电缆清册120多次，调整后充分发挥了总线节省电缆的优势，即节省了安装成本，又提高了总线设备的稳定性，通过总线电缆敷设路径优化，雷州电厂共节省总线电缆4万多米，节省建设成本约90万元。

4.3 调试阶段

在雷州电厂机组整套试运期间发现部分总线设备存在运行不稳定、频繁掉线隐患，雷州电厂热工人员通过与厂家研发人员及总线咨询人员沟通，合理调整总线传输频率，大大提高了总线设备的抗干扰能力和运行稳定性，总线设备的掉线频次大大降低。雷州电厂2台机组投入商业运行后基本未发生过总线设备掉线的情况。

4.4 运行阶段的优化

雷州电厂总线系统投入运行后，维护人员发现总线设备掉线后无任何监测手段，运行人员无法及时发现总线设备异常，存在较大安全的隐患。通过与厂家及调试单位沟通，优化增加了总线设备掉线光字报警，在总线设备离线后通过声光报警及时提醒运行人员，为缺陷处理节省了时间，极大提高机组运行稳定性。

5.结语

现场总线技术在发电厂的使用大大降低了建设成本，存在明显的优越性；同时，在建设和运行维护过程中如果把关不严将会大大降低总线系统的可靠性和稳定性，存在较大的安全隐患。本文所讲述的关于总线系统可靠性提高的整体方案，已在大唐雷州电厂得到了应用，通过这些优化极大地提升了雷州电厂总线系统的安全性及可靠性，降低了设备的维护成本、减少了检修人员工作量。通过增加光字报警等手段有利于运行人员及时发现总线设备异常，提高了缺陷消除速度，减少了安全隐患，值得行业内推广应用。