垃圾发电项目中现场总线控制技术应用步骤及设计探讨

摘 要：在当今环保发电工程领域，现场总线技术正展现出强大的影响力和应用价值。该文通过研究和详细阐述，介绍现场总线技术在环保发电工程中的具体应用步骤，并系统性地总结相关的设计经验，旨在为环保发电项目推广应用现场总线技术提供助力。

关键词：垃圾发电;环保发电工程;现场总线;应用步骤;总线设计

中图分类号：X773 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）34-0188-04

Abstract： In today's field of environmentally friendly power generation engineering， fieldbus technology is showing strong influence and application value. Through research and detailed explanation， this paper introduces the specific application steps of fieldbus technology in environmentally friendly power generation projects， and systematically summarizes relevant design experience. The purpose is to provide assistance to the promotion and application of fieldbus technology in environmentally friendly power generation projects.

Keywords： waste-to-energy power generation; environmentally friendly power generation engineering; fieldbus; application steps; bus design

垃圾发电市场也随着市场的逐步饱和竞争日趋激烈，随着我国环保指标要求的不断提高，在垃圾焚烧发电项目中，先进的控制技术对于确保系统稳定运行、提高生产效率至关重要，目前发展数字化智慧电厂将成为各环保企业的迫切需求。笔者从事垃圾焚烧发电项目15年有余，曾经参与了国内十多个大中型垃圾发电项目工程设计及安装调试实施工作。对现场总线技术设计实施经验进行有益的总结探讨，旨在为该领域的技术推进和工程实践提供参考。

1 现场总线技术优势

提高了系统的准确性与可靠性;缩短安装和调试工期;快速诊断和处理故障，减少工作量;促进全厂信息化水平提高;总线技术推广是自动化技术普及和行业发展趋势。

2 现场总线技术缺点

建设期设备购置成本相对会有增加，但在设备生命全周期管理中是有利的;对自控维护人员技术水平要求相对提高。

3 总线工程应用步骤及设计实施原则

本文以垃圾焚烧发电项目为例，重点介绍现场总线技术在垃圾发电工程中推广应用流程，具体实施中主要有以下步骤。

3.1 总线技术需求分析

对现场总线全厂总线设计进行总规划。首先要明确垃圾焚烧发电项目的工艺控制要求、确立控制目标和工艺功能需求。确定需要监控和控制的设备及参数。

3.2 总线类型的选择

统一考虑总线的传输速率、可扩展性、抗干扰能力等特性，根据项目规模、经济性、可操作性等要求合理选择现场总线类型，如PROFIBUS、FF、MODBUS等协议，目前工业过程控制领域主流的Profibus现场总线协议和FF现场总线协议最广泛。

3.3 总线配置原则

确立了采用现场总线，兼顾垃圾焚烧发电机组控制要求和特点，采用DCS+FCS现场总线方案，配置现场总线设备诊断及设备管理软件的思路，充分发挥FCS的优越性。将工程风险、技术创新和施工成本统筹考虑，对现场总线系统设备分类后，一般在设备招标时确定以下总线配置原则。

1）用于DAS系统的差压、压力、流量、液位和分析仪表等采用具有PROFIBUS-PA 协议接口的智能变送器，全部纳入现场总线，重要信号考虑冗余环网配置。

2）电动阀门和电动执行机构、变频器等均采用支持ProfibusDP协议的总线设备，重要执行机构考虑了冗余配置。

3）380 V马保与保护单元：包括变频、电机控制器（选支持Profibus-DP 协议总线设备）纳入总线系统。

4）10 kV电机控制与保护单元：高压电气测控单元各品牌之前兼容性不好，目前主流品牌通信产品已经成熟，可以选支持PROFIBUS-DP 协议并通过测试的现场总线设备。有顾虑者可以采用传统方式接入DCS系统。

5）气动调节阀门，纳入现场总线系统，可使用支持ProfibusDP协议的气动阀门定位器。

6）温度：温度变送器使用范围建议预先进行性价比的对比，酌情优先采用多路温度变送器。如采用温变成本过高，则DAS中的锅炉烟温集中的部分建议采用DCS温度采集器，接入现场总线系统，如炉膛温度需要环保上传，其他常规温度仍采用常规方式。

7）对于特殊独立的系统，汽机DEH＼TSI＼ETS系统采用常规方式实现，SOE硬接线接入DCS系统。

8）不建议使用单一电磁阀进现场总线;多个电磁阀在较集中的区域尽量采用总线阀岛来实现。

9）开关量DAS设备（压力开关、流量开关等）不在现场总线系统范围内。

10）FCS网络、设备诊断与管理采用现场总线仪表设备诊断与管理软件。

11）烟气处理系统：脱酸塔、除尘器、制浆、SNCR、SCR及干法活性炭等烟气仪表和阀门、马保全部考虑均可进入总线系统。

12）焚烧炉控制及燃烧器系统：对于进口焚烧炉控制设备，仍采传统接线进DCS，如国内炉排系统，和厂商充分沟通，可以考虑仪表进入总线系统。

13）压缩空气系统：建议优先采用DP总线形式接入DCS系统;也可根据现场情况采用以太网或其他方式通信接入。

14）化学水系统：设置远程IO柜在现场，接入DCS系统，除盐水泵采用支持PROFIBUS-DP协议的马保接入总线系统。

15）汽水取样及加药系统均可以通过DP或PA协议纳入现场总线系统。

16）锅炉吹灰系统：Di和Do点较多，采用远程IO柜设置在现场，常规I/O模件仍在使用。采用总线形式接入吹灰系统的温压流、电动阀门。

17）综合水泵房设置远程IO柜在泵房现场，泵房仪表、电动阀门、马达保护器均纳入总线系统。

18）渗滤液系统及有毒可燃气体有防爆要求的系统，全部采用总线形式接入DCS系统。

19）飞灰固化系统既能接入总线系统，又能直接接入DCS系统，仍采用常规的I/O模件。

3.4 DCS+FCS系统选型

DCS+FCS系统选择要考虑DCS厂家是否有成熟的现场总线技术，支持的协议PROFIBUS、FF。这包含以下几方面。

1）DCS厂家有成熟的现场总线解决方案;有成熟稳定的控制器柜到现场设备连接方案。

2）厂家有可靠的现场总线硬件设备，低故障率的总线卡件;现场总线接线盒;可靠的总线通信电缆等，尽量避免有第三方通信转换设备。

3）DCS厂家有功能强大的现场总线设备管理软件、方便查询、响应速度快等优点。

4）厂家具有便捷灵活的现场总线设备测试平台及现场总线故障解决手段措施等。

5）具有电厂项目复杂工艺系统现场总线网络设计经验;具有国内或国外总线实施的应用业绩。

3.5 总线设备技术要求

DCS选型后，相应的现场总线协议才能固定。如西门子的T-3000系统、PCS7系统和ABB的AC800XA系统总线协议均为PROFIBUSDP/PA，而艾默生公司的OVATION系统、FOXBORO的I/A系统，其总线协议为PROFIBUS-DP和FF。据了解目前国产主流DCS品牌中控ECS-700、和利时MACSV6、科远NT6000等系统，均推出支持PROFIBUS DP/PA总线的模块，给用户提供了极大的选择空间。当DCS选型确定后，这时就可以提出相应的现场总线设备（电动阀门、变送器、阀岛、马保装置和分析仪表等）技术要求，如通信协议、通信接口、工作温度和防护等级等，在主辅机招标规范书的编写工作中进行完善。某环保电厂总线设备技术规范中总体要求如下。

1）本项目应用现场总线技术实现数字化电厂控制方案，现场总线设备均要求采用PROFIBUS或FF协议，所有变送器、气动定位器、电动执行机构均采用PROFIBUS协议或FF协议。所有现场总线设备均需提供现场总线信息表、配置文件（GSD、EDD、FDT、DD、EDDL）等，同时，在设备供货前，投标方应向控制系统厂家提供相应的设备样品（送检电动阀门、仪器仪表），经检测合格后方可供货;不符合要求的，由竞买人负责免费更换。

2）调节型和开关型电动执行机构都采用智能一体化产品，电动执行机构配置冗余的PROFIBUS DP总线协议接口，按三家产品选型，最终选型由招标方确认。

3）电动执行机构的运行环境温度为-30～70 ℃，供电的是电压380 V±10%的三相供电;偏差为50 Hz±5%。包括电动机和接线端子在内的防护等级应为IP65。执行器的电动机绝缘应按F绝缘等级设计，但其温度大小不会超过B级。选用合适的护罩可保护联轴器和驱动轴。

4）所有电动执行器，按如下要求配供：限位开关，开方向2NO/2NC;关方向2NO/2NC。力矩开关，开方向1NO/1NC;关方向1NO/1NC。执行机构故障信号，带手动操作手轮。

5）总线型执行机构应配置具有现场显示表头，提供的现场总线连接插头应根据应用场合选择适用的保护等级：外接插头应符合IP67（对于采用M12或Hybrid类型的PROFIBUSDP）的保护等级;用于内连接应符合IP20防护等级（采用 SUB-D类型的PROFIBUSDP）。总线型执行机构PROFIBUS DP接口在不影响 DP 网段正常通信的情况下，应满足DP电缆从接口板上可在线拆卸的要求。

电磁阀采用配置冗余PROFIBUS-DP总线协议接口的现场总线阀岛控制。

对于总线智能变送器的主要技术指标如下。

1）变送器符合IEC-61158-2规范，总线通信最大速率31.25 kbit/s，波特率可灵活设置。

2）符合PROFIBUS DP-V0、DP-V1等通信规范。

3）可提供EDD设备描述文件，支持PDM、AMS等多种总线设备管理软件。可提供GSD文件，支持多种PROFIBUS组态软件。可提供DTM文件，支持基于FDT技术整合。

4）输出信号：总线型基于profibus PA协议的数字信号;二线制。

3.6 总线设备测试

对不同协议、型号的总线设备进行分类，筛选出有意愿参与项目的厂商，要求厂商在前期提供总线设备样机，并在DCS实验平台上由DCS厂商出具相应的测试报告，配合DCS厂商做现场总线设备兼容测试和总线信息组态，确保项目的成功和实施的顺利。工程应用实验通过的常用设备如下。

1）总线变送器有ROSEMOUNT、EJA、西门子、E+H和ABB。

2）超声波及雷达物位计：西门子、ABB。

3）总线定位器有西门子、ABB、STI 。

4）总线马达保护装置有四方的CSC-299M、金智的 LPC-3531、苏州万龙和SIMOCOD。

5）总线执行机构常用有 ROTORK、AUMA、SIPOS、EMG、上仪AI＼MI和万讯PS。

3.7 总线设备硬、软件拓扑设计

在设计院IO清册和设备清册定稿后，进行总线设备拓扑设计，针对现场总线系统进行联合设计，根据工程的特点和要求，现场总线网段设计的优劣，是现场总线工程成败的关键环节，因此在现场总线系统配置、网段划分、安全保护措施等方面要做好深入调研，必须使系统设计可靠、合理。

根据工程设计进度，分别按汽机和锅炉两大系统召开多次现场总线设计联络会，通过设计联络会充分沟通，DCS厂家及设计院逐步完成现场总线DCS系统的硬件设计。对不能精确定位的系统（例如废水处理）则要求DCS厂家在硬件设计时在控制器柜和总线箱留有扩展网段的空间，以便现场调整。DCS厂家与现场总线工程设计院应密切相互配合，从总线设备选取入手，应综合考虑系统安全性和必要性，确定被控设备和仪表采用现场总线的方式，在此基础上选定好总线设备后，按照首先划分控制器，其次确定通信主站，再次确定通信从站或分支、分配总线地址的设计顺序进行网段设计。现场总线的网段设计需要经历一个初步设计，再逐步修改完善的过程，总线设计属于三维设计，需要在主厂房、锅炉、辅助车间等生产场所，建立起三维立体空间进行设计。现场总线网段设计是要将在这个控制器下的总线设备在三维物理空间连接起来的过程，可以说现场总线网段设计的好坏，影响到此网段设备的可靠性、通信速率，是整个现场总线工程成功的重中之重。

在总线划分设计阶段，机务的设计也在同时进行，随着机务设计和设备安装的任何调整变化，现场总线被控设备和仪表的位置也极有可能会产生变化，这就会引起总线的网段设计产生调整，因此现场总线网段设计是设计、再修改、再设计、再修改的过程，只有到总线电缆敷设接线完毕，现场总线网段设计才算基本结束，同时在此时应由安装接线人员在总线网段图中标明每个网段设备之间电缆实际走向和相邻总线设备间的总线电缆实际敷设长度，以供设计人员进行网段利用率和通信速率的计算，从而保证了网络的可靠性和通信速率。

3.8 培训工作

全面系统的专业培训运行及技术维护人员至关重要。对电厂人员的现场总线培训工作主要包括：对电厂人员培训现场总线的知识，熟悉现场总线系统的操作原理、故障诊断和维护方法。测试和组态工程应尽早直接参与进来，电厂人员在工作中加深对现场总线的认识，在现场调试过程中积极参与，因为在调试过程中会出现很多需要解决的问题，锻炼价值很大，从而为日后移交生产过程打下基础。热工人员前期培训可以在现场总线设备测试时，对不同类型的总线设备测试，可以对现场总线有初步直观的认识。后期培训可以在一联会后，总线拓扑图开始设计时，针对本项目对热工人员做培训，以便在DCS系统出厂时，对设备数量及网段比较熟悉。

3.9 现场安装、调试工作

现场总线系统的施工方式与常规项目有很大不同，经验证明，现场调试过程中的大部分问题都是在安装过程中出现的，对施工单位的强化培训，可以避免大量无谓的低级别故障。所以对电建接线及调试人员的培训应提早就开始，重点关注安装接线过程中容易发生和忽略的各类问题，尤其注意屏蔽和接地。对接线安装工作要高度重视，才能为后续调试打下好的基础。调试人员应学会使用BT200、CP5512等调试工具，方便调试时的故障检测。

4 项目设计建议与注意事项

总线选型要结合项目实际，针对环保发电工程的特定需求和环境特点，不同的总线标准在性能、可靠性、成本等方面存在差异，精心选择适合的现场总线标准和设备，需要综合评估和权衡。

确保设备的相容性和互通性，注重系统的兼容性和可扩展性，预留足够的接口和扩展空间，以适应未来可能的设备更新、功能升级以及与其他相关系统的集成需求。

合理规划网络拓扑结构。在总线拓扑结构的规划方面，需充分考虑系统的复杂性、设备分布以及信号传输的要求。合理设计总线分支和节点布局，以确保信号传输的高效性和稳定性，避免信号衰减和干扰。

重视系统的抗干扰能力。为了保障系统在复杂电磁环境和恶劣工况下的可靠运行，必须强化抗干扰措施。这包括采用屏蔽电缆、合理布线、安装滤波器等手段，降低外部干扰对总线通信的影响。

5 结束语

现场总线技术在环保发电工程中的成功应用证明，采用现场总线技术，只要准备充分，合理设计，通过不断积累和总结设计经验，进一步优化技术应用和工程设计，能明显缩短垃圾发电工程中电仪专业的安装及调试施工工期，早日投产不仅带来了显著的经济效益和环境效益，还为行业的发展提供了新的动力和方向。未来，随着技术的不断创新和发展，现场总线技术在环保发电工程中的应用前景将更加广阔，必将推动环保发电工程向更高水平迈进，为实现全球能源转型和可持续发展目标作出更大的贡献。

参考文献：

[1] 吴振华.电厂电气控制系统中现场总线技术的应用[J].电子技术与软件工程，2016（24）：147-148.

[2] 魏宏伟.福建石狮鸿山电厂现场总线技术应用[J].科学时代， 2014（21）：217-219.

[3] 刘义学.神华胜利电厂现场总线控制系统选型分析及应用规划[D].保定：华北电力大学（河北），2009.

作者简介：牛文台（1970-），男，电气工程师，技术管理工程师。研究方向为环保电厂仪表自动化技术管理。