摘要：自动化与信息化高度统一是智能化电厂的重要特征，现场总线智能设备能够提供丰富的诊断、状态等设备信息，现场总线技术是智能化电厂的基础。本人重点从现场总线的控制范围、应用原则两方面论述火电厂现场总线应用工程实施方案规划。
关键词：现场总线 方案规划 冗余 FF PROFIBUS
1 现场总线概述
1.1现场总线简介和主要标准
现场总线为一种数字式、串行、双向、多点的数据总线，用于工业控制和仪表设备如(但不限于)传感器、执行机构与控制器之间的数据通信。
目前现场总线还未形成统一的标准，适用于火电机组的现场总线主要有PROFIBUS、基金会现场总线(FF)等。两种总线标准相比而言，FF较适用于连续量控制(取代4~20mA模拟量)，而PROFIBUS较适用于数字量控制。
1.2现场总线的优点
现场总线系统可维护性好，智能化的现场设备，具有自诊断功能，大量的非控制信号利用，实现了就地设备状态远程控制、故障诊断及状态检修。
2 现场总线工程实施方案规划
2.1现场总线控制范围
除炉膛安全监控系统(FSSS)、汽机数字电液控制系统(DEH)、汽机本体紧急跳闸系统(ETS)、给水泵汽机电液调节系统（MEH）和给水泵汽机紧急跳闸系统（METS）、SOE等对机组安全运行至关重要，回路处理速度快的系统采用常规控制方式外，全面采用基于现场现场总线技术的分散控制系统，主要包括锅炉启动系统、锅炉汽水/本体系统、锅炉烟/风系统、燃油/制粉系统、凝结水系统、加热器疏水系统、汽机抽真空系统、汽机油系统等。
辅助（车间）生产系统控制,主要采用基于现场总线技术的DCS系统。涉及的范围包括：（1）水系统：化学补给水、净水、反渗透、废水、凝结水精处理、制氯/加氯、储氢等。（2）灰、渣、电除尘、脱硫等。（3）输煤控制系统。
除机组电动机和重要电源开关的分/合控制指令、状态反馈外，厂用电动机和厂用电监控系统采用现场总线（厂用电监控现场总线系统，FECS）技术。
循环水泵房、锅炉吹灰程控控制采用常规远程I/O站。其中循环水泵房如电气低压380V MCC采用具有Profibus DP接口的智能马达控制装置时，控制系统可采用总线方式实现。
2.2火电厂现场总线应用的原则
根据国内外相关工程经验，可以总结出全厂热控系统现场总线应用的范围和实施原则，即机组DCS系统现场设备层采用现场总线技术的原则，辅助（车间）生产系统控制,采用现场总线，总线协议采用PROFIBUS或FF两种类型，但应重点考虑以下几个方面的问题：
2.2.1 可靠性和可用性
发电机组连续安全稳定运行是至关重要的。为了提高系统的可靠性，现场总线技术(FF和PROFIBUS)已经采用了多项措施，常用的有分散和冗余二项。
分散方面：对FCS系统而言，主要通过控制分散和网络分散来提高可用性。设计中通过上层网络的区域划分和下层网络的风险管理等，做到一个支路上的某一设备故障不影响同一支路上的其他设备。由于现场总线控制系统的设计与现场仪表控制设备的布置位置密切相关，控制网络分段不但要考虑现场设备的物理分布，更应考虑现场设备之间的工艺相关性，确保分段总线故障情况下工艺系统的安全运行，以使局部故障不影响到整体的安全性。
冗余方面：现场总线系统通过主站网络冗余、变送器冗余、总线电源冗余、链路设备冗余、控制器冗余、冗余分离(即冗余部件应从物理上、地理上分散，如主处理器和备份处理器应该插在相隔一段距离的不同底板上)等实现，其中链路设备冗余、电源、主站网络和操作员站冗余是现场总线系统常用的冗余措施。对所有具有冗余总线接口的电动执行机构、马达驱动控制装置等设备均考虑采用冗余总线连接；控制系统中所有总线电源也冗余配置。目前FF的H1和PROFIBUS－DP已实现了网段介质冗余，但由于现场智能设备通常没有冗余接口，PA网段还没有实现冗余。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆对此，在工程设计中可通过将冗余配置的变送器等总线设备分散在不同网络分段中来提高系统的可靠性。
2.2.2 实时性
在火电厂机组控制运用现场总线控制技术，现场总线的实时性是一个需要关注的内容。对此，我们对一些潜在供货商的控制系统进行了了解。其中，PROFIBUS-DP总线的数据为：
PROFIBUS-DP总线的传输速率可达12Mbit/s。
一个典型的通过PA 总线连接的智能仪表的响应时间为10ms。
一个典型的通过PA总线连接的执行机构的响应时间为15ms。
一个PROFIBUS-DP从站的响应时间< 0.3ms。
PROFIBUS总线系统中一条DP分支的查询循环周期是2ms，一条PA分支的查询循环周期是80ms。
在DCS技术规范中对现场信号的采集周期要求为：“所有模拟量输入每秒至少扫描和更新4次，所有数字量输入每秒至少扫描和更新10次。为满足某些需要快速处理的控制回路要求，其模拟量输入信号应达到每秒扫描8次，数字量输入信号应达到每秒扫描20次”。由此可见，PROFIBUS 总线和FF总线完全能够满足机组控制对一般输入、输出信号处理的实时性的要求。鉴于目前PROFIBUS－PA和FF总线宏周期一般在100m至1s之间，这还是无法满足电厂机组控制中的快速处理回路的时间(50ms左右)要求。因此，系统中为安全或快速响应而设置的开关量信号，我们还是考虑采用常规DCS的I/O模件来处理。
2.2.3故障影响性
现场总线控制系统的网络设计至关重要，不仅要根据系统I/O点的规模，而且要根据设备的地理分布、功能的相关性等因数，设计各层网络的覆盖范围、支路的数量、支路及分支的长度、各分支的设备数量等，这些设计对系统的性能、硬件配置等都有重要影响。因此，各工艺子系统将根据工艺相关性和现场布置位置情况进行网络分段设计。进行网络分段设计时应遵循以下原则：每个网段上挂接的现场总线数量不超过6个。冗余设置的现场仪表应接入不同网段；工艺上并列运行或冗余配置的设备，其相关驱动装置应连接在不同的网段上。控制系统将根据工艺流程合理配置总线数量和挂接的现场设备，确保任何一条总线故障时，只产生工艺系统的局部故障，不会引起机组的危急状态，造成整个工艺系统停运，并将这一影响限制到最小。
为最大程度地降低现场总线的工程应用风险，对机组安全运行至关重要的锅炉炉膛安全保护系统FSSS和汽机DEH(包括ETS)仍采用常规DCS方式实现。
2.2.4 系统配置方案
整个机组控制系统按照工艺过程划分为多个子系统，其中包括锅炉启动系统、锅炉汽水/本体系统、锅炉烟/风系统、燃油/制粉系统、凝结水系统、加热器疏水系统、汽机抽真空系统、汽机润滑油/EH油系统等，上述各子系统均采用现场总线技术。对于工艺系统中的单回路(单冲量)调节，如汽机润滑油温度调节、辅助蒸汽温度/压力调节、汽机轴封压力/温度调节等可放在现场执行机构的阀门定位器中实现(也可仍在DCS控制器中控制)。鉴于炉膛安全监控系统(FSSS)、汽机数字电液控制系统(DEH)、汽机本体紧急跳闸系统(ETS)对机组安全运行至关重要，而且汽机DEH(包括ETS)与汽机本体控制和保护相关性大、回路处理速度要求高， FSSS、DEH和ETS还是采用成熟的常规控制方式。
厂用电控制采用现场总线，但并非采用FF、PROFIBUS现场总线。该系统可通过与机组DCS的通讯接口相互传输信号。出于机组安全考虑，所有主厂房内重要电源开关的分/合指令信号、状态反馈信号还是通过硬接线方式进入DCS，其它信号通过通讯接口连入机组DCS。
机组SOE要求有1ms的分辨率，目前设计中接入SOE的多为主、辅机的跳闸接点信号和电气开关量，主、辅机跳闸首出原因由控制器逻辑判断。为保证SOE的分辨率，仍采用常规DI卡或专用SOE卡。
变送器均采用现场总线型智能变送器接入DCS。
电动执行机构均考虑采用具有现场总线接口的设备，气动调节阀执行机构采用带现场总线接口的智能定位器。现场分散的温度测点可采用现场总线型的智能温度变送器接入DCS。但对于现场相对集中的温度测点如炉膛壁温、汽机和发电机本体温度等测点，采用智能前端方式接入控制系统。
3 总结
只要进行了充分的技术准备、合理设计、规范施工，在火电厂主辅机控制系统上选用现场总线系统是安全有效的。
论文作者:薛彦武
论文发表刊物:《电力设备》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/22
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