1京能十堰热电厂 十堰 442000；2中南电力设计院 武汉 430071；
3中南电力设计院 武汉 430071；4皖江发电有限公司 安庆 246000
摘要：近年来，我国电力工业得到迅猛发展，总装机容量稳居世界前列。而电厂输煤系统作为电力生产过程中非常重要的外围辅机系统，使得输煤控制系统的高效性及可靠性成为直接保证电厂实现安全生产的重要因素。
关键词：输煤FCS控制；现场总线；国产设备应用
0 概述
上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。随着电厂自动化水平的不断提高，现场总线技术已经在电厂众多工艺流程控制系统中得以广泛应用，其安全、便捷、灵活、稳定的工作特性，正受到越来越多电力行业从业人员的关注和认可。本文旨在结合京能十堰电厂工程工程输煤系统工艺流程，总结调查输煤FCS现场总线控制系统应用方案特点，供相关工程参考借鉴。
1 现场总线控制方式在电厂输煤系统的应用
传统集中控制方式一般是点对点的，即现场设备与控制器之间采用一对一的I/O接线方式，传递开关量信号或模拟量信号（电流/电压信号）；而现场总线是安装在生产过程区域中的现场设备/仪表与自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线，主要特征是采用数字式通信方式取代设备级的模拟量/开关量信号，使用一根电缆连接所有现设备，支持的总线协议有Profibus、DeviceNet、AS-i、Foundation Fieldbus、Interbus-S、CANopen、Modbus等。
现场总线控制技术是近十年来自动化控制技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。由于不同的现场总线技术在应用的可靠性、稳定性、组网灵活性、抗干扰能力、设计的方便性等方面的差异，以及由于其属于新兴技术的原因，在火力发电厂应用的初期，也就呈现了各种总线技术百家齐鸣，百花齐放的态势。
纵观近几年国内输煤控制系统发展的现状，总的来说主要有以下几种方式：传统的PLC技术方案、传统DCS技术方案、现场总线技术方案等。
传统的PLC技术方案是指：采用MODICON、AB、SIEMENS等PLC系统，在输煤控制室设置集中的单机或双机热（冷）备CPU，执行整个系统的控制逻辑，再以转运站为单位，设置多个远程站，在远程站配置DI、DO、AI、AO模块，并设置大量的I/O隔离继电器，以及外接大量的至现场设备的电缆所实现的程控系统方案。此技术应该说是多少年来输煤控制系统一直采用的传统解决方案。
传统的DCS方案，是指采用类同于主厂房内汽机和锅炉控制所选用的DCS硬件系统，来实现输煤控制的方案。由于DCS方案中仅是将常规PLC方案中的PLC的硬件换成DCS硬件，因此系统结构和电缆消耗二者基本一样。
随着电厂规模的不断加大，本系统所耗费的电缆投资、电缆通道投资、施工投资等费用急剧加大，使得整个系统的投资在更大程度上取决于电缆的费用，而不仅仅是程控设备本身。因此上述PLC/DCS方案在近几年逐渐处于被现场总线技术取代的趋势，特别是在大规模的机组电厂中。现场总线技术，被称为控制系统的第三代革命，也是解决电厂输煤控制电缆量大的最有效途径。京能十堰2×350MW热电联产机组输煤控制系统即采用了基于FCS的现场总线控制方案。
1.1 京能十堰电厂工程工程输煤系统工艺流程
京能十堰电厂本期建设2×350MW热电联产机组，规划建设4×350MW热电联产机组，并留有扩建条件。本工程2×350MW供热机组年耗煤量约189万t，由陕西煤化集团所属的彬长矿区供应，煤种为烟煤。
从翻车机室至筒仓的卸煤系统卸煤系统按规划容量4×350MW机组为一个系统，规划配置2套单车翻车机卸车系统，按1运1备考虑，并具备可同时运行的条件，本期仅安装１台翻车机。
运煤系统按双路设计，一路运行，一路备用，并具备双路同时运行的条件。筛分设备设置在进筒仓前的卸煤系统，筛分设备采用2台倾斜式滚轴筛，滚轴筛带有旁路，当来煤粒径满足磨煤机要求时，可旁过筛碎设备直接送入锅炉原煤斗。破碎设备采用2台重型环式碎煤机，碎煤机室布置在筒仓后上煤系统中，碎煤机基础下设减振装置。
煤仓间卸煤方式采用双侧犁式卸料器卸煤，每个原煤斗配置2台双侧犁煤器。本期纳入输煤系统控制设备详见附表一
附表一：输煤系统设备
根据各个运煤设备的安装布置位置，在输煤负荷相对集中的转运站、碎煤机室、煤仓间分别设有电气配电间，为这些设备提供动力电源和相应的控制回路（厂家控制箱随设备安装在就地）。
按照运煤流程及供电方式，输煤系统主要设备I/O点数统计见附二：
附表二：输煤系统I/O测点
1.2 京能十堰电厂输煤FCS现场总线控制系统应用
根据附表二的初步统计结果，京能十堰电厂一期工程输煤控制系统控制点总计约1000点，预留约20%的备用量，总点数以1200点考虑。
本工程输煤控制系统考虑基于FCS的现场总线整体控制方案的总体设计原则：本工程输煤控制系统考虑FCS现场总线控制方案，FCS和站控操作员站间通过100M TCP/IP以太网进行通讯，FCS采用双机热备配置。输煤系统监控地点设在输煤控制室，输煤系统采用一体化控制，运行人员在输煤控制室的任一台上位机上均可以对输煤系统进行监控。输煤控制系统留有与辅网和SIS系统通信的接口。
本方案在现场以被控对象为单位，为每一台被控对象设置独立的智能电控箱直接布置于被控对象旁，或设置现场总线分控装置直接布置于被控对象自带的控制柜内直接布置于现场。以上所有智能电控箱、现场总线分控装置之间再按照现场实际布置位置，将设备分组，采用总线电缆分区分组串行连接，最后与转运站主控装置相连。转运站主控装置安装在输煤控制远程分站程控柜内的总线控制箱中，与FCS系统通讯连接。
1）对于380V胶带机开关、制动器及振动煤蓖等低压开关柜供电设备采用马达保护器Profibus总线通讯的方式、双网的形式接入输煤程控系统进行控制，并保留硬接线接口；
2）对于由6kV胶带机开关、碎煤机等设备采用硬接线+总线模块的方式接入FCS 控制柜。
3）对跑偏开关、拉绳开关、撕裂开关、速度开关等皮带保护装置，皮带预启警铃等传感元件以硬接线+总线模块的方式，每个集中区域的设备必须有独立的通讯接口，作为一个独立的现场总线节点接入输煤程控系统。就地急停等联锁回路保留硬接线。
4）对于暖通湿式除尘器、微雾抑尘装置、煤采样、除铁器等自带控制箱的设备，经过自带控制箱的外部接口以及通讯接口，采用硬接线+总线模块的方式接入就地总线主控单元，每台设备作为一个独立的现场总线节点经主控单元以通讯方式接入整个输煤控制系统。
5）对于犁煤器，滚轴筛及脉冲式布袋除尘器，设备厂家不提供控制系统，由输煤控制厂家统一考虑控制系统，采用总线DP通讯的方式，每台设备做为独立的现场总线节点，接入输煤程控系统。
京能十堰电厂一期工程输煤FCS现场总线控制系统由湖南先步信息股份有限公司成套提供，根据以上总体设计原则及各类设备设计方案，主要设备配置接口见附表三。
本工程中湖南先步信息股份有限公司总线产品具体实施方案是将被控对象的I/O信号就近接入转化为数字信号并通过现场总线传输至输煤控制系统，为此在设备旁边就近设置带现场总线功能的就地测控装置，就地测控装置除具备I/O采集功能外，还具备冗余的工业级标准现场总线通讯接口，每台就地测控装置均自带CPU，具有智能可编程功能，系统功能的扩展不再依赖于主站DPU的处理能力。每台就地测控装置可向程控室提供更多的输入信息和智能化判断功能，系统具有自扩展能力。
对布置于现场的总线设备（包括就地测控装置、含测控装置的智能电控箱等），按一定的原则进行区域划分，将现场总线设备划分为若干个区域，每个区域设置一台现场总线式区域网络智能控制器。区域内的就地测控装置通过冗余的PROFIBUS-DP现场总线接入区域网络智能控制器，并通过区域网络智能控制器与布置于输煤控制室的DPU双向通讯，实现整个输煤控制系统。其典型控制回路有：
1）犁煤器：对容量较小的（从MCC供电的负荷）且厂家无成套控制箱的负荷，类似犁煤器等，采用的方案主要考虑为：电源回路从MCC柜引接，MCC柜内只布置保护电器元件（即塑壳断路器），在电动机旁设置IP67防护等级的集动力回路接触器、电动机保护器、就地操作回路（远方/就地选择开关、抬犁和落犁按钮和停止按钮）、现场总线回路（分控装置）于一体的智能型电控箱，实现电动机的就地操作和远方操作、监控功能。
程控系统：本工程本期2台机共设10个原煤仓，3个筒仓，负责配煤的有30个犁煤器。具体考虑为：犁煤器采用带现场总线功能的智能型电控箱，每台犁煤器，可接入程控系统的信号包括：抬犁位、落犁位、程控位、抬运行、落运行、超位、犁煤器故障及抬犁、落犁、停止等。煤仓的高料位信号也通过该电控箱引入程控系统。
动力回路：对动力回路，考虑按皮带将犁煤器分组。每组由煤仓层MCC柜引出1回塑壳断路器回路形成串灯笼型接线或引出2回塑壳断路器回路形成环形供电，一面MCC柜，解决犁煤器的供电问题。如此一方面简化了控制回路，另一方面也简化了动力回路的设置。
对于滚轴筛及脉冲式布袋除尘器，设备厂家不提供控制系统，由输煤控制厂家统一考虑控制系统，电动机则可采用上述类似犁煤器的做法，在就地设一体化的智能型电控箱。
）胶带机：马达控制器和智能测控装置都带有现场总线接口，因此对接于380V输煤PC段设备可以直接以通讯方式接入主控装置，通过主控装置与输煤FCS CPU进行通信，通过通信方式实现对皮带电动机回路的控制。
附表三：主要设备配置接口
在对应的转运站胶带电动机旁设置带现场总线通讯功能的胶带就地控制箱，负责皮带就地的启、停操作，以及胶带保护装置的故障显示功能；仅拉绳开关等跳闸电缆保留硬接线。
对于振动煤篦等MCC供电电动机则也采用上述胶带机的做法，通过开关柜马达控制器DP通讯上传相关信息，同时保留重要信号硬接线。
3）其他输煤电动机 根据输煤工艺流程，按照输煤胶带机的布置，在各转运站、碎煤机室、煤仓间等处设置总线控制箱，对胶带机沿线的输煤系统设备进行通讯连接及信号上传。
因所有输煤系统设备与控制系统间均采用通讯方式进行了连接，因此这些设备的远方控制不需要控制电缆进行控制和信号传输，只需要将通信接口接到现场总线的主控装置即可进行通信和控制，仅保留就地控制的信号和控制电缆及接线。
目前采用湖南先步信息股份有限公司同类总线产品方案，已经投入运行的项目有大唐湘潭电厂（2×600MW）水运码头输煤控制系统；国电汉川电厂（2×1000MW）输煤控制系统煤场喷淋；国电汉川电厂（2×1000MW）水运码头输煤控制系统扩建项目；新疆嘉润电厂（5×350MW）输煤控制系统；正在实施的项目还有：重庆神华万州电厂（2×1000MW）输煤控制系统；国投哈密电厂（2×660MW）输煤控制系统；贵州兴义清水河工业园热电联产动力车间项目（2×330MW）输煤控制系统等。
1.3输煤程控 DCS 网络结构
输煤控制系统采用三层网络结构（见图 5），即主控层、区域控制层和现场设备控制层。
主控层：主要目的是实现输煤程控主站与上位机监控系统、全厂 DCS 系统的连接，采用以太网网络架构，在输煤综合楼设置操作员站。（见图 6）
区域控制：采用冗余的 PROFIBUS-DP 现场总线，通过光纤实现区域网络智能控制器与程控室 DPU 之间的通讯。（见图 7）
现场设备控制层：采用现场总线技术实现。（见图 8）
区域控制层，根据工艺系统的设备布置及流程将输煤系统划分为多个相对独立的控制区域，每个区域设一个或多个区域网络智能控制器。区域控制层之间，及区域控制层与站控层之间采用冗余 PROFIBUS-DP 现场总线通讯，介质采用光纤，光纤带钢带铠装保护。
图 5：网络结构图
图6：主控制器 图7：区域网络智能控制器
图 8：智能控制箱图
2 结束语
综上所述，京能十堰电厂采用输煤FCS现场总线，其技术优势主要体现在：
1）提高系统的自动化和运行监控、管理水平
由于采用现场总线结构，增加系统的信号采集点，现场信号采集点远远大于常规控制系统，运行人员可以监视的信息量大大增加，大大提升了系统的自动化水平，并对提高运行人员的运行、管理水平提供了设备支持。
2）提高系统的智能化程度
由于每个分控装置均自带CPU，具有极强的自主处理功能，系统功能的扩展不再依赖于PLC/DCS主站CPU的处理能力。如此对每个就地设备就可向程控室提供更多的输入信息和智能化判断功能，从而使系统的智能化功能更上一个新台阶。
3）提高系统运行和安全稳定性
对PLC/DCS方案，所有的逻辑处理和解算功能全部集中在程控室的CPU上进行，就地远程站上只有输入/输出功能。如此情况，一但主站CPU出问题，或远程站与程控室之间的电缆连接出问题，则整个系统陷于瘫痪，无法挽回。而对现场总线技术方案，由于各分控装置均自带CPU，自身随时独立对装置对应的设备进行控制，即使电缆中断，影响的范围也只是本设备，从而降低了整个系统的风险，提高了系统的安全可靠性。
4）简单方便的系统功能扩充能力
由于每个现场总线节点本身就是一个智能设备，且具有独立的CPU处理能力，因此在进行系统扩充时只需增加新的节点即可，系统的CPU处理能力也就随之增加，在首次设计时根本无需考虑系统的裕量预留问题。
5）IP67等级的设备防护能力
由于该系统是专门针对火力发电厂输煤控制系统的特殊的应用场合而开发一套专用产品，IP67的防护等级，为系统的长期稳定运行提供了强有力的保证。
从经济性方面看，其优越性主要体现在：
1）减少电缆量及简化输煤系统电缆通道
采用现场总线方式后，减少了整个程控系统中控制电缆的消耗，同时由于极少的电缆用量，也就使得本系统对电缆通道的需求大大降低。常规方案电缆很多，对电缆桥架的需求很大，而对总线方案，电缆根数大量减少。
2）简化输煤控制系统
对输煤控制系统本身而言，由于采用现场总线直接实现了就地设备与程控系统的连接，从而使程控系统不再需要通常PLC/DCS意义上的大量DI/DO模块，甚至于省掉了程控室或远程站内的程控柜。同时，减少了大量的程控柜内的隔离继电器，减少了PLC/DCS底板及I/O模块的数量，也使得程控柜的数量得以减少，为现场设备的布置提供了更大的方便。
3）简化动力配电系统
对MCC柜内功率较小的设备，如犁煤器、脉冲除尘器等，设置就地电控箱，MCC柜对该部分负荷仅按配电回路设计。如对煤仓层犁煤器系统，在对控制回路采用现场总线方案的同时，对动力回路也采用环行连接，从而在保证原系统供电灵活性不变的前提下，简化了煤仓层MCC柜的配置，同时也节省了工程投资。
4）降低工程的总造价
由于采用现场总线方案减少了电缆量及电缆通道、简化了输煤控制系统及部分输煤动力配电系统，在减少设备投资的同时也较少了现场施工安装及接线的工作量，即减少了人工成本，相对于增加的程控系统的造价，综合各方面的增减项目和费用，总体来看工程的总造价是减少的。
从现场施工和后期运行维护看，其优越性主要体现在：
1）缩短工程施工周期
在输煤系统工程建设施工过程中，电缆敷设和电缆接线往往耗走了现场最大量的时间，当采用总线方案时，电缆根数极少，最大可能的减少了工程的建设周期，提高了工程的总体效益。
2）缩短系统调试时间
由于电缆接线量的减少，使得现场校线的工作量大大较少，调试人员的工作仅在于软件上对控制画面与控制对象的关联关系进行核对。
3）简单的设备运行维护工作
由于接线简单，电缆基本没有维护工作，设备又具有很高的自动化水平，为维护人员提供了各种故障判断信息，从而极大的减轻了维护人员的工作。
论文作者:陈景勇1,万谦2,靳玉芳3,李美环4
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/24
标签：系统论文; 控制系统论文; 设备论文; 现场总线论文; 电缆论文; 电厂论文; 回路论文; 《基层建设》2018年第6期论文;