基于现场总线技术在火力发电厂机组控制系统中的应用

摘要：本文通过分析现场总线的结构特点与应用现状，提出了现场总线技术的应用思路，并对现场总线技术在火电厂中的应用进行了阐述。

关键词：火力发电厂；现场总线；应用；注意事项

中图分类号： TM621 文献标识码： A 文章编号：

1 现场总线特点及其应用现状

随着现场总线技术的不断成熟，支持现场总线技术协议的产品越来越多，为现场总线技术的应用奠定了良好的基础。与传统的DCS相比，现场总线技术具有如下特点。

1.1全数字化

传统DCS的模拟量信号为4～20mA，现场总线采用数字信号取代了4～20 mA信号，使得模拟量信号的纠错、检错得以实现，信号的传输更加可靠。

1.2互操性和互用性

互操性是指相互连接的设备之间、系统之间信息的传送和沟通，互用性是指不同厂家性能类似的产品可互相替换。

1.3高度分散性

现场总线的控制具有完全分散式的结构，控制功能由现场设备实现，过程控制功能由安装在控制室的控制系统实现。

应用在火电厂的现场总线协议有Profibus和FF2种，在2种协议中以Profibus协议构建的控制网络为主，FF协议只在山东邹县电厂和华能海门电厂中为数不多的设备上应用。

应用现场总线构建的控制网络开始在电厂辅助车间控制系统应用，现已逐步应用于机组控制系统，并且应用的范围越来越广，从早期的数据采集系统(DAS)、顺序控制系统(SCS)到现在的模拟量控制系统(MCS)均采用现场总线技术。

2 现场总线技术的应用思路

2.1现场总线标准的确定

通过对设备状况和工程应用的分析及近年来现场总线技术在不同行业中的不断深入应用，专业人员逐渐认识了各种总线标准适宜的应用场合，一致认为PROFIBUS和FF总线比较适合过程控制。

二种总线标准相比，FF较适用于连续量控制，而PROFIBUS不仅适用于离散量控制，同样也适用于连续量控制。因此PROFIBUS和FF现场总线标准应是在火电厂过程控制中应用的首选。

2.2现场总线控制系统结构的选择

电厂控制系统的设计首先要保证安全可靠，因此，拥有成熟技术的DCS和PLC仍是当前电力工业自动化系统应用及选型的主流，把现场总线技术集成在主控制系统中应是目前阶段较适宜的设计方案，对于重要的保护及控制回路仍采用传统硬接线方式连接。

在实际应用中大多采用将总线技术集成到现有DCS中，现场总线设备的应用主要在现场设备层。而火电厂机组过程控制具有协同、多任务、复杂的特点，很多不同控制回路之间相互关联。

如果将机组控制任务分散到现场智能设备中，将会有大量控制系统分段网络之间的通信，从而增大通信系统负荷，影响信号传输的实时性；更重要的是当分段网络出现故障时，不同网段上设备之间的联锁功能将无法实现，严重情况下将影响工艺系统及设备的安全运行。

因此，在工程应用中控制系统依然采用拥有成熟技术的主流产品DCS，而只在现场设备层全面采用现场总线技术应是首选方案。负责多任务的调节回路控制策略和设备控制逻辑依然按工艺系统划分在不同的DCS控制器中集中处理。将总线技术集成到现有的DCS中，将局部使用的现场总线仪表设备连接到DCS上，利用DCS丰富而成熟的控制功能和软、硬件产品带动现场总线的推广应用。

2.3应用方案

2.3.1应用方案设想

现场总线技术应用方案的确定应遵循的原则：直接影响机组安全可靠性的系统和设备宜采用常规方案控制；不纯粹为了追求采用现场总线而采用现场总线。具体方案如下：

⑴整个机组可按照工艺过程划分为多个子系统，工艺系统中的单回路调节可放在现场执行机构中实现（也可仍在DCS控制器中控制）。

⑵鉴于炉膛安全监控系统（FSSS）、汽轮机数字电液控制系统（DEH）、汽轮机紧急跳闸系统（ETS）对机组安全运行至关重要，回路处理速度要求高，建议FSSS、DEH和ETS还是采用成熟的常规控制系统。对个别影响机组安全的阀门及仪表采用硬接线方式。

⑶为保证事件顺序记录（SOE）具有1ms的分辨率，建议SOE信号仍采用常规DI卡或专用SOE卡。

⑷变送器均采用现场总线型智能变送器接入DCS。

⑸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。由于主厂房内电磁阀控制的二位式气动阀门布置较分散，不太适合采用带总线接口的阀岛进行控制，建议还是采用常规I/O方式接入DCS。国产现场总线电动执行机构可根据成熟度和造价考虑是否采用现场总线型设备，目前建议仍采用常规I/O方式接入DCS。

⑹现场分散的温度测点可考虑采用现场总线型的智能温度变送器接入DCS。对于现场相对集中的温度测点如锅炉壁温、发电机本体温度等测点，一方面考虑到对于温度类信号需要判断的内容和信息并不多，采用现场总线方式接入增加的信息内容并不明显。

另一方面，目前阶段带总线接口的智能温度变送器价格还比较高，如在工程中对全部温度检测信号采用总线方式接入将在较大程度上增加投资，所以这些温度信号建议仍采用常规的远程I/O方式接入DCS。

⑺机组厂用电动机和厂用电控制采用现场总线，该系统通过机组DCS的通信接口与DCS相互传输信号。从机组安全考虑，所有电动机及主厂房内重要电源开关的分/合指令信号、状态反馈信号依然通过硬接线方式进入DCS，其他信号通过通信接口与机组DCS相联。

2.3.2应用总线系统的技术可行性

总线控制系统应用的技术可行性主要体现在实时性、可靠性及可用性方面，这是保证机组安全可靠运行的主要因素。

⑴实时性

实时性是衡量控制系统是否可用的一个重要指标，因此总线的实时性是总线控制技术能否在火电厂机组控制中应用的重要判据。对于常规DCS，通常要求现场信号的采集周期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。下面以二种常用总线为例分析总线的响应时间。

PROFIBUS-DP总线，采用光纤时传输速率可达12Mb/s，当采用屏蔽双绞线时其通信速率与通信距离有关，通常在200m范围内DP总线的传输速率为1.5Mb/s，该总线的响应时间约为8.6ms，考虑到非周期性延时通常为20～30ms，对于离散量，PROFIBUS-DP总线的响应小于每秒10次的刷新时间。

总线的响应时间不仅受限于传输速率，而且与从站的数量有关，若系统配置有PA从站，当节点数为16个时，PA总线的响应时间约为166ms，这时整个PROFIBUS-DP系统的响应时间约为220ms，满足4次/s的更新周期。

FF-H1总线，通信速率为31.25kb/s，在一个网段上的执行时间不仅与挂接的设备数量有关且与宏循环周期有关。通常负荷循环周期不应超过宏循环周期的50%，因此，要保证250ms的负荷周期，宏循环周期时间应为500ms。

由此可见，PROFIBUS总线和FF总线完全能满足机组控制对一般输入、输出信号处理的实时性要求。鉴于目前FF总线宏周期一般为100ms至1s，还是无法满足电厂机组控制中快速处理回路的时间要求（50ms左右），因此，系统中为安全或快速响应而设置的开关量信号，还应采用常规DCS的I/O模件来处理。