現場(chǎng)總線(xiàn)方案與技術(shù)分析

概 述

現場(chǎng)總線(xiàn)（field bus），按其國際電工委員會(huì )IEC61158的定義為：“安裝在制造或過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)”；由現場(chǎng)總線(xiàn)和現場(chǎng)智能設備組成的控制系統稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統通稱(chēng)為FCS（Field bus Control System）。

1 方案設想

根據對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用情況，本工程660MW超臨界機組火力發(fā)電廠(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)的設計方案初步考慮如下：

1.1 智能變送器采用HART現場(chǎng)總線(xiàn)連接

目前發(fā)電廠(chǎng)所配的智能變送器（如壓力、差壓變送器），基本是帶有HART通訊功能的智能變送器，HART現場(chǎng)總線(xiàn)是1986年美國羅斯蒙特公司首先研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種現場(chǎng)通訊協(xié)議，它在過(guò)程控制儀表普遍采用的4～20mA標準信號的基礎上疊加了數字信號。這個(gè)數字信號是利用頻移鍵控技術(shù)（Frequency Shift Keying）將數字信號變換為音頻信號，協(xié)議規定信號的頻率為1200bit/s。這個(gè)音頻信號正弦波的平均值為零，所以在現場(chǎng)模擬信號中不增加直流部分，因此兩根線(xiàn)上可同時(shí)傳送互不影響的模擬和數字信號。

目前大多數電廠(chǎng)只是利用了帶有HART通訊功能的智能變送器的模擬量信號，而對數字量的信號卻無(wú)實(shí)際應用。但國內也有一些電廠(chǎng)已應用了帶HART通訊功能的智能變送器的數字量信號，如華能威海發(fā)電廠(chǎng)二期工程（2×300MW）機組，把所有現場(chǎng)智能變送器（每臺機組約200臺）的HART信號送入HART多路轉換器，接入羅斯蒙特的設備管理系統（AMS），揚州二電廠(chǎng)將現場(chǎng)智能變送器（每臺機組約500臺）的HART信號送入OVATION分散控制系統,可在控制室的計算機上就能監視、管理和調整運行的設備。

據有關(guān)資料介紹，采用智能變送器HART信號及AMS系統在提高工作效率、增強機組安全經(jīng)濟性方面大有益處。采用傳統方法在檢修或日常維護工作中，要對檢驗的壓力、差壓變送器進(jìn)行解列/投運、停電/送電、拆線(xiàn)/接線(xiàn)、拆/裝等工作，檢驗一臺變送器需要使用中、高級檢修工1.5個(gè)工作日。采用HART信號及 AMS，變送器檢驗工作全在電腦中完成，檢驗一臺變送器只需約15分鐘，大大提高了工作效率。采用HART信號或AMS，可充分利用智能變送器的功能，在計算機上可監測到變送器安裝環(huán)境的環(huán)境溫度，根據變送器檢測的環(huán)境溫度，決定是否采用保溫措施，防止測量管路凍結或凍壞變送器。在現場(chǎng)變送器的故障報警方面，采用HART信號或AMS能夠幫助迅速查明故障原因，縮短故障排除時(shí)間。

本工程可采用智能變送器的HART信號構置設備管理系統，以提高工作效率，減少設備維護費用的支出，并提高測量系統的準確、可靠性。

1.2 電動(dòng)門(mén)采用現場(chǎng)總線(xiàn)

在德國Niederaussem電廠(chǎng)中，現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)用于對安全特性無(wú)特殊要求的自動(dòng)控制任務(wù)（如汽水循環(huán)、煙氣系統和機組協(xié)調），對于對安全特性有特殊要求的自動(dòng)控制任務(wù)（如鍋爐保護和燃燒器管理等）及用于汽輪發(fā)電機的閉環(huán)控制設計（如DEH等）不采用現場(chǎng)總線(xiàn)。

本工程考慮進(jìn)一步擴大現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)的范圍。不僅是電動(dòng)關(guān)斷門(mén)采用現場(chǎng)總線(xiàn)，電動(dòng)調節門(mén)也可采用現場(chǎng)總線(xiàn)。采用的系統范圍也可進(jìn)一步擴大，可以考慮參考德國Niederaussem電廠(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)的設置范圍，即除了對安全特性有特殊要求的自動(dòng)控制任務(wù)及用于汽輪發(fā)電機的閉環(huán)控制設計外，其它電動(dòng)門(mén)均采用現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)?，F場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )可采用冗余通訊網(wǎng)絡(luò )，以確?？刂凭W(wǎng)絡(luò )的可靠性。

1.3 電動(dòng)機采用現場(chǎng)總線(xiàn)

由于設備廠(chǎng)家在這方面也沒(méi)有成熟的經(jīng)驗，在系統調試及設備單體調試中遇到了一些困難，主要是SIMOCODE存在損壞現象，這主要是由于現場(chǎng)環(huán)境不良及維護不善造成。另外，也出現過(guò)通訊中斷情況，故障發(fā)生后，通過(guò)采取了SIMOCODE與DCS系統通訊的抗干擾隔離措施，加裝PROFIBUS有源抗干擾模件，增加適量的接口設備如（Y型切換器、光電轉換器等）改進(jìn)措施，改進(jìn)后類(lèi)似故障未再出現。江陰夏港電廠(chǎng)400V及以下電機均采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式控制，通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與分散控制系統連接，對于6kV電機，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過(guò)硬接線(xiàn)信號進(jìn)入分散控制系統，其它信號通過(guò)總線(xiàn)方式進(jìn)入分散控制系統。兩臺機組目前已投入運行，采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制運行情況穩定可靠。

從電廠(chǎng)電動(dòng)機采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制情況來(lái)看，電動(dòng)機采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制在電廠(chǎng)實(shí)際運行中已證明是可靠的，而且也已積累了一定的經(jīng)驗。在本工程中可根據電動(dòng)機的電壓情況進(jìn)行分別對待：400V及以下電機采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式控制，所有信號都通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與分散控制系統連接，對于6kV電機，啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過(guò)硬接線(xiàn)信號進(jìn)入分散控制系統，其它信號可通過(guò)總線(xiàn)方式進(jìn)入分散控制系統。

1.4 輔助車(chē)間控制系統

目前現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在國內燃煤電廠(chǎng)輔助車(chē)間系統尚未有大范圍應用的業(yè)績(jì)，正在工程建設中的燃煤電廠(chǎng)輔助車(chē)間系統采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的有：浙江華能玉環(huán)電廠(chǎng)（2×1000MW），在鍋爐補給水處理系統、廢水處理系統中采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。由于新建電廠(chǎng)輔助車(chē)間系統如輸煤系統、干灰輸送系統、電除塵系統、凝結水精處理系統、化學(xué)加藥系統、汽水取樣系統、循環(huán)水加氯系統、污水處理系統等往往采用分島招標形式，分島招標中工藝設備與控制系統及儀表常又打捆供貨，造成控制系統及儀表由多個(gè)供貨商提供；另一方面，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)就目前而言還是較新的技術(shù)，各輔助系統工藝設備供貨商對現場(chǎng)總線(xiàn)儀表及控制系統還缺乏了解，業(yè)績(jì)較少，在這種情況下，如果由各輔助系統工藝設備供貨商提供現場(chǎng)總線(xiàn)設備及控制系統可能會(huì )對電廠(chǎng)輔助控制系統的質(zhì)量和建設工期有所影響。因此，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在全廠(chǎng)輔助車(chē)間系統上的應用，必須采取工藝設備單獨分島招標、控制系統集中招標的形式才有可能實(shí)現，根據單元機組現場(chǎng)總線(xiàn)方案設計原則，結合輔助車(chē)間工藝特點(diǎn)，全廠(chǎng)統一規劃技術(shù)要求，盡早安排，確保輔助控制系統的質(zhì)量和建設工期滿(mǎn)足要求。對鍋爐補給水處理系統、廢水處理系統、凈水站等輔助車(chē)間系統可優(yōu)先采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

2 技術(shù)經(jīng)濟分析

2.1 分散控制系統

采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式后，對于分散控制系統（DCS）而言，I/O卡件可以減少，但通訊模件卻要大量增加。報價(jià)的基礎條件：

單元機組I/O點(diǎn)約為9400點(diǎn)，電動(dòng)調門(mén)約75個(gè)，電動(dòng)關(guān)斷門(mén)（含部分氣動(dòng)關(guān)斷門(mén)）約240個(gè)，400V及以下電機約110個(gè)，6kV電動(dòng)機約22個(gè)，每對通訊口帶電動(dòng)門(mén)數量按不超過(guò)15、每個(gè)通訊口帶電動(dòng)機數量按不超過(guò)10個(gè)。單元機組I/O點(diǎn)列表如下：

分散控制系統（DCS）廠(chǎng)商一：提供的報價(jià)采用現場(chǎng)總線(xiàn)方案比采用常規分散控制系統方案費用每臺機組約貴150萬(wàn)元人民幣。

分散控制系統（DCS）廠(chǎng)商二：提供的報價(jià)采用現場(chǎng)總線(xiàn)方案比采用常規分散控制系統方案費用每臺機組約貴225萬(wàn)元人民幣。

2.2 現場(chǎng)設備

1）電動(dòng)門(mén)

進(jìn)口電動(dòng)門(mén)

當今新建工程項目中，系統設計的電動(dòng)門(mén)大多數已要求采用智能機電一體化產(chǎn)品，在這種情況下，通過(guò)進(jìn)一步明確現場(chǎng)設備應符合的總線(xiàn)標準，即可將設備接入現場(chǎng)總線(xiàn)系統，成本增加不大。平均每個(gè)進(jìn)口現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)約比進(jìn)口智能一體化電動(dòng)門(mén)貴1萬(wàn)元人民幣左右。