现场总线控制系统在华电常德电厂一期工程中的应用

湖南华电常德发电有限公司 史 畅、谭云芳，西安热工研究院有限公司 丁 伟/文

引 言

现场总线控制系统（FCS，Fieldbus Control System）是利用现场总线技术，把现场测量、控制设备连接成网络系统，按公开、规范的通信协议，在现场测量、控制设备之间，以及这些设备与监控计算机（或DCS控制站）之间，实现双向数据传输和信息交换，构成由现场总线测量、控制设备集成的自治式控制系统。它是由现场总线测量、控制设备与监控计算机（或DCS控制站）结合在一起构成一个完整控制系统，并可通过现场总线网络对现场测量、控制设备进行实时诊断、维护的系统[1]。

1 概 述

湖南华电常德发电有限公司（以下简称常德电厂）一期工程为两台660MW超超临界燃煤发电机组，二期工程计划将在一期基础上扩建两台装机为1000MW超超临界燃煤发电机组。一期工程三大主机设备（锅炉、汽轮机、发电机）均由上海电气集团提供，采用的是艾默生的Ovation现场总线控制系统，现场总线协议为Profibus DP和FF H1，系统典型网络拓扑结构如图1所示。

2 现场总线在常德电厂使用的范围

常德电厂全厂范围内采用现场总线技术，统筹兼顾了工程风险、投资造价和技术创新三者的综合效益。考虑了火电机组控制系统的特点和要求，以成熟的DCS为基本系统，无缝嵌入现场总线网络通信模件，形成现场总线的各级网络，连接现场总线仪表、设备，实现数据采集、控制和设备驱动。

2.1 常德电厂主机采用总线技术的设备系统

2.1.1 汽轮机各段抽汽系统的疏水电动门、高加正常和危急疏水电动门、除氧器系统电动门、低加系统电动门、汽动引风机系统疏水电动门、凝结水泵进出口电动门、开式泵进出口电动门等采用冗余Profibus DP总线型电动执行机构。

2.1.2 汽动给水泵系统疏水电动门和气动门采用Profibus DP总线技术。

2.1.3 高加液位、低加液位、除氧器液位、凝结水系统压力和流量等变送器采用FF总线仪表。

2.1.4 锅炉疏水和排汽电动执行机构、磨煤机系统电动风门执行机构、给煤机系统电动执行机构、空预器风门电动执行机构、引风机进出口电动风门执行机构等采用冗余Profibus DP总线型电动执行机构。

2.1.5 锅炉吹灰系统电动门及压力变送器采用现场总线控制方式，而吹灰器本体采用常规硬接线控制方式。

2.1.6 汽机和锅炉系统中用于DAS信号采集和监视的仪表（除温度、压力开关和差压开关），均采用总线设备。

2.2 常德电厂公用及辅助车间采用总线技术的设备系统

2.2.1 锅炉补给水、净化站、凝结水精处理和再生、工业废水、生活污水、空压机、暖通空调等系统的压力变送器、差压变送器、流量变送器、流量计、超声波液位计等都采用FF总线技术，以上系统中的电动执行机构、部分化学分析仪表和气动门电磁阀岛采用Profibus DP总线技术，部分小型电机的马达保护装置也采用Profibus DP总线技术。

2.2.2 脱硫和脱硝系统中，除参与重要保护的测点和设备，其它压力变送器、差压变送器、流量变送器、流量计、超声波液位计等都采用FF总线技术，电动执行机构、部分化学分析仪表采用Profibus DP总线技术，部分小型电机的马达保护装置也采用Profibus DP总线技术。

图1 现场总线网络拓扑结构

2.2.3 输灰系统中的压力变送器采用FF总线技术，气动门电磁阀岛采用Profibus DP总线技术。

3 总线协议的确定和设备网段划分

常德电厂DCS选用艾默生Ovation系统，总线协议确定为：Profibus DP和FF H1。表1列出了部分DCS品牌及与之对应的现场总线规约，仅供参考表1：

为了保证大型火力发电机组连续安全稳定运行，系统的可靠性是至关重要的，采用现场总线技术的设备需要通过科学的网段划分配置保证安全及稳定，具体的网段划分原则方案如下：

3.1 FF H1网段设计采用树型加分支的组合拓朴结构；而Profibus DP网段采用总线型拓扑结构，配置有源终端电阻。

3.2 与常规接线的DCS要求相似，网段划分应采用风险分散的原则。

3.3 对于Profibus DP总线，在总线传输速率为500kbps的情况下，总线网段的总长度大于400米或电缆的敷设无法避免电磁干扰时，现场需配置现场总线通讯箱，从FCS现场总线模件柜至现场总线通讯设备柜之间的通讯电缆应采用冗余光缆。系统应配置网段正常工作必须的光电转换设备。

3.4 对于有防爆要求的应用场合，控制系统现场总线网段设计（如总线长度、挂接设备数量等）及设备（如电源模块、终端器、电缆等）选择应遵循现场总线本质安全概念（FISCO）的相关标准规范要求。

3.5 对于FF H1总线网段，当应用于控制目的时，每个网段挂接的现场总线设备数量不应超过8台；当用于非控制目的时，每个网段挂接的现场总线设备数量不应超过该标准规定最大数量的50%（16台）。一个网段的总线电缆总长度（干线长度加支线长度之和）不应超过1200米。单根支线电缆的长度应尽量短，支线电缆的长度不宜超过30米，最长不能超过60米。

4 总线设备安装调试问题

现场总线的安装调试不同于普通的I/O设备调试，对于总线设备来说，需要在逻辑组态、电缆铺设、设备安装和现场调试等多个方面引起注意。

4.1 在对某国产DP总线阀门进行通讯调试时，发现该品牌个别阀门不能正常通讯且无法自适应主站设置的波特率，并且导致该线路其他品牌阀门也无法正常通讯，使用专用工具现场测试，应是阀门的问题。因为某个阀门或某个品牌阀门的问题，而导致整条总线无法正常通讯，为了避免同一个网段上的不兼容问题，建议在同一个网段，尽量使用同一品牌的DP总线设备。

4.2 锅炉二次风门使用了大量的FF总线型ABB定位器，艾默生DCS系统和ABB定位器的通讯调试要求比较高，通过本工程技术人员的大量实践摸索，编写了《ABB定位器调试详细步骤》，按照该步骤进行操作，一次成功的机率大幅提高，也节约了大量的调试时间。

4.3 所有使用的总线设备，最好有丰富的总线应用业绩，而且必须有和DCS系统厂家进行了通讯测试的报告，确保通讯测试合格，以便于设备的选型和后期调试的顺利。

4.4 必须采用与现场设备一致的GSD文件版本(对于Profibus DP设备)或DD文件版本(对于FF设备)，防止组态时出现错误或者异常。

4.5 对于FF总线设备，应保持单点接地，接地点应为机柜处，不要在就地设备上接地（就地仪表屏蔽线剪掉，并用绝缘胶带包扎），在FF接线盒处将主干网和分支电缆的屏蔽连接在一起，最终将FF电缆屏蔽在卡件侧C17或C18端子接地。

4.6 对于Profibus DP总线设备，则应根据DP规范进行多点接地。

5 现场总线设备

5.1 艾默生公司总线设备

5.1.1 Profibus通信主站。

Profibus通信主站是艾默生公司研发的系列产品，完成和总线网络中从站的数据交换，并将采集的数据映射到DCS系统的控制器中，起到协议转换的作用。

5.1.2 终端电阻。

为了减少信号反射，保障通讯质量，一般在网段的末端位置需要加设终端电阻。常德电厂中DP总线终端电阻选用菲尼克斯系列产品。

5.1.3 FF通信主站。

FF通信主站是艾默生公司研发的系列产品，完成和总线网络中从站的数据交换，并将采集的数据映射到DCS系统的控制器中，起到协议转换的作用。

5.1.4 FF分配盒。

常德电厂采用的是倍加福的8口FF分配盒，可将单根FF信号拆分为多根FF信号，用于从主干线上连接现场仪表，有1个到8个分支可选。多数接线箱带短路保护和过载保护，可提高通讯可靠性。为了最大限度的降低成本，选择现场接线箱并将其靠近现场仪表安装，以减少分支电缆长度。

5.1.5 通信介质。

标准Profibus DP电缆、标准的FF H1总线电缆、光纤、Profibus-DP九针接头。

5.2 现场总线就地从站设备

5.2.1 进口电动执行机构采用了Rotork IQ/IQT系列、EMG DREHMO系列、AUMA系列产品。

5.2.2 国产电动执行机构采用了扬州恒春、温州瑞基、上海澳托克、厦门弗瑞特、江苏海博、成都圣玛特等系列产品。

5.2.3 气动阀门定位器采用了ABB、西门子、Fisher系列产品。

5.2.4 压力、差压变送器采用了Rosemount 3051系列（主要在主机使用）、霍尼韦尔 ST700系列（主要在辅网范围使用）。

5.2.5 导波雷达液位计采用了Magnetrol系列物位计，主要应用在高、低加液位和除氧器水位测量。

表1 部分DCS品牌及与之对应的现场总线规约

5.2.6 分析仪表采用了E+H、SWAN的Profibus DP协议的产品，主要应用在化补水系统、净水站系统和工业废水系统。

5.2.7 变频器采用了ABB系列产品，主要应用在化学加药系统部分。

5.2.8 超声波液位计采用了E+H系列产品。

5.2.9 阀岛采用了MAC、Numatics 、NORGREN系列产品。

6 结 论

现场总线技术的应用不仅节约了控制电缆和机柜，而且可以实现对现场总线设备的数字化管理，同时也具备很强的系统扩展能力。但是由于总线设备的普及还需时日，和常规设备相比较，总线设备的价格都要高于常规设备，所以，采用总线控制的系统，在就地设备费用这一块上是有一部分增加的。

湖南华电常德发电有限公司一期工程两台机组已于2015年先后投入生产运营，后期工作的重点将是艾默生的设备管理软件（AMS）的优化应用。利用总线的技术优势，结合设备管理软件，实现远程管理设备，远程诊断设备，达到提高设备维护和检修工作效率的目的，降低维护人员的工作强度，真正实现数字化电厂的科学管理。

[1]周明.现场总线控制[M].电力工业出版社，2002.

[2]郭孝杰，李昱.现场总线控制系统在沙洲二期工程中的应用研究[J].中国电业， 2014，(5)：66-69.

[3]曾卫东等.DL/T 2012-2013火力发电厂现场总线设备安装技术导则[S].国家能源局，2013：1-8.