大型火電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討

　　目前，國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，適用于火電機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線主要有德國(guó)西門子公司研發(fā)的 Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線和國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線基金會(huì)組織研發(fā)的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(FF)等。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn) IEC61158的組成部分，其分類為Type3，主要由Profibus-PA、Profibus-DP組成，Profibus-DP的數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbit/s ～12Mbit/s, Profibus-PA的數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25kbit/s。FF與Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線相同，為國(guó)際現(xiàn)場(chǎng)總線的組成部分，其分類為Type l和Type 5，主要有Hl和H2 2種通訊速率。Hl的數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25kbit/s, H2的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s、2.5 Mbit/s和100Mbit/s。

　　對(duì)于Profibus和FF現(xiàn)場(chǎng)總線，F(xiàn)F現(xiàn)場(chǎng)總線較適用于連續(xù)量控制(取代4～20mA模擬量信號(hào))，而Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線較適用于離散量控制，但也適用于連續(xù)量控制(對(duì)連續(xù)量的控制優(yōu)勢(shì)低于FF現(xiàn)場(chǎng)總線)。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備僅支持雙向數(shù)字化信號(hào)傳輸功能，不支持單回路控制，控制策略由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。FF現(xiàn)場(chǎng)總線的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備既支持雙向數(shù)字化信號(hào)傳輸功能，又可實(shí)現(xiàn)單回路控制?；痣姍C(jī)組的控制具有集中且復(fù)雜的特點(diǎn)，不同控制回路之間往往相互關(guān)聯(lián)。如果將各控制回路分散到現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備中，將出現(xiàn)大量控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分段之間的通訊，從而使得系統(tǒng)通訊負(fù)荷增大，信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性受到影響;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)分段出現(xiàn)故障時(shí)，不同網(wǎng)段上設(shè)備之間的聯(lián)鎖功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，影響機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，F(xiàn)CS結(jié)構(gòu)應(yīng)采用在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，所有的設(shè)備控制策略在控制系統(tǒng)的控制器中集中處理。

　　二、控制范圍

　　為了確保機(jī)組運(yùn)行的安全性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的特點(diǎn)，在火電機(jī)組FCS中，機(jī)組的主保護(hù)控制(爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)、旁路控制系統(tǒng)(BPC)、事故順序記錄(SOE)等)和主要輔機(jī)的保護(hù)功能不納入現(xiàn)場(chǎng)總線;用于聯(lián)鎖保護(hù)的開關(guān)型氣動(dòng)閥門、電磁閥不納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制;國(guó)產(chǎn)電動(dòng)閥門(因現(xiàn)場(chǎng)總線接口不完善，且缺乏相應(yīng)的測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用)不納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制;開關(guān)量?jī)x表(壓力開關(guān)、液位開關(guān)、溫度開關(guān)等)不納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制;用于非重要調(diào)節(jié)回路的氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制控制;用于非重要控制系統(tǒng)的開關(guān)型電動(dòng)閥門納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制飛380v 及6kv電動(dòng)機(jī)納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制;溫度測(cè)點(diǎn)采用現(xiàn)場(chǎng)總線;用于監(jiān)視的測(cè)量信號(hào)采用現(xiàn)場(chǎng)總線;廠用電電源系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制;對(duì)于空冷機(jī)組空冷島變頻器在采用特殊的抗干擾隔離措施后納入現(xiàn)場(chǎng)總線控制;化學(xué)補(bǔ)給水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)反滲透系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、制氯/加氯系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)、除灰及除渣系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)等采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制。

　　三、設(shè)備選型

　　控制系統(tǒng)的控制器采用具有總線接口的冗余控制器?？刂葡到y(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層全部采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)高速控制設(shè)備采用常規(guī)控制方式;380V電動(dòng)機(jī)MCC回路采用具有Profibus-DP接口的智能馬達(dá)控制器;變送器采用現(xiàn)場(chǎng)總線型智能變送器并接入 DCS。與機(jī)組重要保護(hù)和調(diào)節(jié)相關(guān)的變送器采用具有HART通訊協(xié)議的常規(guī)智能型進(jìn)口變送器;電動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的設(shè)備;氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能定位器;溫度測(cè)點(diǎn)采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的智能溫度變送器;電磁閥采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的閥島;對(duì)于不具備總線接口的設(shè)備采用具有現(xiàn)場(chǎng)總線接口的遠(yuǎn)程I/O站。

　　四、FCS網(wǎng)段

　　根據(jù)火電廠工藝流程的控制特點(diǎn)，合理配置總線網(wǎng)段的數(shù)量及其掛接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)量，以確保任何一條總線故障時(shí)，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)。

　　(l)所配置的控制器數(shù)量應(yīng)確?？刂破鞯目刂浦芷谂c現(xiàn)場(chǎng)總線的宏周期(FF-Hl總線)或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的輪詢刷新周期(Profibus-PA總線)之間的合理匹配控制器中控制邏輯每執(zhí)行1次，控制回路中的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)更新1次(最低要求，即控制周期至少為總線數(shù)據(jù)更新周期的2倍)。

　　(2)FF-Hl和Profibus-PA現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)應(yīng)采用樹型、分支或組合拓樸結(jié)構(gòu);Profibus-DP采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)Profibus-PA或FF-Hl現(xiàn)場(chǎng)總線模件用于控制時(shí)不超過(guò)4個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段，每個(gè)DP主站模塊不超過(guò)2個(gè)DP主干網(wǎng)段。

　　(3)冗余設(shè)置的現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段;對(duì)工藝上并列運(yùn)行或冗余配置的設(shè)備，其相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)連接在不同的網(wǎng)段上;控制邏輯相關(guān)(同1控制回路中)的儀表和控制對(duì)象原則上掛接在同1總線網(wǎng)段上。

　　(4)對(duì)于同一支路，應(yīng)盡量將控制類設(shè)備布置在前端，監(jiān)視類設(shè)備布置在后端。

　　(5)對(duì)于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)總線模件可以設(shè)定不同的總線速率，以適應(yīng)不同的控制器的要求。除了現(xiàn)場(chǎng)總線固有的總線速率限制以外，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段距離超出1個(gè)建筑物的情況下總線傳輸速率應(yīng)不大于500kbit/s。

　　(6)對(duì)于Profibus-DP總線，每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)量不超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大數(shù)量的40%，每個(gè)Profibus主站下掛接的Profibus-DP從站設(shè)備數(shù)量不可超過(guò)16個(gè)，網(wǎng)段長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)400m, 過(guò)長(zhǎng)的網(wǎng)段可考慮使用光纜或者中繼器。對(duì)于所有Profibus-PA和FF-Hl現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段，當(dāng)用于過(guò)程控制時(shí)，每個(gè)網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)量不得超過(guò)6個(gè);當(dāng)用于非過(guò)程控制(數(shù)據(jù)監(jiān)視)時(shí)，每個(gè)網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備數(shù)量不得超過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大數(shù)量(12個(gè))，每個(gè)網(wǎng)段主干加分支的長(zhǎng)度應(yīng)不超過(guò)1200m，支線電纜的長(zhǎng)度不能超過(guò)120m。

　　(7)Profibus-DP支路的通訊速率設(shè)定值必須小于該支路上所有設(shè)備中的最小通訊速率。

　　(8)就地通訊柜的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離大功率電氣設(shè)備(變頻器、大功率電動(dòng)機(jī))等。

　　(9)沒(méi)有DP接線頭的Profibus-DP設(shè)備須選用專用的接線端子與Profibus-DP總線進(jìn)行連接。

　　五、FCS電纜敷設(shè)及其接地

　　(l)動(dòng)力回路所用電纜、電線的線芯材質(zhì)應(yīng)為銅芯。有抗干擾要求的線路應(yīng)采用屏蔽電纜或屏蔽電線，并分層敷設(shè)。

　　(2)鎧裝光纜應(yīng)符合其最小彎曲半徑的要求。

　　(3)總線通訊電纜應(yīng)遠(yuǎn)離高電壓、大電流電纜，電纜溝內(nèi)與高電壓、大電流電纜的間距至少為30cm。

　　(4)總線通訊電纜盡量避免與造成干擾的電纜并行敷設(shè)，其必須與電源電纜交叉時(shí)應(yīng)盡量直角交叉;總線通訊電纜必須與電源電纜平行時(shí)，其與動(dòng)力電纜之間的距離應(yīng)保證在400mm以上。

　　(5)接線盒內(nèi)無(wú)屏蔽的通訊線不能與電源線纏繞，無(wú)屏蔽且裸露接線部分的長(zhǎng)度應(yīng)盡量短，長(zhǎng)度在4～5cm以內(nèi)最佳。

(6)總線通訊電纜不可與60V以上電源電纜或電信電纜共用同一電纜橋架、平行走線，無(wú)法避免時(shí)須用金屬隔板分隔。

　　(7)當(dāng)總線通訊電纜通過(guò)復(fù)雜電磁環(huán)境(變頻器等強(qiáng)干擾源)或離開橋架后須用金屬套管進(jìn)行抗干擾保護(hù)。

　　(8)應(yīng)避免總線設(shè)備之間出現(xiàn)中間斷點(diǎn)，如果其連接總線電纜長(zhǎng)度不足，則必須重新敷設(shè);如果是該設(shè)備暫時(shí)未安裝而無(wú)法接線，則必須用專用連接器臨時(shí)接通，而不應(yīng)簡(jiǎn)單的扭接，或者在不截?cái)嗫偩€電纜的情況下，留有余地后直接連接下一個(gè)總線設(shè)備。

　　(9)對(duì)于FF現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)電纜，其屏蔽層的接地方式為：每個(gè)智能儀表僅連接FF電纜的信號(hào)線，屏蔽層浮空，不得與儀表接地線或者機(jī)殼相連接;接至接線盒的FF電纜，除了連接信號(hào)線外，屏蔽層應(yīng)連接至接線盒的相應(yīng)端子;對(duì)于接線盒到 FF現(xiàn)場(chǎng)總線電源之間的FF電纜，應(yīng)分別在兩端連接屏蔽線，在FF現(xiàn)場(chǎng)總線電源處，屏蔽層匯入機(jī)柜接地線，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地;在網(wǎng)絡(luò)中的任何一處，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備不得將雙絞線中的任一根導(dǎo)線與接地線連接;儀表信號(hào)導(dǎo)線不得作為接地線使用，如果要求儀表安全接地，應(yīng)采用獨(dú)立的導(dǎo)線;接地導(dǎo)線、儀表信號(hào)線和屏蔽線可以在同一根電纜中，但不得位于該電纜的屏蔽層之外;如果多根主干線電纜引入現(xiàn)場(chǎng)接線盒，不得將該電纜屏蔽線與其它網(wǎng)絡(luò)相連。

　　(10)對(duì)于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的信號(hào)電纜，屏蔽層的接地方式應(yīng)為：Profibus-DP電纜屏蔽層應(yīng)與DP設(shè)備屏蔽夾(或端子)連接，設(shè)備屏蔽接地線應(yīng)接至電氣地，根據(jù)電纜長(zhǎng)度電纜芯截面積應(yīng)選擇為4～8mm2;總線電纜屏蔽線應(yīng)與等電勢(shì)系統(tǒng)相連接，接地銅牌連接面積應(yīng)足夠大;金屬電纜支架的各個(gè)部分應(yīng)彼此連接并盡量多地與等電位連接系統(tǒng)相連接。

　　六、FCS的其它設(shè)計(jì)

　　(l)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段應(yīng)合理配置網(wǎng)絡(luò)有源終端器，并將其安裝在系統(tǒng)機(jī)柜或現(xiàn)場(chǎng)總線就地接線箱內(nèi)。

　　(2)為了使設(shè)備地址具有唯一性，不同支路上的設(shè)備不能設(shè)置相同的設(shè)備地址，現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備總線版本應(yīng)與設(shè)計(jì)版本一致，相應(yīng)的GSD及EDDL配置文件要準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備地址、通訊速率、控制模式應(yīng)設(shè)置正確。現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備地址設(shè)定時(shí)需注意地址格式(十六進(jìn)制或十進(jìn)制區(qū))。

　　(3)FCS的總線回路應(yīng)預(yù)留余量。

　　(4)應(yīng)選用經(jīng)過(guò)總線組織認(rèn)證的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，同時(shí)應(yīng)注意相同總線標(biāo)準(zhǔn)版本的統(tǒng)一。

　　(5)變頻器運(yùn)行時(shí)易產(chǎn)生諧波干擾，在將其接入網(wǎng)段時(shí)應(yīng)充分考慮抗干擾的措施：選擇符合國(guó)際、國(guó)內(nèi)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)、原理成熟先進(jìn)、諧波抑制措施完善的變頻器;現(xiàn)場(chǎng)總線相關(guān)通訊柜應(yīng)避免與變頻器柜相鄰;變頻器動(dòng)力電源、FCS控制電源分別由不同電源系統(tǒng)供電;在變頻器前、后設(shè)置感性濾波裝置;變頻器至電動(dòng)機(jī)的連接電纜應(yīng)采用變頻專用電纜;系統(tǒng)接地及各類電纜敷設(shè)必須良好。

　　(6)用于現(xiàn)場(chǎng)總線轉(zhuǎn)接的專用T型轉(zhuǎn)接器應(yīng)安裝在便于查找和檢修的位置，在室內(nèi)盡可能地將其安裝在鄰近相關(guān)智能設(shè)備的位置，在室外盡可能地安裝在就地通訊箱內(nèi)。

　　(7)對(duì)于Profibus-DP總線，電纜屏蔽層應(yīng)連接于每個(gè)設(shè)備的功能地，通常是通過(guò)設(shè)備外殼連接;對(duì)于FFHl和Profibus- PA總線，所有的電纜屏蔽層應(yīng)單點(diǎn)接地。

　　(8)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段終端器應(yīng)安裝在系統(tǒng)控制機(jī)柜內(nèi)或現(xiàn)場(chǎng)總線就地接線箱內(nèi)