現(xiàn)場總線方案與技術(shù)分析

概 述

現(xiàn)場總線（field bus），按其國際電工委員會IEC61158的定義為：“安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線”；由現(xiàn)場總線和現(xiàn)場智能設(shè)備組成的控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)通稱為FCS（Field bus Control System）。

1 方案設(shè)想

根據(jù)對現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用情況，本工程660MW超臨界機(jī)組火力發(fā)電廠現(xiàn)場總線的設(shè)計(jì)方案初步考慮如下：

1.1 智能變送器采用HART現(xiàn)場總線連接

目前發(fā)電廠所配的智能變送器（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(xiàn)場總線是1986年美國羅斯蒙特公司首先研制開發(fā)出來的一種現(xiàn)場通訊協(xié)議，它在過程控制儀表普遍采用的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號的基礎(chǔ)上疊加了數(shù)字信號。這個數(shù)字信號是利用頻移鍵控技術(shù)（Frequency Shift Keying）將數(shù)字信號變換為音頻信號，協(xié)議規(guī)定信號的頻率為1200bit/s。這個音頻信號正弦波的平均值為零，所以在現(xiàn)場模擬信號中不增加直流部分，因此兩根線上可同時傳送互不影響的模擬和數(shù)字信號。

目前大多數(shù)電廠只是利用了帶有HART通訊功能的智能變送器的模擬量信號，而對數(shù)字量的信號卻無實(shí)際應(yīng)用。但國內(nèi)也有一些電廠已應(yīng)用了帶HART通訊功能的智能變送器的數(shù)字量信號，如華能威海發(fā)電廠二期工程（2×300MW）機(jī)組，把所有現(xiàn)場智能變送器（每臺機(jī)組約200臺）的HART信號送入HART多路轉(zhuǎn)換器，接入羅斯蒙特的設(shè)備管理系統(tǒng)（AMS），揚(yáng)州二電廠將現(xiàn)場智能變送器（每臺機(jī)組約500臺）的HART信號送入OVATION分散控制系統(tǒng),可在控制室的計(jì)算機(jī)上就能監(jiān)視、管理和調(diào)整運(yùn)行的設(shè)備。

據(jù)有關(guān)資料介紹，采用智能變送器HART信號及AMS系統(tǒng)在提高工作效率、增強(qiáng)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)性方面大有益處。采用傳統(tǒng)方法在檢修或日常維護(hù)工作中，要對檢驗(yàn)的壓力、差壓變送器進(jìn)行解列/投運(yùn)、停電/送電、拆線/接線、拆/裝等工作，檢驗(yàn)一臺變送器需要使用中、高級檢修工1.5個工作日。采用HART信號及 AMS，變送器檢驗(yàn)工作全在電腦中完成，檢驗(yàn)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(jì)算機(jī)上可監(jiān)測到變送器安裝環(huán)境的環(huán)境溫度，根據(jù)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(jié)或凍壞變送器。在現(xiàn)場變送器的故障報(bào)警方面，采用HART信號或AMS能夠幫助迅速查明故障原因，縮短故障排除時間。

本工程可采用智能變送器的HART信號構(gòu)置設(shè)備管理系統(tǒng)，以提高工作效率，減少設(shè)備維護(hù)費(fèi)用的支出，并提高測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠性。

1.2 電動門采用現(xiàn)場總線

在德國Niederaussem電廠中，現(xiàn)場總線電動門用于對安全特性無特殊要求的自動控制任務(wù)（如汽水循環(huán)、煙氣系統(tǒng)和機(jī)組協(xié)調(diào)），對于對安全特性有特殊要求的自動控制任務(wù)（如鍋爐保護(hù)和燃燒器管理等）及用于汽輪發(fā)電機(jī)的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)（如DEH等）不采用現(xiàn)場總線。

本工程考慮進(jìn)一步擴(kuò)大現(xiàn)場總線電動門的范圍。不僅是電動關(guān)斷門采用現(xiàn)場總線，電動調(diào)節(jié)門也可采用現(xiàn)場總線。采用的系統(tǒng)范圍也可進(jìn)一步擴(kuò)大，可以考慮參考德國Niederaussem電廠現(xiàn)場總線電動門的設(shè)置范圍，即除了對安全特性有特殊要求的自動控制任務(wù)及用于汽輪發(fā)電機(jī)的閉環(huán)控制設(shè)計(jì)外，其它電動門均采用現(xiàn)場總線電動門。現(xiàn)場總線電動門的總線網(wǎng)絡(luò)可采用冗余通訊網(wǎng)絡(luò)，以確保控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

1.3 電動機(jī)采用現(xiàn)場總線

由于設(shè)備廠家在這方面也沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)調(diào)試及設(shè)備單體調(diào)試中遇到了一些困難，主要是SIMOCODE存在損壞現(xiàn)象，這主要是由于現(xiàn)場環(huán)境不良及維護(hù)不善造成。另外，也出現(xiàn)過通訊中斷情況，故障發(fā)生后，通過采取了SIMOCODE與DCS系統(tǒng)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(shè)備如（Y型切換器、光電轉(zhuǎn)換器等）改進(jìn)措施，改進(jìn)后類似故障未再出現(xiàn)。江陰夏港電廠400V及以下電機(jī)均采用現(xiàn)場總線方式控制，通過現(xiàn)場總線與分散控制系統(tǒng)連接，對于6kV電機(jī)，啟、停指令信號及電機(jī)已啟、已停信號可通過硬接線信號進(jìn)入分散控制系統(tǒng)，其它信號通過總線方式進(jìn)入分散控制系統(tǒng)。兩臺機(jī)組目前已投入運(yùn)行，采用現(xiàn)場總線控制運(yùn)行情況穩(wěn)定可靠。

從電廠電動機(jī)采用現(xiàn)場總線控制情況來看，電動機(jī)采用現(xiàn)場總線控制在電廠實(shí)際運(yùn)行中已證明是可靠的，而且也已積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。在本工程中可根據(jù)電動機(jī)的電壓情況進(jìn)行分別對待：400V及以下電機(jī)采用現(xiàn)場總線方式控制，所有信號都通過現(xiàn)場總線與分散控制系統(tǒng)連接，對于6kV電機(jī)，啟、停指令信號及電機(jī)已啟、已停信號可通過硬接線信號進(jìn)入分散控制系統(tǒng)，其它信號可通過總線方式進(jìn)入分散控制系統(tǒng)。

1.4 輔助車間控制系統(tǒng)

目前現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)燃煤電廠輔助車間系統(tǒng)尚未有大范圍應(yīng)用的業(yè)績，正在工程建設(shè)中的燃煤電廠輔助車間系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)的有：浙江華能玉環(huán)電廠（2×1000MW），在鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線技術(shù)。由于新建電廠輔助車間系統(tǒng)如輸煤系統(tǒng)、干灰輸送系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、化學(xué)加藥系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、循環(huán)水加氯系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等往往采用分島招標(biāo)形式，分島招標(biāo)中工藝設(shè)備與控制系統(tǒng)及儀表常又打捆供貨，造成控制系統(tǒng)及儀表由多個供貨商提供；另一方面，現(xiàn)場總線技術(shù)就目前而言還是較新的技術(shù)，各輔助系統(tǒng)工藝設(shè)備供貨商對現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)還缺乏了解，業(yè)績較少，在這種情況下，如果由各輔助系統(tǒng)工藝設(shè)備供貨商提供現(xiàn)場總線設(shè)備及控制系統(tǒng)可能會對電廠輔助控制系統(tǒng)的質(zhì)量和建設(shè)工期有所影響。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)在全廠輔助車間系統(tǒng)上的應(yīng)用，必須采取工藝設(shè)備單獨(dú)分島招標(biāo)、控制系統(tǒng)集中招標(biāo)的形式才有可能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)單元機(jī)組現(xiàn)場總線方案設(shè)計(jì)原則，結(jié)合輔助車間工藝特點(diǎn)，全廠統(tǒng)一規(guī)劃技術(shù)要求，盡早安排，確保輔助控制系統(tǒng)的質(zhì)量和建設(shè)工期滿足要求。對鍋爐補(bǔ)給水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、凈水站等輔助車間系統(tǒng)可優(yōu)先采用現(xiàn)場總線技術(shù)。

2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

2.1 分散控制系統(tǒng)

采用現(xiàn)場總線方式后，對于分散控制系統(tǒng)（DCS）而言，I/O卡件可以減少，但通訊模件卻要大量增加。報(bào)價(jià)的基礎(chǔ)條件：

單元機(jī)組I/O點(diǎn)約為9400點(diǎn)，電動調(diào)門約75個，電動關(guān)斷門（含部分氣動關(guān)斷門）約240個，400V及以下電機(jī)約110個，6kV電動機(jī)約22個，每對通訊口帶電動門數(shù)量按不超過15、每個通訊口帶電動機(jī)數(shù)量按不超過10個。單元機(jī)組I/O點(diǎn)列表如下：

分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商一：提供的報(bào)價(jià)采用現(xiàn)場總線方案比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案費(fèi)用每臺機(jī)組約貴150萬元人民幣。

分散控制系統(tǒng)（DCS）廠商二：提供的報(bào)價(jià)采用現(xiàn)場總線方案比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案費(fèi)用每臺機(jī)組約貴225萬元人民幣。

2.2 現(xiàn)場設(shè)備

1）電動門

進(jìn)口電動門

當(dāng)今新建工程項(xiàng)目中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電動門大多數(shù)已要求采用智能機(jī)電一體化產(chǎn)品，在這種情況下，通過進(jìn)一步明確現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)符合的總線標(biāo)準(zhǔn)，即可將設(shè)備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)，成本增加不大。平均每個進(jìn)口現(xiàn)場總線電動門約比進(jìn)口智能一體化電動門貴1萬元人民幣左右。