融入現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的DCS在火電廠(chǎng)的應(yīng)用研究

全數(shù)字化控制是火電廠(chǎng)過(guò)程控制系統(tǒng)的發(fā)展方向,而采用全數(shù)字式信號(hào)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)則是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電廠(chǎng)的基礎(chǔ)。新型控制系統(tǒng)以DCS為主體，采用智能化儀表和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)設(shè)備層的數(shù)字化，提高系統(tǒng)的開(kāi)放性和易擴(kuò)展性。

現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)是用于現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備與自動(dòng)化控制系統(tǒng)之間的開(kāi)放、全數(shù)字式、雙向、多站點(diǎn)的通訊系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)存在多種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際電工協(xié)會(huì)在2000年發(fā)布的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)IEC61158第1版中通過(guò)了8種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，在2007年發(fā)布的IEC61158第4版中，定義了20種現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) (表 1)。

2006年10月16日，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)審查通過(guò)了由全國(guó)工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)(TC124)組織相關(guān)單位共同定制的 GB/T20540-2006((IEC-61158TYPE3-Profibus規(guī)范》，至此Profibus成為中國(guó)首個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)被稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(tǒng)(FCS)。

1.FCS165控制系統(tǒng)

FCS165控制系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)新型自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以DCS為主體，融人了Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。華能秦嶺電廠(chǎng)超臨界2X660MW空冷機(jī)組和輔機(jī)控制系統(tǒng)均由 FCS165控制系統(tǒng)構(gòu)成。該控制系統(tǒng)包括DCS和Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)2個(gè)部分，可采用3種組合模式：DCS與Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)合并在1個(gè)控制站內(nèi)、單獨(dú)采用DCS及單獨(dú)采用Profibus。這3種模式均能夠滿(mǎn)足電廠(chǎng)不同控制系統(tǒng)的要求。

在單元機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將A?F制粉、B氫油水等其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)為DCS與Profibus合并模式;對(duì)于爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)的公用部分、給水泵汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(MEH)、數(shù)字式電液控制系統(tǒng)(DEH)、電氣控制系統(tǒng)、公用控制系統(tǒng)(電氣及汽輪機(jī)公用部分)等采用單獨(dú)DCS模式。輔機(jī)FCS165控制系統(tǒng)主要采用單獨(dú)Profibus模式，并配合采用DCS與Profibus合并模式。為了獲得最大的Profibus節(jié)點(diǎn)的使用率，未設(shè)計(jì)單獨(dú)采用DCS模式。

采用DCS與Profibus合并模式的FCS165控制系統(tǒng)具有3層設(shè)備、2層網(wǎng)絡(luò)，即3+2結(jié)構(gòu)。對(duì)于DCS，位于上層的設(shè)備有操作員站、工程師站、歷史站等.中間層為分布式控制中心(專(zhuān)用控制器FCP01),底層為各種常規(guī)模擬量及開(kāi)關(guān)量模件單元。DCS的上層網(wǎng)絡(luò)是控制中心與人機(jī)界面之間的管理網(wǎng)絡(luò)，為以太網(wǎng);DCS的下層網(wǎng)絡(luò)為I/O模件與控制器之間的控制網(wǎng)絡(luò)，為CAN網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，上層設(shè)備與DCS上層設(shè)備相同，中間層設(shè)備除了專(zhuān)用控制器FCP01外，還包括Profibus-DP通訊主站FPB01,底層為支持Profibus協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能設(shè)備(變送器、執(zhí)行器和各種分布式I/O設(shè)備等)。Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的上層網(wǎng)絡(luò)與DCS上層網(wǎng)絡(luò)相同，為以太網(wǎng);Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的下層網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能設(shè)備與通訊主站之間的控制網(wǎng)絡(luò)，為Profibus網(wǎng)絡(luò)。FCS165控制系統(tǒng)DCS與Profibus3+2結(jié)構(gòu)及其對(duì)比見(jiàn)圖1、表2.

2設(shè)計(jì)和施工技術(shù)

(1)冗余通訊主站Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通訊主站與控制器通過(guò)并行總線(xiàn)交換數(shù)據(jù)，采用1：1冗余配置。根據(jù)實(shí)際需要1個(gè)控制站可以配置1?3對(duì)冗余通汛主站。

(2)冗余DP網(wǎng)絡(luò)對(duì)于具備冗余通訊接口的Profibus-DP從站(電動(dòng)閥、電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)單元等)，設(shè)計(jì)冗余Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)采用2種方式:

1)1對(duì)冗余通訊主站串行連接2個(gè)冗余Profibus-DP從站(快速冗余方式)，該方式為站節(jié)點(diǎn)冗余，通訊網(wǎng)絡(luò)不冗余;

2)2對(duì)冗余通訊主站分別連接2個(gè)冗余Profibus-DP從站，設(shè)計(jì)為主站4冗余方式，可達(dá)到通訊線(xiàn)路和站節(jié)點(diǎn)的綜合冗余。可根據(jù)設(shè)備對(duì)機(jī)組運(yùn)行的重要性選用以上2種冗余設(shè)計(jì)。

(3)從站兼容性測(cè)試為了提高現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)設(shè)備投運(yùn)的成功率，必須對(duì)選用的從站設(shè)備在使用前進(jìn)行兼容性測(cè)試。將設(shè)備掛接到總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上，并與FCS165 的通訊主站進(jìn)行通信測(cè)試，完成邏輯組態(tài)，根據(jù)在線(xiàn)測(cè)試周期和非周期數(shù)據(jù)的傳輸和接收情況，確定設(shè)備是否滿(mǎn)足使用要求，以保證現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制系統(tǒng)調(diào)試的成功率。

(4)網(wǎng)段上從站數(shù)量Profibus-DP從站輸人/輸出的數(shù)據(jù)量取決于設(shè)備類(lèi)型，通信協(xié)議允許1個(gè)Profibus-DP從站的輸人/輸出數(shù)據(jù)量最大為244Byte;實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證1個(gè)網(wǎng)段上包括主、從設(shè)備帶有中繼器最多站點(diǎn)數(shù)為67個(gè)，不帶有中繼器最多站點(diǎn)數(shù)小于32個(gè)。實(shí)際設(shè)計(jì)中1個(gè)網(wǎng)段配置的 Profibus-DP和Profibus-PA從站不超過(guò)20臺(tái).

(5>從站地址分配在組態(tài)過(guò)程中，按照1個(gè)網(wǎng)段下站節(jié)點(diǎn)地址不重復(fù)的原則，分配各站節(jié)點(diǎn)地址。126個(gè)站節(jié)點(diǎn)地址通常分配為：“0”代表維護(hù)系統(tǒng)用設(shè)備;“1?3”代表主站;“4?125”代表從站;“126”預(yù)留給將要接人總線(xiàn)的新設(shè)備。在安裝前必須按照設(shè)計(jì)地址正確設(shè)置每臺(tái)從站，以避免在默認(rèn)地址狀態(tài)下上電時(shí)造成從站地址沖突，尤其應(yīng)避免與 Pro-fibus-PA從站的地址沖突。

(6)從站組態(tài)從站必須與組態(tài)中的模塊保持一致。在使用二類(lèi)主站對(duì)一類(lèi)主站和從站進(jìn)行組態(tài)時(shí)，對(duì)于一些需要就地設(shè)置參數(shù)的從站，在組態(tài)軟件中選擇從站對(duì)應(yīng)的模塊后必須確認(rèn)就地從站選擇的模塊與組態(tài)軟件選擇的模塊相同。

(7)Profibus-DP電纜連接采用DB9歐式插針連接器與Profibus-DP電纜連接時(shí)，必須在接線(xiàn)槽內(nèi)將A導(dǎo)線(xiàn)和B導(dǎo)線(xiàn)位置放置正確，且一定要在槽內(nèi)留有足夠的導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，使槽內(nèi)的V型接線(xiàn)柱與導(dǎo)線(xiàn)完全接觸;1條總線(xiàn)的每個(gè)末端連接器都必須使用incoming端連接 Profibus-DP 電纜;直接采用壓線(xiàn)端子與Profibus-DP電纜連接時(shí)必須保證A導(dǎo)線(xiàn)和B導(dǎo)線(xiàn)與設(shè)備端子一一對(duì)應(yīng);由于設(shè)備上的A導(dǎo)線(xiàn)與B導(dǎo)線(xiàn)接線(xiàn)端子緊密相鄰,因此不能使導(dǎo)線(xiàn)裸露在電纜保護(hù)層外的銅線(xiàn)頭過(guò)長(zhǎng)，否則易導(dǎo)致短路。

(8)Profibus-PA電纜連接采用Profibus- PA接線(xiàn)盒連接時(shí)，主干路的A導(dǎo)線(xiàn)和B導(dǎo)線(xiàn)必須和Profibus-DP/PA耦合器上的P—和P+端保持一致，分支的A導(dǎo)線(xiàn)和B導(dǎo)線(xiàn)一定要與主干路保持一致，并且決不能將A導(dǎo)線(xiàn)或B導(dǎo)線(xiàn)與地線(xiàn)S端連接;將1條總線(xiàn)中間段的Profibus-PA接線(xiàn)盒終端電阻跳線(xiàn)置于off位置，將最末端的 Profibus-PA接線(xiàn)盒終端電阻跳線(xiàn)置于on位置。[!--empirenews.page--]

(9)降低電磁干擾接地和屏蔽有多種方式，選用適當(dāng)?shù)姆绞娇蓽p少電磁干擾。如果長(zhǎng)距離或跨建筑物傳輸數(shù)據(jù)，則應(yīng)采用光纜。為減少電磁干擾，Profibus-DP或PA電纜與動(dòng)力線(xiàn)應(yīng)保持足夠的間距，對(duì)于動(dòng)力線(xiàn)電壓 25?400V其最小間距不小于10cnu對(duì)于動(dòng)力線(xiàn)電壓大于400V,其最小間距不小于20cm;對(duì)于更髙電壓間距不小于50cm。在EMG電動(dòng)閥內(nèi)部具有1個(gè)跳線(xiàn)，用于選擇屏蔽層是否接地，對(duì)于Profibus-DP總線(xiàn)多點(diǎn)接地的要求，必須將該跳線(xiàn)置于屏蔽層與地Close位置，這樣才能保證良好接地。

(10)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)部分設(shè)備采用Mod-bus通信方式，為了實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)統(tǒng)一的Profibus節(jié)點(diǎn)，采用了 Modbus轉(zhuǎn)換Profibus的轉(zhuǎn)換模塊(總線(xiàn)橋)，并將其接入FCS165控制系統(tǒng)。在使用中除了要設(shè)置總線(xiàn)橋的Profibus節(jié)點(diǎn)地址外，還必須設(shè)置Modbus從站的波特率、奇偶校驗(yàn)位、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、從站地址、起始地址等參數(shù)。

3結(jié)論

目前，現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在火電機(jī)組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用存在2種方式：(1)控制網(wǎng)絡(luò)完全采用FCS，將智能設(shè)備以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式接人總線(xiàn)通訊模件中，其它常規(guī)模擬量及開(kāi)關(guān)量設(shè)備先接人現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)遠(yuǎn)程i/o設(shè)備，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)遠(yuǎn)程I/O設(shè)備接人總線(xiàn)通訊模件中，控制器直接訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)通訊模件即可實(shí)現(xiàn)與智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，又可控制常規(guī)設(shè)備,該方式下常規(guī)模擬量及開(kāi)關(guān)量設(shè)備的數(shù)據(jù)交換必須經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)遠(yuǎn)程I/O及總線(xiàn)通訊模件的兩級(jí)轉(zhuǎn)換。(2)控制網(wǎng)絡(luò)采用DCS 與FCS兼容方式(DCS擴(kuò)展方式)，即在支持現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的DCS中使用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。將智能設(shè)備以現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式接入DCS的總線(xiàn)通訊模件中，控制器再通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)通訊模件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)智能設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，其它常規(guī)模擬量及開(kāi)關(guān)量設(shè)備直接與DCSI/O模件連接，該方式下總線(xiàn)通訊模件與DCSI/O模件相對(duì)于控制器具有相同功能。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)火電機(jī)組重要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備仍大多采用常規(guī)模擬量及開(kāi)關(guān)量設(shè)備，在一定時(shí)期內(nèi)采用DCS擴(kuò)展方式具有一定的優(yōu)勢(shì)。FCS165控制系統(tǒng)在華能秦嶺電廠(chǎng)全廠(chǎng)一體化控制的應(yīng)用表明，DCS擴(kuò)展方式在火電機(jī)組控制系統(tǒng)中的應(yīng)用可行且有效。