DCS结合现场总线的控制模式在1 000 MW机组脱硫系统中的应用

贺增耀，杨列中

（神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁海 315612）

集散控制系统（DCS）结合现场总线的控制模式与目前发电厂常用的DCS与可编程逻辑控制器（PLC）结合常规就地仪表和控制设备的控制模式相比有许多优点，可以节省大量的设备和维护费用，也可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化。国华浙能发电有限公司在1 000 MW机组脱硫系统中全面采用了DCS结合现场总线设备的控制模式，在现场设备中大量使用了具有现场总线功能的仪表，并取得了成功。

1 控制系统的规划和设计

1.1 脱硫控制系统概况

国华宁海2×1 000 MW机组锅炉烟气脱硫系统采用石灰石湿法脱硫工艺，2台机组脱硫系统采用1套独立的控制系统进行监视与控制，控制系统采用西门子公司基于PROFIBUS现场总线的T3000系统。

脱硫系统中大量采用了现场总线仪表和控制设备，除个别影响机组和系统安全的重要设备如烟气进出口和旁路挡板、温度信号、个别厂供装置（CEMS）、6 kV电机等采用硬接线外，其余设备和仪表基本上都采用了现场总线设备。设备采用PROFIBUS-DP总线标准，共有233个电动头、63台电动机、24个电气低压厂用电开关；仪表采用PROFIBUS-PA总线标准标准，共有98个仪表。

1.2 具体配置方案

除现场总线设备分网段接入不同控制器外，脱硫系统DCS硬接线点还根据功能相关性等原则，通过分布式I/O模块连接到不同的控制器，保证一些无法使用现场总线功能的仪表和对实时性与安全性要求比较高的信号接入。

总线控制器由S7417H、PROFIBUS-DP和通信模块CP443-5组成，通过冗余的以太网接入控制环路。总线控制器最多支持5个CP443-5模块，加上DP通讯口，1个总线控制器最多支持6个冗余的DP网络，每个DP网络最多可连接4个DP网段，共125个从站设备。PA设备通过DP/PA耦合器链接到DP网段上，每个耦合器最多可连接5个PA网段。

2 控制系统和现场总线技术的选择

2.1 控制模式的选择

自上个世纪八十年代问世以来，经历了发展、成熟到大规模应用几个阶段，以其技术成熟、性能可靠、软件丰富、功能完善，DCS与PLC相结合已经成为发电厂生产过程控制的主要手段。而帧校验序列技术（Frame Check Sequence，FCS）还处于发展和认识阶段，现场总线控制系统中的现场设备可实现基本的控制功能，但整个脱硫系统各个分系统如何实现相互协调控制仍是需要考虑的问题。如果将脱硫控制任务分散到智能现场设备中，将出现大量控制系统网络分段之间的通信，增加了系统通信负荷，信号传输的实时性会受到影响；更重要的是当网络分段出现故障时，不同网段上设备之间的联锁功能将无法实现，严重时会影响到工艺系统及设备的安全运行。

考虑到FCS技术还不太成熟，所以目前FCS并未大规模单独应用。在实际应用中，现场总线控制系统的结构大多采用将现场总线技术集成到DCS与PLC控制系统中的模式，主要应用于现场设备层。宁海发电厂的脱硫系统就是采用以下控制模式：将FCS技术集成到现有的DCS控制系统中，将现场总线智能仪控设备连接到DCS，利用DCS与PLC丰富而成熟的控制功能和软、硬件产品带动现场总线的推广应用。

2.2 集成途径的选择

目前现场总线与传统控制系统之间的集成主要途径有：现场总线设备作为I/O卡件集成在DCS中；现场总线设备通过网关集成到DCS上，统一组态、监控与管理；各自独立的FCS与DCS之间的信息集成，即FCS与DCS都独立工作，两者之间通过网关实现信息的映射与互访。

考虑到西门子公司最新的DCS T3000控制系统对PROFIBUS现场总线技术的强大支持功能，决定采用第一种集成途径，因为这种途径的整合性最高，完全实行了一体化通信，避免了因2个系统的网络传输而造成的通信瓶颈。

3 现场总线仪表的选择

现场总线使用的仪表与以往使用的常规仪表不同。常规仪表传送给控制器的仅仅是测量值，而现场总线仪表不仅可以传送测量值，还可以传送仪表的状态以及调试信息。为了充分发挥现场总线系统信息管理功能强大、运行维护成本低廉等优势，采用了后台管理软件，把管理自动化和远程诊断功能都集成在一起纳入监控系统。在选择现场总线仪表时，对进入系统的仪表进行了精心的挑选，实现了诊断功能的最大化。

（1）应选用经过认证的常用总线产品，并应经过操作性测试。

（2）设计时应重点考虑现场总线设备的功能选择，选择功能块时应综合考虑减少通信量和降低成本。

（3）同一工程中尽可能遵循同一种总线标准的现场总线设备。

（4）在设置后台管理软件时，对于PROFIBUS总线设备应要求遵循PROFIBUS-DP/PA V1标准。

4 现场总线设备的采购方式

总线仪表设备的采购方式一般有2种方式：

（1）采用控制系统总承包的方式采购现场总线仪表，推荐需要纳入控制系统的电动执行器、电气低压开关柜等设备厂家供业主选择，这样可减少设备与系统间的配合工作量。但这种方式可能会导致投资增大，且要求控制系统承包商具有较高的技术水平和工程实施能力，优点是由控制系统供货商一家保证整个基于现场总线的控制系统的性能。

（2）根据设计院编制仪表的技术规范书，由业主与控制系统同时招标采购。这种方式虽然增加了难度，但同时招标有利于设备投资的控制，不过这种方式从工程实施的角度考虑将会制约工程设计的进度。

宁海发电厂集合了上述2种方式的各自优点，对不同类型的设备采用了不同的采购方式。

（1）基于DCS T3000控制系统对现场总线设备和仪表的集成能力，对一些不随机务设备带来的常规仪表和特殊仪表如压力变送器、浆液密度计、PH计等，集成到DCS系统中统一由西门子公司来完成。

（2）对随机务设备带来的现场总线仪表，根据设计院编制仪表技术规范书，在机务设备的合同里统一采购。

（3）对采用硬接线连接的常规仪表如压力开关、液位开关等，采用传统的仪表成套招标模式统一招标。

5 总线电缆的敷设

总线电缆的设计应遵守以下原则：

（1）为减少因通信系统故障造成的影响，增加传输距离等，宜选用同一类型的总线电缆，宜选择光缆、双绞屏蔽电缆，考虑到现场的实际情况光缆应采用金属铠装型产品。

（2）当现场总线网段需要连接2个终端器时，通常连接主网段的2个末端。当只有单个支路时，只需要1个终端器，应向终端器供电。

（3）多个主干电缆引入现场接线盒时，屏蔽线应单点接地，通常在控制室侧末端接地。设备电缆的屏蔽线不应连接到设备的接地或外壳上。

（4）在雷击高发区或有大电感负荷的区域，安装的现场总线设备和现场总线网段应设置防雷击的电涌保护器。

在现场总线电缆的现场敷设中发现，虽然总线电缆有屏蔽层,但是强电电缆对总线电缆的干扰还是会存在。尤其是把总线电缆和强电电缆敷设在同一电缆槽盒中，会导致仪表点信号紊乱，DCS画面上出现数据闪烁现象。对总线电缆进行单独穿镀锡钢管敷设，才彻底解决干扰问题。

6 结语

现场总线控制系统作为一项新技术早在十几年前就出现，但大规模地应用到发电厂还是在近几年。现场总线确实可以降低工程建设的费用，更重要的是可以降低设备运行期间的维护费用，从而降低整个工程生命周期的费用。大规模现场总线设备在1 000 MW机组脱硫系统的成功应用证明，只要科学合理规划和精心设计，现场总线技术在大型发电机组中的应用前景将更为广阔。

[1]吉顺平.西门子现场总线通信原理与应用[M].北京：机械工业出版社.2009.

[2]周志敏，纪爱华.Profibus总线系统设计与应用[M].北京：中国电力出版社.2009.

[3]刘国海.集散控制与现场总线[M].北京：机械工业出版社.2006.