现场总线控制技术在火电厂烟气脱硫工程中的应用

2018-04-21张爱松邓涛吴海权

中国设备工程 2018年7期

张爱松，邓涛，吴海权

（武汉龙净环保工程有限公司，湖北武汉 430200）

当下，自动控制技术、计算机技术和通信技术的发展日新月异，数字化时代早已全面来临，在工业生产过程中采用数字化控制技术已成为技术潮流，基于数字化的现场总线控制技术逐步得到大力推广和应用。采用现场总线技术构建的控制系统即为现场总线控制系统（FCS，fieldbus control system）。目前，现场总线控制系统（FCS）在国内众多行业上（如石化行业）均已有较多应用，在火电行业，虽然整个电厂普遍采用现场总线控制系统（FCS）的工程不多，但在一些电厂辅助生产车间（如水处理系统、脱硫系统等）也取得了较多成功应用业绩。在华能安源电厂“上大压小”新建工程（2×660MW超超临界二次再热机组）烟气脱硫系统中，就主要采用现场总线控制系统（FCS）对整个脱硫系统进行监控，该工程现已投运，系统运行稳定。本文以现场总线控制系统（FCS）在华能安源电厂“上大压小”新建工程脱硫系统中的实际应用为例，对现场总线控制技术在火电厂脱硫系统中的应用进行探讨。

1 现场总线技术

国际电工委员会lEC61158标准对现场总线的定义如下：安装在制造或生产过程区域的现场装置与自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线。它是一种工业数据总线，在工业自动化领域中属于底层数据通信，其作用是实现了以数字通信的方式替代传统的4～20mA模拟量信号或普通开关量信号进行信号传输，开启了工业自动化领域的数字化时代。

目前，IEC61158标准第四版中共定义了20种现场总线标准。早期，主要是一些跨国工业自动化巨头（如：Emerson、Siemens、ABB、HoneyweIl等）在倡导和推动现场总线技术的发展，国内对现场总线技术的研究起步稍晚，因此目前能够成套提供现场总线控制系统设备的主要是国外厂家，这些厂家成套提供的控制系统和总线设备在国内应用较为广泛。国内过程控制应用中最主流的两种现场总线方案为：基金会现场总线FF和ProfiBus总线，通过逐步引进、研究和吸收，国内部分厂商也已可提供符合FF和ProfiBus总线标准的产品，局部替代进口产品，大大降低了工程成本。现对这两种主流现场总线技术简要介绍如下。

FF现场总线系统包括低速总线H1和高速以太网总线HSE(High Speed Ethernet)，H1总线用于连接生产现场的总线设备，通讯速率为31．25kbps，采用两线制进行信号传输，同时可向现场设备供电，具备本质安全特征。HSE总线则面向过程控制级、远程I/O和高速工厂自动化的应用，采用100Mbps高速以太网协议。

ProfiBus现场总线是另外一种主流开放式过程现场总线，它包括3种总线协议型式：ProfiBus-DP、ProfiBus-PA、ProfiBus-FMS。

ProfiBus-DP主要应用于现场设备级控制系统与分散式I/O的通讯，采用RS-485双绞线电缆和光缆进行信号传输，传输速率范围9．6kbps～12Mbps，采用双绞线时最大通讯距离可达1200m，加装中继器最大通讯距离可延长至10km。采用光纤时其距离则可延长至几十公里，同时通讯速率可达12Mbps。总线上最大站点数为126个。ProfiBus-DP总线是应用最多、最广泛的一种ProfiBus总线，因此，实际使用时往往习惯把ProfiBus-DP直接称为ProfiBus。ProfiBus-DP在其技术发展过程中先后经历了DP V0、DP V1和DP V2三个版本：DP V0 提供了ProfiBus-DP的基本功能，DP V1 对ProfiBus-DP的功能进行了扩展，支持非周期性的数据交换，是对DP V0基本功能的补充，且与DP V0兼容，在过程控制场合，DP V1应用最为普遍。DP V2则根据驱动技术的需求而增加了其他相应功能。

ProfiBus-PA用于满足ProfiBus总线在过程自动化方面的应用，其功能与FF H1总线类似，采用双绞线传输信号，传输率为31．25kbps，距离可达1900m，每段最多32个站点，提供本质安全和总线供电特性，同样特别适用于有防爆要求、通讯速度要求低的过程应用场合。PA总线需要通过DP/PA耦合器与上层的DP总线相连。相比较而言，国内采用FF H1总线更为普遍。

表1

表2

ProfiBus-FMS定义了主站与从站之间的通讯，主要用于解决车间监控级的通信，随着工业以太网技术的快速发展，ProfiBus-FMS已基本被高速工业以太网替代，很少再使用。

2 华能安源电厂“上大压小”新建工程烟气脱硫FCS控制系统设计和应用

华能安源电厂“上大压小”新建工程采用全厂DCS主、辅一体化的设计方案，主、辅机控制系统均采用Emerson公司的Ovation控制系统。脱硫控制系统按照功能分散和物理分散相结合的原则，将其控制范围划分为单元机组脱硫控制系统和脱硫公用辅助控制系统，单元机组脱硫控制系统作为子系统纳入相应主机DCS控制网络，脱硫公用辅助控制系统则纳入机组公用DCS网络，从而实现在机组集中控制室对脱硫系统进行集中监控。

本工程脱硫车间监控尽量推行现场总线技术，除设备厂家成套就地控制箱柜、6kV重要转机设备以及少部分远传仪表（PH分析仪表、气体成分分析仪表、科氏力密度计和热电阻）与DCS系统通讯采用常规硬接线外，其余远传过程连续测量仪表均配置现场总线接口，离散量设备如电动执行机构和380V电动机设备也采用现场总线控制，总线接口型式分别选用Ovation FCS系统中应用最成熟和广泛的FF H1总线和ProfiBus-DP总线(DP V1版本)。

本工程脱硫DCS系统常规硬接线实际IO测点数量和总线仪表设备数量分别统计如下（表1和表2）。

本工程脱硫DCS系统网络配置示意图如下（图1）。

图1

（上层车间级为HSE高速总线，现场级为FF H1总线和ProfiBus-DP总线）。

根据脱硫工艺系统划分和现场总线仪表设备物理位置布置的具体情况，按照表2统计的现场总线仪表设备数量，对脱硫DCS系统中现场总线接口模块配置如下。

＃1机脱硫DCS配置5块ProfiBus-DP总线接口模块+4块FF总线接口模块。

＃2机脱硫DCS配置5块ProfiBus-DP总线接口模块+4块FF总线接口模块。

脱硫公用辅助系统DCS配置9块ProfiBus-DP总线接口模块+4块FF总线接口模块。

每块ProfiBus-DP和FF总线接口模块各包括两个通讯端口，即单元机组脱硫DCS共配置10段ProfiBus-DP总线网段和8段FF总线网段，每段ProfiBus-DP总线挂接设备平均约11台，最多为14台，每段FF总线挂接设备平均约4台，最多为5台；脱硫公用辅助系统DCS共配置18段ProfiBus-DP总线网段和8段FF总线网段，每段ProfiBus-DP总线挂接设备平均约8台，最多为12台，每段FF总线挂接设备平均约4台，最多为6台。此总线网段分配方案充分保证了总线上数据通讯的负荷裕量，后期工艺系统若需要增加少量总线仪表设备，可以很方便地在既有总线网段上进行扩展。

总线网段分配完成后，总线电缆敷设施工时严格按照作业要求进行，一段总线安装完成后，参与安装调试的各方共同对网段进行验收并填写验收记录单，网段通过验收后即可进行上电调试工作。

华能安源电厂2台机组脱硫分别于2015年6月和8月完成系统联调，并随主体工程同步投运，DCS系统运行稳定、可靠，现场总线技术的成功应用。

3 现场总线技术的优点

通过华能安源电厂“上大压小”新建工程烟气脱硫FCS控制系统的成功应用，印证了现场总线技术具有以下明显优势。

（1）首先是电缆的大量节省。按照上表2统计的总线仪表设备数量，若采用常规硬接线通讯，开关量控制电缆和模拟量计算机共需要778根，而采用总线通讯方式，只需要62根主干总线电缆，电缆量的节省很大。

（2）其次是施工量的节省。电缆根数大幅减少，相应的桥架施工（总线电缆的敷设只需要采用小槽盒，与常规硬接线需要搭设桥架主通道相比，无疑是更为方便和灵活）、电缆敷设、接线、查线等施工量也随之大量缩减，节省了施工费用，利于缩短工期。

（3）DCS卡件和机柜的节省。本脱硫系统采用总线方案共配置19块ProfiBus-DP总线接口模块和12块FF总线接口模块，这部分总线仪表设备若采用常规配置，初步预估所需IO卡件数量如下（考虑15%的备用通道）：DI卡76块、DO卡48块、AI卡15块，可以看出总线方案卡件数量大为减少，由此也带来了机柜和机柜土建安装空间的节省。

（4）现场总线仪表设备信息采用数字方式传输，信号抗干扰能力及其精度大大提高。

（5）编程组态更加方便，标定简单，在控制室内可以监视到现场总线仪表设备丰富的工作状态信息，其预诊断和报警功能使现场仪表设备的维护变得轻松简单。

4 现场总线设计、施工过程中的问题

现场总线在华能安源脱硫项目设计、施工过程中出现的一些问题总结如下几点。

（1）总线标准过多，不同总线标准的现场设备不能互换，给使用造成不便；即便是相同的总线标准，特别是国产总线仪表设备，因厂家驱动文件（GSD、EDD等）原因在与DCS系统通讯时仍然可能出现兼容性问题导致不能正常通讯，为避免出现这种情况影响工程进度，在控制系统和总线仪表设备选定后，需要厂家提前将仪表设备样品送至控制系统厂家Emerson公司进行通讯测试，通讯正常后方可批量生产和供货。为保证通讯的长期稳定、可靠，本工程设计过程中较多选用了与Emerson公司DCS系统配套成熟的进口总线仪表设备，总线仪表设备的投资成本相对较高。

（2）场总线的传输速率较低，脱硫系统的重要设备（如6kV高压设备）及其联锁保护信号还是需要采用常规硬接线。同时在本工程设计过程中对总线信号传输的稳定性有一定担忧，对于部分总线仪表设备在DCS机柜内还是预留了常规硬接线IO点，事实证明还是造成了一定浪费。

（3）总线电缆的敷设施工及接线对施工人员要求较高，在调试过程中出现很多因施工问题导致的网络通讯故障，因此需要严格按照作业文件要求有序施工，如总线电缆宜单独设置槽盒、电缆不能过于绷紧导致线芯变形、电缆应与动力电缆特别是高压电缆保持适当距离、电缆屏蔽层及总线仪表外壳的可靠接地等。