大型火電機組現場總線控制系統(tǒng)的設計探討

　　目前，國際現場總線還未形成統(tǒng)一的標準，適用于火電機組自動化控制系統(tǒng)的現場總線主要有德國西門子公司研發(fā)的 Profibus現場總線和國際現場總線基金會組織研發(fā)的基金會現場總線(FF)等。Profibus現場總線為國際現場總線標準 IEC61158的組成部分，其分類為Type3，主要由Profibus-PA、Profibus-DP組成，Profibus-DP的數據傳輸速率為9.6kbit/s ～12Mbit/s, Profibus-PA的數據傳輸速率為31.25kbit/s。FF與Profibus現場總線相同，為國際現場總線的組成部分，其分類為Type l和Type 5，主要有Hl和H2 2種通訊速率。Hl的數據傳輸速率為31.25kbit/s, H2的數據傳輸速率為1Mbit/s、2.5 Mbit/s和100Mbit/s。

　　對于Profibus和FF現場總線，FF現場總線較適用于連續(xù)量控制(取代4～20mA模擬量信號)，而Profibus現場總線較適用于離散量控制，但也適用于連續(xù)量控制(對連續(xù)量的控制優(yōu)勢低于FF現場總線)。Profibus現場總線的現場智能設備僅支持雙向數字化信號傳輸功能，不支持單回路控制，控制策略由控制系統(tǒng)實現。FF現場總線的現場智能設備既支持雙向數字化信號傳輸功能，又可實現單回路控制。火電機組的控制具有集中且復雜的特點，不同控制回路之間往往相互關聯。如果將各控制回路分散到現場智能設備中，將出現大量控制系統(tǒng)網絡分段之間的通訊，從而使得系統(tǒng)通訊負荷增大，信號傳輸的實時性受到影響;當網絡分段出現故障時，不同網段上設備之間的聯鎖功能無法實現，影響機組的安全運行。因此，FCS結構應采用在現場設備層使用現場總線技術，所有的設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

　　為了確保機組運行的安全性，結合現場總線技術的特點，在火電機組FCS中，機組的主保護控制(爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)、旁路控制系統(tǒng)(BPC)、事故順序記錄(SOE)等)和主要輔機的保護功能不納入現場總線;用于聯鎖保護的開關型氣動閥門、電磁閥不納入現場總線控制;國產電動閥門(因現場總線接口不完善，且缺乏相應的測試和實際應用)不納入現場總線控制;開關量儀表(壓力開關、液位開關、溫度開關等)不納入現場總線控制;用于非重要調節(jié)回路的氣動調節(jié)閥和電動調節(jié)閥納入現場總線控制控制;用于非重要控制系統(tǒng)的開關型電動閥門納入現場總線控制飛380v 及6kv電動機納入現場總線控制;溫度測點采用現場總線;用于監(jiān)視的測量信號采用現場總線;廠用電電源系統(tǒng)采用現場總線控制;對于空冷機組空冷島變頻器在采用特殊的抗干擾隔離措施后納入現場總線控制;化學補給水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)反滲透系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)、凝結水精處理系統(tǒng)、制氯/加氯系統(tǒng)、儲氫系統(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)等采用現場總線控制。

　　三、設備選型

　　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)在現場設備層全部采用現場總線技術對高速控制設備采用常規(guī)控制方式;380V電動機MCC回路采用具有Profibus-DP接口的智能馬達控制器;變送器采用現場總線型智能變送器并接入 DCS。與機組重要保護和調節(jié)相關的變送器采用具有HART通訊協(xié)議的常規(guī)智能型進口變送器;電動閥門執(zhí)行機構采用具有現場總線接口的設備;氣動調節(jié)閥執(zhí)行機構采用具有現場總線接口的智能定位器;溫度測點采用具有現場總線接口的智能溫度變送器;電磁閥采用具有現場總線接口的閥島;對于不具備總線接口的設備采用具有現場總線接口的遠程I/O站。

　　四、FCS網段

　　根據火電廠工藝流程的控制特點，合理配置總線網段的數量及其掛接現場設備的數量，以確保任何一條總線故障時，不會導致機組停運。

　　(l)所配置的控制器數量應確?？刂破鞯目刂浦芷谂c現場總線的宏周期(FF-Hl總線)或現場設備的輪詢刷新周期(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，控制回路中的現場總線設備實時數據應更新1次(最低要求，即控制周期至少為總線數據更新周期的2倍)。

　　(2)FF-Hl和Profibus-PA現場總線網段設計應采用樹型、分支或組合拓樸結構;Profibus-DP采用雙冗余網絡，每個Profibus-PA或FF-Hl現場總線模件用于控制時不超過4個現場總線網段，每個DP主站模塊不超過2個DP主干網段。

　　(3)冗余設置的現場儀表應接入不同網段;對工藝上并列運行或冗余配置的設備，其相關驅動裝置應連接在不同的網段上;控制邏輯相關(同1控制回路中)的儀表和控制對象原則上掛接在同1總線網段上。

　　(4)對于同一支路，應盡量將控制類設備布置在前端，監(jiān)視類設備布置在后端。

　　(5)對于Profibus現場總線，現場總線模件可以設定不同的總線速率，以適應不同的控制器的要求。除了現場總線固有的總線速率限制以外，現場總線網段距離超出1個建筑物的情況下總線傳輸速率應不大于500kbit/s。

　　(6)對于Profibus-DP總線，每個網段上掛接的現場總線設備數量不超過該標準規(guī)定最大數量的40%，每個Profibus主站下掛接的Profibus-DP從站設備數量不可超過16個，網段長度應不超過400m, 過長的網段可考慮使用光纜或者中繼器。對于所有Profibus-PA和FF-Hl現場總線網段，當用于過程控制時，每個網段掛接的現場總線設備數量不得超過6個;當用于非過程控制(數據監(jiān)視)時，每個網段掛接的現場總線設備數量不得超過該標準規(guī)定最大數量(12個)，每個網段主干加分支的長度應不超過1200m，支線電纜的長度不能超過120m。

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

　　(8)就地通訊柜的安裝位置應遠離大功率電氣設備(變頻器、大功率電動機)等。

　　(9)沒有DP接線頭的Profibus-DP設備須選用專用的接線端子與Profibus-DP總線進行連接。

　　五、FCS電纜敷設及其接地

　　(l)動力回路所用電纜、電線的線芯材質應為銅芯。有抗干擾要求的線路應采用屏蔽電纜或屏蔽電線，并分層敷設。

　　(2)鎧裝光纜應符合其最小彎曲半徑的要求。

　　(3)總線通訊電纜應遠離高電壓、大電流電纜，電纜溝內與高電壓、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，其必須與電源電纜交叉時應盡量直角交叉;總線通訊電纜必須與電源電纜平行時，其與動力電纜之間的距離應保證在400mm以上。

　　(5)接線盒內無屏蔽的通訊線不能與電源線纏繞，無屏蔽且裸露接線部分的長度應盡量短，長度在4～5cm以內最佳。

(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，無法避免時須用金屬隔板分隔。

　　(7)當總線通訊電纜通過復雜電磁環(huán)境(變頻器等強干擾源)或離開橋架后須用金屬套管進行抗干擾保護。

　　(8)應避免總線設備之間出現中間斷點，如果其連接總線電纜長度不足，則必須重新敷設;如果是該設備暫時未安裝而無法接線，則必須用專用連接器臨時接通，而不應簡單的扭接，或者在不截斷總線電纜的情況下，留有余地后直接連接下一個總線設備。

　　(9)對于FF現場總線的信號電纜，其屏蔽層的接地方式為：每個智能儀表僅連接FF電纜的信號線，屏蔽層浮空，不得與儀表接地線或者機殼相連接;接至接線盒的FF電纜，除了連接信號線外，屏蔽層應連接至接線盒的相應端子;對于接線盒到 FF現場總線電源之間的FF電纜，應分別在兩端連接屏蔽線，在FF現場總線電源處，屏蔽層匯入機柜接地線，實現單點接地;在網絡中的任何一處，現場總線設備不得將雙絞線中的任一根導線與接地線連接;儀表信號導線不得作為接地線使用，如果要求儀表安全接地，應采用獨立的導線;接地導線、儀表信號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場接線盒，不得將該電纜屏蔽線與其它網絡相連。

　　(10)對于Profibus現場總線的信號電纜，屏蔽層的接地方式應為：Profibus-DP電纜屏蔽層應與DP設備屏蔽夾(或端子)連接，設備屏蔽接地線應接至電氣地，根據電纜長度電纜芯截面積應選擇為4～8mm2;總線電纜屏蔽線應與等電勢系統(tǒng)相連接，接地銅牌連接面積應足夠大;金屬電纜支架的各個部分應彼此連接并盡量多地與等電位連接系統(tǒng)相連接。

　　六、FCS的其它設計

　　(l)每個現場總線網段應合理配置網絡有源終端器，并將其安裝在系統(tǒng)機柜或現場總線就地接線箱內。

　　(2)為了使設備地址具有唯一性，不同支路上的設備不能設置相同的設備地址，現場智能設備總線版本應與設計版本一致，相應的GSD及EDDL配置文件要準確，現場總線設備地址、通訊速率、控制模式應設置正確?，F場智能設備地址設定時需注意地址格式(十六進制或十進制區(qū))。

　　(3)FCS的總線回路應預留余量。

　　(4)應選用經過總線組織認證的現場總線設備，同時應注意相同總線標準版本的統(tǒng)一。

　　(5)變頻器運行時易產生諧波干擾，在將其接入網段時應充分考慮抗干擾的措施：選擇符合國際、國內電磁兼容標準、原理成熟先進、諧波抑制措施完善的變頻器;現場總線相關通訊柜應避免與變頻器柜相鄰;變頻器動力電源、FCS控制電源分別由不同電源系統(tǒng)供電;在變頻器前、后設置感性濾波裝置;變頻器至電動機的連接電纜應采用變頻專用電纜;系統(tǒng)接地及各類電纜敷設必須良好。

　　(6)用于現場總線轉接的專用T型轉接器應安裝在便于查找和檢修的位置，在室內盡可能地將其安裝在鄰近相關智能設備的位置，在室外盡可能地安裝在就地通訊箱內。

　　(7)對于Profibus-DP總線，電纜屏蔽層應連接于每個設備的功能地，通常是通過設備外殼連接;對于FFHl和Profibus- PA總線，所有的電纜屏蔽層應單點接地。

　　(8)現場總線網段終端器應安裝在系統(tǒng)控制機柜內或現場總線就地接線箱內