大型火電機組現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計探討

　　目前，國際現(xiàn)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(xiàn)場總線主要有德國西門子公司研發(fā)的 Profibus現(xiàn)場總線和國際現(xiàn)場總線基金會組織研發(fā)的基金會現(xiàn)場總線(FF)等。Profibus現(xiàn)場總線為國際現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbit/s ～12Mbit/s, Profibus-PA的數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25kbit/s。FF與Profibus現(xiàn)場總線相同，為國際現(xiàn)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(shù)據(jù)傳輸速率為31.25kbit/s, H2的數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbit/s、2.5 Mbit/s和100Mbit/s。

　　對于Profibus和FF現(xiàn)場總線，F(xiàn)F現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場總線)。Profibus現(xiàn)場總線的現(xiàn)場智能設(shè)備僅支持雙向數(shù)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(xiàn)。FF現(xiàn)場總線的現(xiàn)場智能設(shè)備既支持雙向數(shù)字化信號傳輸功能，又可實現(xiàn)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(guān)聯(lián)。如果將各控制回路分散到現(xiàn)場智能設(shè)備中，將出現(xiàn)大量控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分段之間的通訊，從而使得系統(tǒng)通訊負荷增大，信號傳輸?shù)膶崟r性受到影響;當網(wǎng)絡(luò)分段出現(xiàn)故障時，不同網(wǎng)段上設(shè)備之間的聯(lián)鎖功能無法實現(xiàn)，影響機組的安全運行。因此，F(xiàn)CS結(jié)構(gòu)應采用在現(xiàn)場設(shè)備層使用現(xiàn)場總線技術(shù)，所有的設(shè)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(jié)合現(xiàn)場總線技術(shù)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(xiàn)場總線;用于聯(lián)鎖保護的開關(guān)型氣動閥門、電磁閥不納入現(xiàn)場總線控制;國產(chǎn)電動閥門(因現(xiàn)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(xiàn)場總線控制;開關(guān)量儀表(壓力開關(guān)、液位開關(guān)、溫度開關(guān)等)不納入現(xiàn)場總線控制;用于非重要調(diào)節(jié)回路的氣動調(diào)節(jié)閥和電動調(diào)節(jié)閥納入現(xiàn)場總線控制控制;用于非重要控制系統(tǒng)的開關(guān)型電動閥門納入現(xiàn)場總線控制飛380v 及6kv電動機納入現(xiàn)場總線控制;溫度測點采用現(xiàn)場總線;用于監(jiān)視的測量信號采用現(xiàn)場總線;廠用電電源系統(tǒng)采用現(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(xiàn)場總線控制。

　　三、設(shè)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。控制系統(tǒng)在現(xiàn)場設(shè)備層全部采用現(xiàn)場總線技術(shù)對高速控制設(shè)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(xiàn)場總線型智能變送器并接入 DCS。與機組重要保護和調(diào)節(jié)相關(guān)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(gòu)采用具有現(xiàn)場總線接口的設(shè)備;氣動調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機構(gòu)采用具有現(xiàn)場總線接口的智能定位器;溫度測點采用具有現(xiàn)場總線接口的智能溫度變送器;電磁閥采用具有現(xiàn)場總線接口的閥島;對于不具備總線接口的設(shè)備采用具有現(xiàn)場總線接口的遠程I/O站。

　　四、FCS網(wǎng)段

　　根據(jù)火電廠工藝流程的控制特點，合理配置總線網(wǎng)段的數(shù)量及其掛接現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)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(shù)量應確?？刂破鞯目刂浦芷谂c現(xiàn)場總線的宏周期(FF-Hl總線)或現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場總線設(shè)備實時數(shù)據(jù)應更新1次(最低要求，即控制周期至少為總線數(shù)據(jù)更新周期的2倍)。

　　(2)FF-Hl和Profibus-PA現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計應采用樹型、分支或組合拓樸結(jié)構(gòu);Profibus-DP采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)，每個Profibus-PA或FF-Hl現(xiàn)場總線模件用于控制時不超過4個現(xiàn)場總線網(wǎng)段，每個DP主站模塊不超過2個DP主干網(wǎng)段。

　　(3)冗余設(shè)置的現(xiàn)場儀表應接入不同網(wǎng)段;對工藝上并列運行或冗余配置的設(shè)備，其相關(guān)驅(qū)動裝置應連接在不同的網(wǎng)段上;控制邏輯相關(guān)(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(wǎng)段上。

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

　　(5)對于Profibus現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線模件可以設(shè)定不同的總線速率，以適應不同的控制器的要求。除了現(xiàn)場總線固有的總線速率限制以外，現(xiàn)場總線網(wǎng)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(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不超過該標準規(guī)定最大數(shù)量的40%，每個Profibus主站下掛接的Profibus-DP從站設(shè)備數(shù)量不可超過16個，網(wǎng)段長度應不超過400m, 過長的網(wǎng)段可考慮使用光纜或者中繼器。對于所有Profibus-PA和FF-Hl現(xiàn)場總線網(wǎng)段，當用于過程控制時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不得超過6個;當用于非過程控制(數(shù)據(jù)監(jiān)視)時，每個網(wǎng)段掛接的現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量不得超過該標準規(guī)定最大數(shù)量(12個)，每個網(wǎng)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(shè)定值必須小于該支路上所有設(shè)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(shè)備(變頻器、大功率電動機)等。

　　(9)沒有DP接線頭的Profibus-DP設(shè)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(shè)及其接地

　　(l)動力回路所用電纜、電線的線芯材質(zhì)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(shè)。

　　(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(nèi)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(shè)，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(nèi)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(nèi)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(shè)備之間出現(xiàn)中間斷點，如果其連接總線電纜長度不足，則必須重新敷設(shè);如果是該設(shè)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(shè)備。

　　(9)對于FF現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)場總線電源處，屏蔽層匯入機柜接地線，實現(xiàn)單點接地;在網(wǎng)絡(luò)中的任何一處，現(xiàn)場總線設(shè)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(xiàn)場接線盒，不得將該電纜屏蔽線與其它網(wǎng)絡(luò)相連。

　　(10)對于Profibus現(xiàn)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(shè)備屏蔽夾(或端子)連接，設(shè)備屏蔽接地線應接至電氣地，根據(jù)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(shè)計

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

　　(2)為了使設(shè)備地址具有唯一性，不同支路上的設(shè)備不能設(shè)置相同的設(shè)備地址，現(xiàn)場智能設(shè)備總線版本應與設(shè)計版本一致，相應的GSD及EDDL配置文件要準確，現(xiàn)場總線設(shè)備地址、通訊速率、控制模式應設(shè)置正確?，F(xiàn)場智能設(shè)備地址設(shè)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(jīng)過總線組織認證的現(xiàn)場總線設(shè)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(chǎn)生諧波干擾，在將其接入網(wǎng)段時應充分考慮抗干擾的措施：選擇符合國際、國內(nèi)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(xiàn)場總線相關(guān)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(shè)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(shè)必須良好。

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

　　(7)對于Profibus-DP總線，電纜屏蔽層應連接于每個設(shè)備的功能地，通常是通過設(shè)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(xiàn)場總線網(wǎng)段終端器應安裝在系統(tǒng)控制機柜內(nèi)或現(xiàn)場總線就地接線箱內(nèi)