大型火電廠現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹我國(guó)大型火電廠的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）應(yīng)用現(xiàn)狀。為使FCS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范化和流程化，引入“現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)”的概念，指出：與DCS相比，F(xiàn)CS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要在其現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。基于PROFIBUS總線，遵循該總線歐洲標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)，給出FCS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方
　　
　　1、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)及其結(jié)構(gòu)
　　
　　經(jīng)過多年的探索和論證[1]，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）已在我國(guó)大型火電廠進(jìn)入了實(shí)際推廣應(yīng)用階段。華能玉環(huán)電廠4×l000MW機(jī)組水處理系統(tǒng)的FCS是我國(guó)大型火電廠系統(tǒng)地應(yīng)用FCS的第1個(gè)實(shí)例。目前，我國(guó)大型火電廠控制系統(tǒng)采用FCS的在建項(xiàng)目有國(guó)華寧海電廠二期2×l000MW脫硫系統(tǒng)、華能海門電廠2×l000MW脫硫系統(tǒng)、華能九臺(tái)電廠2×660MW機(jī)組主機(jī)及脫硫系統(tǒng)和華能金陵電廠2×l000MW主機(jī)系統(tǒng)。
　　
　　按照IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室內(nèi)的自控裝置之間的數(shù)字式、串行和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用意味著數(shù)字化技術(shù)延伸到火電廠的現(xiàn)場(chǎng)控制層，相比傳統(tǒng)分散控制系統(tǒng)（DCS）,FCS在設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試上都發(fā)生了很大變化?；痣姀S生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)測(cè)量?jī)x表和驅(qū)動(dòng)設(shè)備數(shù)量多、位置分散、分布范圍廣，如何將全廠就地設(shè)備劃人不同的現(xiàn)場(chǎng)總線，在一條總線上如何合理地劃分多個(gè)網(wǎng)段，是否配置冗余總線以保證重點(diǎn)設(shè)備控制的安全可靠，如何合理地設(shè)置總線長(zhǎng)度和波特率以保證總線的循環(huán)時(shí)間，滿足控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，都是FCS工程實(shí)踐特別是設(shè)計(jì)階段需要解決的問題。
　　
　　為了清晰和規(guī)范FCS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，解決FCS工程設(shè)計(jì)階段面臨的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，本文在電工委員會(huì)IEC/SC65C現(xiàn)場(chǎng)總線定義的基礎(chǔ)上，引入了“現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)”的概念。“現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)”指通過現(xiàn)場(chǎng)總線，將地理上分布的、具有現(xiàn)場(chǎng)總線通信功能的就地設(shè)備和控制裝置互連起來，完成信息交換、相互操作和協(xié)同處理的工廠控制層網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)包括FCS控制器、就地現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備、總線通信介質(zhì)和總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在工程上得到實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。　　
　　對(duì)比FCS和DCS層次結(jié)構(gòu)[2]可知，兩者層次結(jié)構(gòu)區(qū)別主要在現(xiàn)場(chǎng)控制層。DCS使用硬接線的方式連接控制器和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，F(xiàn)CS的現(xiàn)場(chǎng)控制層即由現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。DCS的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要在于IO點(diǎn)的推薦和控制器的配置，F(xiàn)CS的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與確定。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)定義的提出，清晰了FCS和DCS的系統(tǒng)層次區(qū)別，在工程實(shí)踐上，明確了FCS區(qū)別于傳統(tǒng)DCS的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，對(duì)規(guī)范化、系統(tǒng)化和流程化FCS的設(shè)計(jì)有重要的應(yīng)用價(jià)值?，F(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了FCS的現(xiàn)場(chǎng)控制層，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的可靠性、可用性和實(shí)時(shí)性影響整個(gè)FCS的相應(yīng)指標(biāo)，F(xiàn)CS的設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)展開工作。
　　
　　2、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
　　
　　設(shè)計(jì)FCS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)包括全廠總線網(wǎng)絡(luò)的劃分和各條現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)?；赑ROFIBUS總線技術(shù)，依照總線標(biāo)準(zhǔn)EN50l70[3]和IEC6ll58[4],參考國(guó)外PROFIBUS總線的工程應(yīng)用[5-6]，以西門子公司SIMATIC系列產(chǎn)品為硬件平臺(tái)，介紹大型火電廠現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)流程和方法。
　　
　　2.1全廠總線網(wǎng)絡(luò)劃分劃分
　　
　　火電廠總線網(wǎng)絡(luò)，首先要完成全廠的PROFIBUS就地設(shè)備選型，然后配置FCS控制器，zui后確定每個(gè)FCS控制器下各總線網(wǎng)絡(luò)連接哪些PROFIBUS就地設(shè)備。
　　
　　PROFIBUS就地設(shè)備分DP（Decentrilizedperiphery）設(shè)備和PA（ProcessAutomation）設(shè)備，推薦火電廠現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備（電動(dòng)門、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁閥、400v電機(jī)）選用DP設(shè)備。推薦現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變送器和氣動(dòng)閥門定位器采用PA設(shè)備。溫度測(cè)點(diǎn)若位置集中可采用遠(yuǎn)程PROFIBUS采集卡匯入PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，熱電阻、熱電偶、SOE測(cè)點(diǎn)及熱工保護(hù)開關(guān)推薦采用硬接線接人分布式IO模塊ET200M的熱電阻、熱電偶、SOE和數(shù)字量輸人模塊，再通過ET200M的PROFIBUS接口匯人PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。為了確保生產(chǎn)的安全可靠，業(yè)主一般要求重要調(diào)節(jié)和保護(hù)回路上的相關(guān)設(shè)備、關(guān)鍵的6kv電機(jī)采用硬接線控制，這些都可使用分布式IO模塊ET200M解決?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在全廠就地設(shè)備中的占有率，很大程度表現(xiàn)了火電廠使用FCS的決心，也是體現(xiàn)FCS應(yīng)用水平的重要指標(biāo)。
　　
　　推薦FCS控制器按工藝系統(tǒng)功能區(qū)（燃燒系統(tǒng)、煙風(fēng)系統(tǒng)、給水系統(tǒng)和汽溫系統(tǒng)等）配置，工藝區(qū)內(nèi)同一分系統(tǒng)的PROFIBUS就地設(shè)備盡可能地分配到同一對(duì)FCS控制器下的同一PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，以減少分系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的各設(shè)備協(xié)同動(dòng)作、調(diào)節(jié)帶來的跨PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)通信，假如1個(gè)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋分系統(tǒng)的所有就地設(shè)備，要盡可能地把這些設(shè)備劃分在同一FCS控制器下的不同PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上，以減少控制器之間的工業(yè)以太網(wǎng)通信。
　　
　　全廠總線網(wǎng)絡(luò)劃分的目的是確定全廠FCS控制器的對(duì)數(shù)、每對(duì)FCS控制器下PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量、每條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上連接多少DP和PA就地設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)劃分后的工作就是針對(duì)每條總線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)劃分后應(yīng)給出現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備屬性表（見表l）。　　
　　2.2確定各總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)互連的各種現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的物理布局。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜筒ㄌ芈室黄饹Q定了網(wǎng)絡(luò)的可用性、可靠性和實(shí)時(shí)性，一旦網(wǎng)絡(luò)通信電纜敷設(shè)完畢，現(xiàn)場(chǎng)條件的限制使重新修改網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兊美щy，必須在整個(gè)設(shè)計(jì)工作的開始階段就重視網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)。
　　
　　推薦使用總線型、樹型、星型、菊花鏈型連接及以上方式的混合結(jié)構(gòu)構(gòu)建PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。在高波特率通信下，DP網(wǎng)段嚴(yán)禁出現(xiàn)就地DP設(shè)備到總線主干網(wǎng)的連接分支線，應(yīng)使用菊花鏈型連接。PA網(wǎng)段容許使用分支線連接就地PA設(shè)備和總線主干網(wǎng)，就地PA設(shè)備和PA分配器構(gòu)成星型連接，PA分配器之間形成總線型連接。
　　
　　設(shè)計(jì)PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漤毧紤]PROFIBUS總線對(duì)DP、PA網(wǎng)段長(zhǎng)度的限定。1個(gè)DP網(wǎng)段的通信長(zhǎng)度受限于本DP網(wǎng)段波特率的設(shè)置，波特率越高，通信長(zhǎng)度越短，當(dāng)DP網(wǎng)段長(zhǎng)度超過規(guī)定長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)使用光電轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行光纖連接，或使用中繼器在PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)上劃分多個(gè)DP網(wǎng)段。PROFIBUS規(guī)定l個(gè)PA網(wǎng)段總長(zhǎng)不超過1900m,網(wǎng)段總長(zhǎng)包括各分支線路長(zhǎng)度，分支線路的長(zhǎng)度與分支的總數(shù)、就地設(shè)備是否在本質(zhì)安全區(qū)有關(guān)。當(dāng)PA網(wǎng)段長(zhǎng)度超過限長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)在DP/PA鏈接器下擴(kuò)展出新的PA網(wǎng)段。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)完后，應(yīng)給出現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D，并標(biāo)出設(shè)備之間總線通信電纜的長(zhǎng)度。
　　
　　2.3現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)波特率確定
　　
　　PROFIBUSPA物理層采用IEC61158-2、同步Manchester編碼傳輸，波特率固定為31.25kb/S。PROFIBUSDP波特率可選擇9.6kb/s至12Mb/s，波特率越高，傳輸距離越短。火電廠PROFIBUSDP的總線波特率一般為500kh/s或1.5Mh/s。
　　
　　2.4就地總線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)地址分配
　　
　　1個(gè)PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)支持的站點(diǎn)地址是0~127，除幾個(gè)特殊地址保留外，其他地址可供就地DP設(shè)備任意使用。地址127保留，用于全局控制或廣播信息；地址126保留，用于需要使用總線設(shè)置地址的從站；地址。應(yīng)預(yù)留給二類主站；一類主站地址一般應(yīng)從地址1開始編號(hào)。
　　
　　l個(gè)PROFIBUSPA網(wǎng)段支持的站點(diǎn)地址是1~126。1個(gè)DP/PA鏈接器zui多連接5個(gè)PA網(wǎng)段，PA段內(nèi)的就地設(shè)備可以和DP網(wǎng)絡(luò)上的站點(diǎn)地址重復(fù)。
　　
　　2.5PRORBUS通信電纜和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選擇
　　
　　PROFIBUSDP一般用屏蔽雙絞線電纜傳輸信號(hào)，在傳輸距離較長(zhǎng)、電磁環(huán)境惡劣的情況下使用光纖傳輸，屏蔽雙絞線和光纖均支持冗余PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)。共有4類符合IEC61158-2規(guī)定的電纜供PROFIBUSPA選用，因火電廠就地變送器分布廣，安裝位置分散，火電廠一般使用限長(zhǎng)zui大的TypeA電纜做PROFIBUSPA總線電纜。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供總線中繼、網(wǎng)段擴(kuò)展、改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹P/PA協(xié)議轉(zhuǎn)換和連接就地設(shè)備等功能，它們和就地設(shè)備一起構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)。SIMATIC硬件平臺(tái)提供各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備[7]，供設(shè)計(jì)和規(guī)劃PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)時(shí)使用。
　　
　　2.6預(yù)估總線網(wǎng)絡(luò)循環(huán)時(shí)間
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的循環(huán)時(shí)間是FCS實(shí)時(shí)性的重要指標(biāo)，每條總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)完后，必須預(yù)估和計(jì)算總線循環(huán)時(shí)間是否滿足系統(tǒng)要求。PROFIBUS總線循環(huán)時(shí)間主要與網(wǎng)絡(luò)通信波特率、從站數(shù)量、從站IO數(shù)據(jù)的總字節(jié)量和從站通信延遲時(shí)間有關(guān)，具體計(jì)算公式參見文獻(xiàn)[8]。
　　
　　3、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)例
　　
　　華能九臺(tái)電廠2×660MW機(jī)組采用西門子基于PROFIBUS總線技術(shù)的SPPA－T3000控制系統(tǒng)為平臺(tái)，是國(guó)內(nèi)第1個(gè)在主機(jī)范圍內(nèi)大規(guī)模使用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的火電廠。單元機(jī)組中使用了19對(duì)冗余控制器（ASl0l-ASll9），其中包含9對(duì)FCS控制器（鍋爐側(cè)5對(duì)，汽輪機(jī)側(cè)4對(duì)），用作現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的PROFIBUS主站。單元機(jī)組共使用354個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線就地設(shè)備，其中199個(gè)DP設(shè)備，包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電機(jī)控制與監(jiān)視單元、分析儀表、變頻器及電磁閥等；155個(gè)PA設(shè)備，包括壓力變送器、溫度變送器、流量計(jì)、智能閥門定位器及液位計(jì)等。每對(duì)AS連接l-3對(duì)冗余PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，共53條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)單元機(jī)組的鍋爐房、汽輪機(jī)房及電氣MMC間，9對(duì)FCS主站按工藝系統(tǒng)劃分配置：AS104、AS105鍋爐制粉系統(tǒng)；AS108鍋爐汽水系統(tǒng)；AS109、AS110二次風(fēng)調(diào)節(jié)擋板控制系統(tǒng)；ASll2鍋爐房閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)；ASll3汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)；AS114輔汽及真空泵系統(tǒng)；AS117發(fā)電機(jī)氫氣、定子冷卻水及本體疏水系統(tǒng)。圖2是華能九臺(tái)電廠2×660MW機(jī)組輔汽及真空泵系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)示意，由FCS控制器ASll4引出，劃分2條PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS1由光電轉(zhuǎn)換模塊（OLM）經(jīng)光纖延伸到現(xiàn)場(chǎng)，連接2個(gè)PA網(wǎng)段和1個(gè)DP網(wǎng)段。PA網(wǎng)段由DP/PA鏈接器從冗余DP總線上接出，連接測(cè)量變送器及智能閥門定位器；DP網(wǎng)段分3組，均用DP/DP鏈接器把單接口就地DP設(shè)備接入冗余DP總線，第1組連接系統(tǒng)內(nèi)的電磁閥島和電機(jī)控制與監(jiān)視單元，采用小分叉鏈接方式構(gòu)成總線型連接；第2組用來連接系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用菊花鏈型連接方式；第3組用來連接系統(tǒng)內(nèi)的分析儀表。在每段DP總線的末端單獨(dú)增加1個(gè)有源終端電阻，使傳輸線路阻抗匹配，保證通信的可靠性。PROFIBUS2連接ET200M站，波特率為1.5Mb/S，用來處理系統(tǒng)內(nèi)的硬接線IO信號(hào)。　　
　　4、FCS設(shè)計(jì)若干問題探討
　　
　　4.1設(shè)計(jì)院和FCS廠家工作的劃分和配合
　　
　　設(shè)計(jì)院對(duì)生產(chǎn)流程和就地設(shè)備的安裝位置比較熟悉，F(xiàn)CS設(shè)備廠家對(duì)其產(chǎn)品比較了解，在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)院和FCS廠家應(yīng)密切配合，由設(shè)計(jì)院推薦FCS控制器的配置、全廠總線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，并提供每條總線的邏輯拓?fù)浜涂偩€上各就地設(shè)備之間的電纜距離（不是直線距離）,FCS廠家根據(jù)其產(chǎn)品功能，確定物理拓?fù)洌瑧?yīng)相互交流，隨時(shí)修改網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。
　　
　　4.2關(guān)于FCS一體化和對(duì)外通信
　　
　　FCS和DCS在現(xiàn)場(chǎng)控制層以上結(jié)構(gòu)基本一致，就SPPA－T3000系統(tǒng)，DEH、MEH和ECS的控制都可通過工業(yè)以太網(wǎng)接入火電廠應(yīng)用總線。MFT控制柜可接入火電廠自動(dòng)化總線，和FCS控制器構(gòu)成火電廠自動(dòng)控制環(huán)，若業(yè)主要求FSSS采用硬接線，硬接線IO的FSSS控制柜也同樣可接入自動(dòng)控制環(huán)。SPPA－T3000還提供了當(dāng)今主流DCS的大部分第三方接口，方便不同系統(tǒng)之間通信。
　　
　　4.3關(guān)于FCS的可靠性
　　
　　為保證FCS通信電纜的可靠，推薦使用冗余總線，但在FCS設(shè)計(jì)階段就要嚴(yán)格保證總線和就地設(shè)備的連接高度可靠。工程上的網(wǎng)絡(luò)通信故障絕大部分旱因庫接故障造成的。如何在設(shè)計(jì)階段保證就地設(shè)備接人總線網(wǎng)絡(luò)的連接可靠性，是值得研究的問題。
　　
　　5、結(jié)語
　　
　　隨著FCS在大型火電廠的普及應(yīng)用，F(xiàn)CS的設(shè)計(jì)工作凸顯重要。本文引入現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)概念，指出了FCS的設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)，給出PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)流程和方法，用一個(gè)工程實(shí)例具體化本文工作，并就大型火電廠FCS設(shè)計(jì)的一些實(shí)際問題給出建議，為設(shè)計(jì)FCS和制定FCS設(shè)計(jì)規(guī)程提供參考。