华能九台电厂现场总线应用情况汇报-TPRI

现场总线技术在660MW超临界机组的全范围应用研究及工程示范汇报人：颜渝坪西安热工研究院有限公司国内首个660MW超临界塔式锅炉机组全厂范围应用现场总线技术的工程项目

内容提要一、现场总线应用背景二、主、辅机概况三、机组主控、辅控系统概况四、现场总线范围的选取原则五、现场总线控制系统设计原则六、现场总线范围及网段划分七、现场总线现场设备类型八、现场总线拓扑结构九、工程应用情况十、设备诊断信息十一、经济性比较十二、现场总线应用体会十三、电厂推广现场总线技术的探讨十四、总结一、现场总线应用背景(一)(1)信息化促进工业化，工业化需要信息化。数字化电厂要以现场的实时数据、信息为基础才具有实际的效益。(2)现场总线技术的优势：

a.工业信息化要求大量的现场实时数据，需要的I/O信号成倍增长，传统DCS难以承担“信息爆炸”的重负。

b.现场总线技术不仅能够提供I/O数据，而且能够提供设备状态、诊断以及历史统计数据。这些数据通过通信线传送到控制器、数据库，不受电缆和距离的限制。

c.组态设备实时状态和诊断显示、报警等，快速发现设备故障位置、原因，快速维修，节省人力和提高系统可用性。

d.采用设备管理软件，记录和积累设备运行状态、诊断信息，预测设备故障，提前维护，降低故障发生率。

e.综合利用实时和历史数据，开发有针对性的软件，能够实现“状态维修”、“性能优化”、“寿命评估”等管理功能。一、现场总线应用背景(二)(3)

现场总线控制系统自2006年初在电厂辅控系统成功应用后,在电厂开始推广。(4)国外新建大型机组多采用现场总线控制系统，如德国尼德毫森电厂二期、美国波特兰电厂、意大利灯塔联合循环电厂等。(5)西安热工研究院历经两代自动化人的耕耘，致力于研究和应用现场总线技术，在对现场总线标准的理解、总线网络设计和测试、现场总线设备组态和配置、与常规DCS的融合等多方面技术取得进展，还装备了比较完整的试验、测试手段。具备了在主控系统应用现场总线技术的条件。二、主、辅机概况1.锅炉为哈尔滨锅炉厂生产的超临界参数变压运行螺旋管圈直流炉，单炉膛、一次中间再热、采用角式切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构塔型锅炉、紧身封闭布置燃煤锅炉2.汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的超临界、一次中间再热、三缸四排汽、单轴、双背压、凝汽式、八级回热抽汽式汽轮机3.发电机为哈尔滨电机厂生产，冷却方式：水-氢-氢，静态励磁4.制粉系统采用风扇磨直吹式制粉系统，每台炉配置8台磨煤机，6台运行1台备用1台检修5.机组配置两台50%B-MCR容量的汽动给水泵，一台30%B-MCR容量的启动用电动定速给水泵6.机组配1套高压旁路装置、2套低压旁路装置，旁路容量为30％BMCR工况

三、机组主辅控系统概况（一）

主控系统：数据采集系统（DAS）模拟量控制系统（MCS）旁路控制系统（BPC）顺序控制系统（SCS）锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）汽轮机数字电液控制系统(DEH)给水泵汽轮机数字电液控制系统(MEH)电气控制系统(ECS)等。

2007年12月底，通过公开招标方式，主控系统选用西门子公司的SPPA－T3000分散控制系统，它融入了PROFIBUS现场总线技术。

辅控系统：均采用基于PROFIBUS现场总线协议的PLC系统

凝结水精处理控制系统除灰控制系统化学补给水控制系统废水控制系统输煤控制系统空压站控制系统等三、机组主辅控系统概况（二）四、现场总线范围的选取原则需要统筹兼顾工程风险和技术创新二者的综合效益对锅炉、汽机的运行安全有重大影响的系统，采用常规DCS方式FSSS、DEH、MEH、BPC、ECS采用常规DCS方式SOE、TSI采用常规DCS采集方式所有6kV电机采用常规DCS方式所有IDAS信号均采用常规方式，通过通信模件进入DCSDAS从现场直接采集的信号尽可能采用FCS的仪表、设备SCS、MCS系统中部分子系统的设备采用FCS保护和重要控制回路的4～20mA变送器的仪表宜选择具有HART协议的变送器采用现场总线仪表和设备的诊断、管理软件，对FCS网络、设备进行诊断和管理五、现场总线控制系统设计原则（一）现场总线设备按工艺系统功能区设计，保持区域自治的原则，使控制器间的通信量最少，减少主控网的通信负荷。为保证每个区域监控功能的实时性及合理的组态，每对控制器（站）应既可配置常规I/O，又能配置PROFIBUS现场总线接口。凡涉及保护和重要联锁的4～20mA信号采用具有HART协议的常规I/O模件相对集中的主/辅机的温度测点，采用远程I/O或智能前端、或带有PA总线接口的温度测量智能装置西安热工研究院有限公司对现场总线技术在火电厂应用进行了多年研究，在完成示范工程－华能九台电厂现场总线拓扑结构设计、网段设计及DCS/FCS应用软件开发中，发挥了重要作用。与东北电力设计院协同总结了系统设计应遵循以下原则：五、现场总线控制系统设计原则（二）在应用软件开发期间，充分考虑接入现场总线设备的扫描周期和相应控制器的控制周期的适应性，以保证满足实时响应时间系统中检测同一工艺参数的2个或3个测点，分别接入不同的现场总线分支。对于接入PROFIBUS-DP总线的变速控制设备，电动机的控制和保护（开关量控制）及变速控制（模拟量控制）挂接在同一PROFIBUS-DP网段。对于对称配置（运行/备用）的设备，连接在不同的PROFIBUS-DP网段。对于同一对象的不同参数现场总线仪表，接到现场总线的同一网段五、现场总线控制系统设计原则（三）PROFIBUS-DP总线，无论现场智能设备是否提供冗余总线接口，DCS控制站和PROFIBUS-DP现场总线通信采用冗余方式。现场总线设备的组态，要充分考虑现场总线通信接口及现场仪表的维修的方便性。即挂接在同一分支的设备故障维修，将不影响挂接在这一分支的其他设备的正常运行。现场总线网段的设计考虑网段总的负载(风险管理、备用容量、电压降和电流限制)、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、现场设备数量、总线的拓扑结构形式、中继器配置、集线器(多路接线盒)数量、规格及配置等因素。五、现场总线控制系统设计原则（四）13.每个PROFIBUS-DP总线网段通信速率不宜过高，500kbit/s较适宜，既能够满足绝大多数对象的实时性要求，也具有较好的抗干扰能力每个PROFIBUS-DP总线子网段连接设备数量：不多于15个。每个PROFIBUS-PA总线子网段连接设备数量：不多于18个。每个DP主站与DPY-link、DP/PA-link之间距离超过100m，或主站与DPY-link、DP/PA-link在不同建筑物安装时，应采用光缆连接。供货的所有现场总线的通信电缆都是经过Profibus国际组织(PI)授权认证的产品。对于供货范围的现场总线的通信电缆要符合相应规范的技术要求。六、现场总线范围及网段设计（一）

主控系统：单元机组19对控制器，公用2对控制器。在9对控制器中设计了23个Profibus-DP子网段、22个Profibus-PA子网段，其中Profibus-DP连接196个现场总线设备、Profibus-PA连接197个现场总线设备，涵盖了34个复杂工艺系统，采用了11种类型的现场总线设备，包括压力、差压、液位、流量变送器等仪表，控制对象有电机、电动执行机构和气动阀门等,基本包括了过程控制系统和顺序控制系统中所有典型设备。辅控系统在3对控制器中设计了44个Profibus-DP子网段、13个Profibus-PA子网段，其中Profibus-DP连接261个现场总线设备、Profibus-PA连接137个现场总线设备。六、现场总线范围及网段设计（二）网段设计如下：控制器工业系统DP子网段PA子网段DP设备PA设备AP104烟风系统A侧、磨煤机F制粉系统12412AP105烟风系统B侧、冷烟风机、磨煤机H制粉系统、锅炉启动疏水系统12516AP108锅炉启动给水、锅炉启动疏水、主、再蒸汽系统、锅炉汽水检测控制系统、暖风器疏水系统734816AP109暖风器疏水、二次风调节挡板控制系统13343AP110二次风调节挡板控制系统、炉前油阀门系统03025AP112闭式水系统、开式水系统、凝结水系统、A小汽机油系统、B小汽机油系统、汽机本体疏水系统、旁路系统、锅炉启动疏水、

A真空泵系统4217（其中含1个阀岛带4个阀门）16六、现场总线范围及网段划分（三）控制器工业系统DP子网段PA子网段DP设备PA设备AP113B真空泵系统、抽汽系统、循环水系统、

A小汽机本体、

B小汽机本体、汽机本体疏水系统、旁路系统247（其中含5个阀岛带36个阀门、16个液位开关）31AP114辅助蒸汽系统、电泵油系统、A小汽机本体、B小汽机本体、B小汽机本体、C真空泵系统3218（其中含1个阀岛带4个阀门、8个液位开关）23AP117暖风器疏水、轴封系统、汽机本体疏水系统、汽机润滑油系统、汽机EH油系统、发电机氢气系统、发电机密封油系统、发电机定子冷却水系统、A小汽机本体、B小汽机本体4119（其中含2个阀岛带16个阀门）15合计342322121（其中含9个阀岛带60个阀门、24个液位开关）197七、现场总线现场设备类型（一）

所有现场总线设备在确定型号前，都首先由西安热工研究院与南京西门子公司对其与西门子SPPA-T3000系统的兼容性进行测试，并选择在控制领域成功运行业绩的产品。1.压力、差压、液位、流量变送器。2.气动阀门定位器：用于控制气动调节阀门。3.380VAC电动机控制和保护单元：用于380V电机（包括风机、泵、挡板等）开关量控制，及电气、就地控制和保护。4.电动阀门驱动单元：安装于电动阀门上（电动头），控制电动阀门的全开、全关，或控制电动调节阀门的开度。七、现场总线现场设备类型（二）DP现场设备：类型数量AUMA电动执行机构32EMG电动执行机构15SIPOS_5电动执行机构34电机控制和保护单元SIMOCODE20津泊贝尔(国产)电动执行机构6AUTOCK(国产)电动执行机构5ET200Pro阀岛9个阀岛共带60个就地阀门、24个液位开关合计196七、现场总线现场设备类型（三）PA现场设备：类型数量ABB气动定位器52SIPART气动定位器19SITRANS_P_DSIII_PA压力变送器125SITRANSPROBELU–2（妙声力液位计）1合计197八、现场总线拓扑结构（一）

根据现场总线的范围及设计原则，设计了现场总线网络拓扑画面。从拓扑画面可以直观地看出现场总线网段的划分、各网段的连接方式及网段中的相关设备。运行人员可以通过拓扑画面查看设备的运行状况，也方便热控人员对现场总线设备的的维护。八、现场总线拓扑结构（二）

八、现场总线拓扑结构（三）

八、现场总线拓扑结构（四）

九、工程应用情况（一）

在现场设备招标之前，西安热工研究院与南京西门子公司一起，完成了对所需现场总线设备与SPPA-T3000的互操互连测试。在华能九台电厂精心组织下，东北院、电建公司等各单位密切配合，两台机组在调试期间，现场总线设备的调试较顺利，设备的操作及状态显示正常，非轮询数据通过PDM软件采集正常，通信速度满足要求。从现场总线在国内外及九台电厂的应用情况看，当通信出现中断或故障时，90%以上是安装问题，如：PROFIBUS电缆的两根A、B线接反、短路、对地短路、虚接等等造成连接故障。九、工程应用情况（二）安装注意事项：1.安装中要注意通信电缆的接线方式。2.注意屏蔽方式，通信屏蔽不同于常规DCS，DP电缆在总线柜和设备现场要双端接地。3.电缆长度要求：500Kbps速度时一个DP子网段总长度不大于400米，一个PA网段(31.25Kbps)总长度(包括干线和支路之和)不大于1200米。4.终端电阻要正确接入，且尽量使用有源终端。5.现场总线电缆和现场设备安装之后应该经过严格测试，电缆线间绝缘电阻、对地绝缘、线间和对地电容以及总线信号的波形测试等应符合总线标准的系统工程设计要求。十、设备诊断信息（一）十、设备诊断信息（二）十、设备诊断信息（三）十、设备诊断信息（四）十一、经济性比较（一）

华能九台电厂2×660MW机组主控系统采用现场总线技术，在控制系统硬件及就地现场总线设备上，造价较常规投资略有增加：1.在常规DCS中，就地的设备及仪表到控制器之间的信号电缆不由DCS厂家供货；而采用现场总线技术，为保证通信的安全稳定，现场总线的设备及仪表到控制器之间的通信电缆由DCS厂家成套供货，这部分的电缆费用在一百万左右。因此，控制系统本身的造价基本相当。2.在电缆方面，由于采用现场总线技术，节省了大量的电缆。如果考虑到大量丰富的信息的电缆的节省，则节省的费用更多。十一、经济性比较（二）3.机柜及电子间投资方面较常规投资有所下降，另外安装、调试方面投入的人力成本相对较低，以后的长期运行中还会降低维护成本。4.采用带总线接口的就地设备、就地仪表要比常规设备、仪表的价格略高，但随着现场总线技术的推广应用，带总线接口的设备、仪表的产量会增大，其价格也会下降。十一、经济性比较（三）

我们可以看到：

采用现场总线之后，整个机组控制系统的投资费用较采用常规DCS会有增加。但这一投资增加量占整个工程中热控设备材料投资额的比例很小。此外，上述分析并未计及由于电缆、桥架的减少以及施工单位节省的接线工程量。考虑到应用现场总线技术将带来全厂管控数字化和全生命周期的设计、安装、调试、运行维护成本节约等有利因素，如此程度的投资增加应该是可以接受的。十二、现场总线技术应用体会现场总线技术的应用为今后电厂管控一体化，设备管理创造了有利条件，随着生产设备信息的不断丰富，使软件化的状态检修、优化管理等成为可能；现场总线技术应用带来的电缆节省、安装和调试费用降低只是部分的优势，更重要在于现场总线设备提供的各种信息为电厂今后设备管理、故障诊断、设备检修提供了必要的基础；现阶段，电厂现场总线应用成功的关键点在于领导重视及专业人员对设备采购环节的执行力度；现场总线的实施一定要注意网段的设计细节。十三、电厂推广现场总线技术的探讨（一）数字化电厂的模型结构：十三、电厂推广现场总线技术的探讨（二）数字化电厂的关键环节：实用和高效的SIS功能是数字化电厂的核心：1.现场控制层到管理决策层的桥梁；2.实时的分析、优化、调度、状态评估、故障诊断等软件模块；3.需要现场设备传送各种类型的数据和信息至SIS现场总线技术是数字化电厂的基础：1.传统DCS、PLC无法满足电厂信息化的要求；2.现场总线是全数字、双向通信信号制，突破了电缆限制；3.现场总线智能设备能够提供丰富的状态、诊断、参数化信息；十三、电厂推广现场总线技术的探讨（三）何谓现场总线控制系统－FCS：1.采用现场总线技术，实现现场测控设备与控制站双向