全厂现场总线技术在百万间接空冷智能电厂的应用实践

在信息化与工业化深度融合的背景下，应对互联网、大数据、云计算等信息领域新技术发展、提高资源利用效率、推进电力行业智能转型升级成为电厂发展的必然趋势。智能化电厂的基础是数字化和信息化，现场总线控制系统实现了现场级设备的数字化、网络化，使整个电厂工艺流程信息和基层控制级信息数字化，可以及时、准确地掌握现场生产设备体征状态，做到变设备故障检修为设备状态维护，为智能化电厂的实现奠定了数字化基石。同时，利用就地智能控制设备提供的大量实时信息进行深度的开发和应用，为管理决策提供了基础和依据。方家庄项目2×1000MW超超临界间接空冷燃煤机组，是世界首批百万千瓦级间接空冷电站之一。该工程全过程借鉴世界百万机组先进经验，融合现代信息技术，并依托现场总线技术，实现两台机组全部APS一键启停，实现投产即同步建成智慧型发电企业；率先实现MIS、SIS一体化，生产、经营一体化，财务、业务一体化；搭建完成智能发电和智慧管理两个平台，是目前国内国产现场总线应用最为广泛的电厂。本文针对方家庄项目2台百万机组应用PROFIBUS现场总线技术，对其应用范围、网段划分、系统配置进行了详细介绍，同时对总线设备在安装调试过程中出现的各类通信及网络故障进行了故障原因诊断和分析，并提出了相应的优化和解决措施，为PROFIBUS现场总线技术在火电厂的安全、稳定应用提供了参考。1、现场总线规划方案1.1国产现场总线技术的大范围应用

本工程采用国产PROFIBUS现场总线系统和EDPF-NT+分散控制系统。将发电机/变压器组和厂用电系统的控制、辅助车间（系统）的控制纳入分散控制系统，实现炉、机、电、辅集中控制、统一值班。每台机组设一套分散控制系统（单元机组DCS），两台机组公用部分设一套分散控制系统（公用DCS），辅助车间（系统）采用一套分散控制系统（辅控DCS），以彩色LCD以及彩色大屏幕液晶显示器、鼠标为单元机组主要监视和控制手段。除功率、频率等的数字显示仪表外，控制室内不设置其它常规仪表和控制设备，但在DCS操作台上配置锅炉、汽机、发电机的硬接线紧急停止按钮及重要辅机的硬接线操作按钮，以保证机组在紧急情况下安全停机。DCS留有与厂级监控信息系统（SIS）通讯接口，机组实时信息接入SIS，电气其它相关系统的检修维护信息接入SIS，以用于全厂的信息监视和管理。由于现场总线系统中控制设备和测量仪表都是通过现场总线与DCS分散控制系统（或PLC系统）的总线接口相连，这些信号不再占I/O模件的点位，因此减少了I/O模件及相关的隔离装置、继电器等，同时使DCS模件柜、继电器柜的数量减少，能有效地节约集中控制室电子设备间的面积。现场总线系统的接线十分简单，由于一对双绞线或一条光缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、槽盒、电缆桥架及其安装附件的用量将减少，连线设计与接头校对的工作量也减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆，可就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，又减少了设计、安装的工作量。同时由于现场总线设备的智能化、数字化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的准确度，减少了传送误差。同时，由于系统的结构简化、设备与连线减少、现场仪表内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了控制系统的准确性与可靠性。通过应用现场总线技术，可以实现单元机组和辅助车间的监控；借助应用现场总线技术采集的大量设备信息，通过对设备的性能进行分析和对设备故障进行诊断，可以提升发电厂的管理运行和维护水平。因此本工程2×1000MW新建机组通过论证大范围应用现场总线技术，以现场总线技术作为基础，实现数字化电厂控制方案。根据统计，两台机组主机加公用系统（含脱硫系统、化水系统、输煤系统、间冷系统、ECMS系统）采用总线技术的热控设备（含DP设备、PA设备）约4300多台，总线覆盖率近80%，其中间冷系统是全国首次采用现场总线技术。总线设备种类包括执行机构、压力变送器、温度变送器、阀岛、阀门定位器、马达控制器、化学分析仪表、流量计、导波雷达液位计、超声波液位计、变频器、磁翻板液位计等。除对机组安全运行至关重要且回路处理速度要求高的锅炉主保护（MFT）、汽机数字电液控制系统（DEH）中涉及转速、应力和负荷控制的基本控制部分、汽机本体紧急跳闸系统（ETS）、汽轮机监视系统（TSI）、给水泵汽机电液调节系统（MEH）、机组事故顺序记录（SOE）以及给水泵汽机紧急跳闸系统（METS）、润滑油系统、盘车系统、高压抗燃油系统采用常规的DCS控制外，其余系统几乎均采用了现场总线技术。1.2科学论证网段划分原则

大型火力发电机组连续安全稳定运行是至关重要的，而控制系统的可靠性是保证机组可用率的重要因素。为了提高系统的可靠性，采用现场总线技术（PROFIBUS）的设备则需要通过科学的网段划分配置保证安全及稳定。具体的网段划分至少满足以下原则：（1）PROFIBUSPA现场总线网段拓扑结构采用树型加分支的组合形式；PROFIBUSDP现场总线网段拓扑采用冗余总线型。（2）现场总线网段拓扑设计时单点故障不能影响整个网段的正常运行。（3）互为备用的现场仪表及相关驱动装置应接入不同网段；控制阀门和其旁路阀门（如有）应连接到不同的现场总线网段；控制逻辑相关（同一控制回路中）的仪表和控制对象原则上挂接在同一总线网段上。控制系统的设计应根据工艺流程的控制特点，合理配置总线数量和挂接的现场设备，以确保任何一条总线故障时，只产生工艺系统的局部故障，不会引起机组的危急状态造成整个工艺系统停运，并将这一影响限制在最小。1.3采用最新技术进行现场总线系统配置

本工程两台单元机组采用全厂现场总线技术全覆盖，通过前期的调研工作，形成本工程现场总线技术实施保障措施、现场总线技术应用原则、应用范围，主要突破在于不仅仅在单元机组采用现场总线技术，还在各辅助车间、输煤程控、间冷塔、ECMS等区域系统采用现场总线技术。在研发阶段，我们首先确定了基于现场总线技术的DCS系统方案，提出并参与了国电智深新型控制器及主站通讯卡（BP卡）的研发及测试旁站工作，并进行首次应用。我们采用了华电天仁第三代最新版现场总线技术，并确定了本工程现场总线技术采用PROFIBUS-DP/PA通讯协议（PROFIBUSDP现场总线网段设计采用总线型拓扑结构，PROFIBUSPA采用树型加分支的组合拓扑结构）及应用原则。与以往系统较复杂、网络环节较多的问题比较，本工程使系统更加可靠稳定。本工程优化DCS与PROFIBUSDP系统结构由监控层工程师站及操作员站计算机、中间层级的冗余控制器（DPU）及PB控制模块、现场级的各个厂家的现场总线控制设备（电动执行机构、变送器、马达保护器等）组成。监控层与中间层的DPU通过冗余工业以太网A连接，中间层的冗余控制器与PB控制模块采用冗余工业以太网B连接，PB控制模块与现场的设备之间通过标准的PROFIBUSDP现场总线连接或者通过光电转换器使用光纤连接，既可以扩展连接距离，又提高了抗干扰能力，增强了稳定性。在此方案中使用DP分支器及PA分支器，可以扩展现场连接设备的拓扑方式，灵活应对现场的使用情况。现场总线系统架构图如图1所示。图1现场总线系统架构图2、施工阶段的管控对施工技术人员的素质要求是不仅要掌握常规工程的热控施工技术，还要掌握现场总线技术的施工技术及要点。主要有以下措施：2.1总线独立槽盒及独立总线隔板设计

在MCC电子间及大型电缆竖井内布置专门现场总线的独立小槽盒，或者独立总线隔板。由于现场限制，在一些区域无法满足总线电缆与动力电缆的分开距离要求，MCC电子间进线孔、电缆竖井、MCC电子间（尤其就地MCC电子小间）无法满足动力缆与DP缆60cm的分隔要求，并且并行铺设。在这些位置增加独立布线槽盒可以增强总线抗干扰能力。图2电缆竖井布置图2.2在汽机管道层优化安装环绕小桥架

由于汽机部分桥架设计距离长度及距离有限，造成总线系统在布置时绕行严重，并且容易受到干扰。在汽机管道层安装环绕小桥架可以有效避免此现象。2.3自主创新采用总线DP电缆专用屏蔽接地端子卡

PROFIBUS总线通讯电缆的屏蔽，对于整个总线系统来说非常重要。由于现场一些总线型电动门执行器就地电动头为葵花盘式接线端子，DP电缆屏蔽层一般为金属编织网，毛刺较多，执行器内接线空间狭小，容易出现编织网与电动门内380V线缆碰触，或者屏蔽层与电动门内电路板与DP总线电缆自身碰触出现短路等情况，从而出现总线通讯中断、设备损坏及人身伤害等状况，为安全生产埋下了极大隐患。为了杜绝上述情况的发生，我们根据实际情况，设计、创新研究出一种专门用于总线型执行器DP电缆屏蔽层用的接地端子卡，如图3所示，有效降低了总线设备因屏蔽原因导致的故障率，从而降低了设备隐患。图3专用屏蔽接地端子接线图2.4多次进行施工交底及培训，保证安装质量

总线安装质量决定总线后期运行质量。我们曾组织三次正规培训以及多次现场培训：3次正规培训分别在电缆敷设开始前、总线接线开始前以及总线调试开始前，有针对性地对电建进行培训；培训结束后对电建施工人员进行考试，考试合格后方可进行施工。保证每名施工人员都经过培训。2.5专门制作了“现场总线施工工序工艺卡”发放给总线施工人员

如图4所示，工序工艺卡对现场总线的施工步序、工艺、检测及调试提出了明确的要求，同时以问题清单的形式列出了常见故障的诊断和处理方法，方便施工人员随时查看，也为监督、检查人员提供了统一的标准，为现场总线的安全可靠施工提供了保障。图4现场总线施工工序工艺卡3、精细化的调试3.1应用protrace总线通信专用检测工具进行网段检测及诊断

protrace总线通信专用检测工具可以方便地在现场对总线设备进行实验及调试，不仅可以对总线V0数据进行测试，并且可以开放DCG文件，将总线V1数据进行解包，为AMS总线管理软件的研发和使用提供了依据。protrace总线通信专用检测工具也可以监测通信状态和质量并记录能够正常通信的总线设备地址，如图5所示。图5protrace检测记录3.2应用AMS现场总线设备管理系统

国电方家庄电厂2×1000MW机组使用了大量的现场总线设备，每台现场总线设备都具有丰富的诊断数据，因此迫切需要对全厂现场总线设备的统一监管技术。现场总线设备监管平台（AMS）可以实现对现场总线设备故障的快速定位。如图6所示，运行、维护人员就可以在集中控制室内随时了解、就地控制设备和测量仪表的运行及维护信息，以便及时维护、更换老化的设备，并在设备发生故障时，能够快速查出故障点的位置，便于巡检人员直接找到故障点并快速排除。这样，不仅减少了巡检人员的维护工作量，还提高了巡检人员的工作效率。改变维护人员的工作方式，变“故障检修”为“预测维护”，可以提高机组信息化水平，为数字化电厂和智能电厂的建设奠定基