大型火电机组现场总线控制系统的设计探讨

目前，国际现场总线还未形成统一的标准，适用于火电机组自动化控制系统的现场总线主要有德国西门子公司研发的 Profibus现场总线和国际现场总线基金会组织研发的基金会现场总线(FF)等。Profibus现场总线为国际现场总线标准 IEC61158的组成部分，其分类为Type3，主要由Profibus-PA、Profibus-DP组成，Profibus-DP的数据传输速率为9.6kbit/s ～12Mbit/s, Profibus-PA的数据传输速率为31.25kbit/s。FF与Profibus现场总线相同，为国际现场总线的组成部分，其分类为Type l和Type 5，主要有Hl和H2 2种通讯速率。Hl的数据传输速率为31.25kbit/s, H2的数据传输速率为1Mbit/s、2.5 Mbit/s和100Mbit/s。

对于Profibus和FF现场总线，FF现场总线较适用于连续量控制(取代4～20mA模拟量信号)，而Profibus现场总线较适用于离散量控制，但也适用于连续量控制(对连续量的控制优势低于FF现场总线)。Profibus现场总线的现场智能设备仅支持双向数字化信号传输功能，不支持单回路控制，控制策略由控制系统实现。FF现场总线的现场智能设备既支持双向数字化信号传输功能，又可实现单回路控制。火电机组的控制具有集中且复杂的特点，不同控制回路之间往往相互关联。如果将各控制回路分散到现场智能设备中，将出现大量控制系统网络分段之间的通讯，从而使得系统通讯负荷增大，信号传输的实时性受到影响;当网络分段出现故障时，不同网段上设备之间的联锁功能无法实现，影响机组的安全运行。因此，FCS结构应采用在现场设备层使用现场总线技术，所有的设备控制策略在控制系统的控制器中集中处理。

二、控制范围

为了确保机组运行的安全性，结合现场总线技术的特点，在火电机组FCS中，机组的主保护控制(炉膛安全监控系统(FSSS)、汽轮机紧急跳闸系统(ETS)、旁路控制系统(BPC)、事故顺序记录(SOE)等)和主要辅机的保护功能不纳入现场总线;用于联锁保护的开关型气动阀门、电磁阀不纳入现场总线控制;国产电动阀门(因现场总线接口不完善，且缺乏相应的测试和实际应用)不纳入现场总线控制;开关量仪表(压力开关、液位开关、温度开关等)不纳入现场总线控制;用于非重要调节回路的气动调节阀和电动调节阀纳入现场总线控制控制;用于非重要控制系统的开关型电动阀门纳入现场总线控制飞380v 及6kv电动机纳入现场总线控制;温度测点采用现场总线;用于监视的测量信号采用现场总线;厂用电电源系统采用现场总线控制;对于空冷机组空冷岛变频器在采用特殊的抗干扰隔离措施后纳入现场总线控制;化学补给水系统、净水系统反渗透系统、废水系统、凝结水精处理系统、制氯/加氯系统、储氢系统、除灰及除渣系统、电除尘系统、脱硫系统、输煤系统等采用现场总线控制。

三、设备选型

控制系统的控制器采用具有总线接口的冗余控制器。控制系统在现场设备层全部采用现场总线技术对高速控制设备采用常规控制方式;380V电动机MCC回路采用具有Profibus-DP接口的智能马达控制器;变送器采用现场总线型智能变送器并接入 DCS。与机组重要保护和调节相关的变送器采用具有HART通讯协议的常规智能型进口变送器;电动阀门执行机构采用具有现场总线接口的设备;气动调节阀执行机构采用具有现场总线接口的智能定位器;温度测点采用具有现场总线接口的智能温度变送器;电磁阀采用具有现场总线接口的阀岛;对于不具备总线接口的设备采用具有现场总线接口的远程I/O站。

四、FCS网段

根据火电厂工艺流程的控制特点，合理配置总线网段的数量及其挂接现场设备的数量，以确保任何一条总线故障时，不会导致机组停运。

(l)所配置的控制器数量应确保控制器的控制周期与现场总线的宏周期(FF-Hl总线)或现场设备的轮询刷新周期(Profibus-PA总线)之间的合理匹配控制器中控制逻辑每执行1次，控制回路中的现场总线设备实时数据应更新1次(最低要求，即控制周期至少为总线数据更新周期的2倍)。

(2)FF-Hl和Profibus-PA现场总线网段设计应采用树型、分支或组合拓朴结构;Profibus-DP采用双冗余网络，每个Profibus-PA或FF-Hl现场总线模件用于控制时不超过4个现场总线网段，每个DP主站模块不超过2个DP主干网段。

(3)冗余设置的现场仪表应接入不同网段;对工艺上并列运行或冗余配置的设备，其相关驱动装置应连接在不同的网段上;控制逻辑相关(同1控制回路中)的仪表和控制对象原则上挂接在同1总线网段上。

(4)对于同一支路，应尽量将控制类设备布置在前端，监视类设备布置在后端。

(5)对于Profibus现场总线，现场总线模件可以设定不同的总线速率，以适应不同的控制