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，以适应不同的控制器的要求。除了现场总线固有的总线速率限制以外，现场总线网段距离超出1个建筑物的情况下总线传输速率应不大于500kbit/s。

　　(6)对于Profibus-DP总线，每个网段上挂接的现场总线设备数量不超过该标准规定最大数量的40%，每个Profibus主站下挂接的Profibus-DP从站设备数量不可超过16个，网段长度应不超过400m, 过长的网段可考虑使用光缆或者中继器。对于所有Profibus-PA和FF-Hl现场总线网段，当用于过程控制时，每个网段挂接的现场总线设备数量不得超过6个;当用于非过程控制(数据监视)时，每个网段挂接的现场总线设备数量不得超过该标准规定最大数量(12个)，每个网段主干加分支的长度应不超过1200m，支线电缆的长度不能超过120m。

　　(7)Profibus-DP支路的通讯速率设定值必须小于该支路上所有设备中的最小通讯速率。

　　(8)就地通讯柜的安装位置应远离大功率电气设备(变频器、大功率电动机)等。

　　(9)没有DP接线头的Profibus-DP设备须选用专用的接线端子与Profibus-DP总线进行连接。

　　五、FCS电缆敷设及其接地

　　(l)动力回路所用电缆、电线的线芯材质应为铜芯。有抗干扰要求的线路应采用屏蔽电缆或屏蔽电线，并分层敷设。

　　(2)铠装光缆应符合其最小弯曲半径的要求。

　　(3)总线通讯电缆应远离高电压、大电流电缆，电缆沟内与高电压、大电流电缆的间距至少为30cm。

　　(4)总线通讯电缆尽量避免与造成干扰的电缆并行敷设，其必须与电源电缆交叉时应尽量直角交叉;总线通讯电缆必须与电源电缆平行时，其与动力电缆之间的距离应保证在400mm以上。

　　(5)接线盒内无屏蔽的通讯线不能与电源线缠绕，无屏蔽且裸露接线部分的长度应尽量短，长度在4～5cm以内最佳。

(6)总线通讯电缆不可与60V以上电源电缆或电信电缆共用同一电缆桥架、平行走线，无法避免时须用金属隔板分隔。

　　(7)当总线通讯电缆通过复杂电磁环境(变频器等强干扰源)或离开桥架后须用金属套管进行抗干扰保护。

　　(8)应避免总线设备之间出现中间断点，如果其连接总线电缆长度不足，则必须重新敷设;如果是该设备暂时未安装而无法接线，则必须用专用连接器临时接通，而不应简单的扭接，或者在不截断总线电缆的情况下，留有余地后直接连接下一个总线设备。

　　(9)对于FF现场总线的信号电缆，其屏蔽层的接地方式为：每个智能仪表仅连接FF电缆的信号线，屏蔽层浮空，不得与仪表接地线或者机壳相连接;接至接线盒的FF电缆，除了连接信号线外，屏蔽层应连接至接线盒的相应端子;对于接线盒到 FF现场总线电源之间的FF电缆，应分别在两端连接屏蔽线，在FF现场总线电源处，屏蔽层汇入机柜接地线，实现单点接地;在网络中的任何一处，现场总线设备不得将双绞线中的任一根导线与接地线连接;仪表信号导线不得作为接地线使用，如果要求仪表安全接地，应采用独立的导线;接地导线、仪表信号线和屏蔽线可以在同一根电缆中，但不得位于该电缆的屏蔽层之外;如果多根主干线电缆引入现场接线盒，不得将该电缆屏蔽线与其它网络相连。

　　(10)对于Profibus现场总线的信号电缆，屏蔽层的接地方式应为：Profibus-DP电缆屏蔽层应与DP设备屏蔽夹(或端子)连接，设备屏蔽接地线应接至电气地，根据电缆长度电缆芯截面积应选择为4～8mm2;总线电缆屏蔽线应与等电势系统相连接，接地铜牌连接面积应足够大;金属电缆支架的各个部分应彼此连接并尽量多地与等电位连接系统相连接。

　　六、FCS的其它设计

　　(l)每个现场总线网段应合理配置网络有源终端器，并将其安装在系统机柜或现场总线就地接线箱内。

　　(2)为了使设备地址具有唯一性，不同支路上的设备不能设置相同的设备地址，现场智能设备总线版本应与设计版本一致，相应的GSD及EDDL配置文件要准确，现场总线设备地址、通讯速率、控制模式应设置正确。现场智能设备地址设定时需注意地址格式(十六进制或十进制区)。

　　(3)FCS的总线回路应预留余量。

　　(4)应选用经过总线组织认证的现场总线设备，同时应注意相同总线标准版本的统一。

　　(5)变频器运行时易产生谐波干扰，在将其接入网段时应充分考虑抗干扰的措施：选择符合国际、国内电磁兼容标准、原理成熟先进、谐波抑制措施完善的变频器;现场总线相关通讯柜应避免与变频器柜相邻;变频器动力电源、FCS控制电源分别由不同电源系统供电;在变频器前、后设置感性滤波装置;变频器至电动机的连接电缆应采用变频专用电缆;系统接地及各类电缆敷设必须良好。

　　(6)用于现场总线转接的专用T型转接器应安装在便于查找和检修的位置，在室内尽可能地将其安装在邻近相关智能设备的位置，在室外尽可能地安装在就地通讯箱内。

　　(7)对于Profibus-DP总线，电缆屏蔽层应连接于每个设备的功能地，通常是通过设备外壳连接;对于FFHl和Profibus- PA总线，所有的电缆屏蔽层应单点接地。

　　(8)现场总线网段终端器应安装在系统控制机柜内或现场总线就地接线箱内