文獻標(biāo)識碼：B文章編號：1003-0492（2023）11-062-05中圖分類號：TP336

★倪玉偉（國家能源集團寧夏電力有限公司，寧夏銀川750000）

關(guān)鍵詞：1000MW間接空冷機組；全廠現(xiàn)場總線；工程實踐；智能電廠

在信息化與工業(yè)化深度融合的背景下，應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息領(lǐng)域新技術(shù)發(fā)展、提高資源利用效率、推進電力行業(yè)智能轉(zhuǎn)型升級成為電廠發(fā)展的必然趨勢。智能化電廠的基礎(chǔ)是數(shù)字化和信息化，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場級設(shè)備的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化^[1~2]，使整個電廠工藝流程信息和基層控制級信息數(shù)字化，可以及時、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備體征狀態(tài)，做到變設(shè)備故障檢修為設(shè)備狀態(tài)維護，為智能化電廠的實現(xiàn)奠定了數(shù)字化基石^[3~5]。同時，利用就地智能控制設(shè)備提供的大量實時信息進行深度的開發(fā)和應(yīng)用，為管理決策提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。

方家莊項目2×1000MW超超臨界間接空冷燃煤機組，是世界首批百萬千瓦級間接空冷電站之一。該工程全過程借鑒世界百萬機組先進經(jīng)驗，融合現(xiàn)代信息技術(shù)，并依托現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)兩臺機組全部APS一鍵啟停，實現(xiàn)投產(chǎn)即同步建成智慧型發(fā)電企業(yè)；率先實現(xiàn)MIS、SIS一體化，生產(chǎn)、經(jīng)營一體化，財務(wù)、業(yè)務(wù)一體化；搭建完成智能發(fā)電和智慧管理兩個平臺，是目前國內(nèi)國產(chǎn)現(xiàn)場總線應(yīng)用最為廣泛的電廠。

本文針對方家莊項目2臺百萬機組應(yīng)用PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)，對其應(yīng)用范圍、網(wǎng)段劃分、系統(tǒng)配置進行了詳細介紹，同時對總線設(shè)備在安裝調(diào)試過程中出現(xiàn)的各類通信及網(wǎng)絡(luò)故障進行了故障原因診斷和分析^[6~9]，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化和解決措施，為PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠的安全、穩(wěn)定應(yīng)用提供了參考。

1　現(xiàn)場總線規(guī)劃方案

1.1　國產(chǎn)現(xiàn)場總線技術(shù)的大范圍應(yīng)用

本工程采用國產(chǎn)PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)和EDPF-NT+分散控制系統(tǒng)。將發(fā)電機/變壓器組和廠用電系統(tǒng)的控制、輔助車間（系統(tǒng)）的控制納入分散控制系統(tǒng)，實現(xiàn)爐、機、電、輔集中控制、統(tǒng)一值班。每臺機組設(shè)一套分散控制系統(tǒng)（單元機組DCS），兩臺機組公用部分設(shè)一套分散控制系統(tǒng)（公用DCS），輔助車間（系統(tǒng)）采用一套分散控制系統(tǒng)（輔控DCS），以彩色LCD以及彩色大屏幕液晶顯示器、鼠標(biāo)為單元機組主要監(jiān)視和控制手段。除功率、頻率等的數(shù)字顯示儀表外，控制室內(nèi)不設(shè)置其它常規(guī)儀表和控制設(shè)備，但在DCS操作臺上配置鍋爐、汽機、發(fā)電機的硬接線緊急停止按鈕及重要輔機的硬接線操作按鈕，以保證機組在緊急情況下安全停機。DCS留有與廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）通訊接口，機組實時信息接入SIS，電氣其它相關(guān)系統(tǒng)的檢修維護信息接入SIS，以用于全廠的信息監(jiān)視和管理。

由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中控制設(shè)備和測量儀表都是通過現(xiàn)場總線與DCS分散控制系統(tǒng)（或PLC系統(tǒng)）的總線接口相連，這些信號不再占I/O模件的點位，因此減少了I/O模件及相關(guān)的隔離裝置、繼電器等，同時使DCS模件柜、繼電器柜的數(shù)量減少，能有效地節(jié)約集中控制室電子設(shè)備間的面積。現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單，由于一對雙絞線或一條光纜上通常可掛接多個設(shè)備，因而電纜、槽盒、電纜橋架及其安裝附件的用量將減少，連線設(shè)計與接頭校對的工作量也減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場控制設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，又減少了設(shè)計、安裝的工作量。

同時由于現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準(zhǔn)確度，減少了傳送誤差。同時，由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化、設(shè)備與連線減少、現(xiàn)場儀表內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。

通過應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，可以實現(xiàn)單元機組和輔助車間的監(jiān)控；借助應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)采集的大量設(shè)備信息，通過對設(shè)備的性能進行分析和對設(shè)備故障進行診斷，可以提升發(fā)電廠的管理運行和維護水平。

因此本工程2×1000MW新建機組通過論證大范圍應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，以現(xiàn)場總線技術(shù)作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)字化電廠控制方案。根據(jù)統(tǒng)計，兩臺機組主機加公用系統(tǒng)（含脫硫系統(tǒng)、化水系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、間冷系統(tǒng)、ECMS系統(tǒng)）采用總線技術(shù)的熱控設(shè)備（含DP設(shè)備、PA設(shè)備）約4300多臺，總線覆蓋率近80%，其中間冷系統(tǒng)是全國首次采用現(xiàn)場總線技術(shù)。總線設(shè)備種類包括執(zhí)行機構(gòu)、壓力變送器、溫度變送器、閥島、閥門定位器、馬達控制器、化學(xué)分析儀表、流量計、導(dǎo)波雷達液位計、超聲波液位計、變頻器、磁翻板液位計等。

除對機組安全運行至關(guān)重要且回路處理速度要求高的鍋爐主保護（MFT）、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）中涉及轉(zhuǎn)速、應(yīng)力和負荷控制的基本控制部分、汽機本體緊急跳閘系統(tǒng)（ETS）、汽輪機監(jiān)視系統(tǒng)（TSI）、給水泵汽機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MEH）、機組事故順序記錄（SOE）以及給水泵汽機緊急跳閘系統(tǒng)（METS）、潤滑油系統(tǒng)、盤車系統(tǒng)、高壓抗燃油系統(tǒng)采用常規(guī)的DCS控制外，其余系統(tǒng)幾乎均采用了現(xiàn)場總線技術(shù)。

1.2　科學(xué)論證網(wǎng)段劃分原則

大型火力發(fā)電機組連續(xù)安全穩(wěn)定運行是至關(guān)重要的，而控制系統(tǒng)的可靠性是保證機組可用率的重要因素。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用現(xiàn)場總線技術(shù)（PROFIBUS）的設(shè)備則需要通過科學(xué)的網(wǎng)段劃分配置保證安全及穩(wěn)定。具體的網(wǎng)段劃分至少滿足以下原則：

（1）PROFIBUS PA現(xiàn)場總線網(wǎng)段拓撲結(jié)構(gòu)采用樹型加分支的組合形式；PROFIBUS DP現(xiàn)場總線網(wǎng)段拓撲采用冗余總線型。

（2）現(xiàn)場總線網(wǎng)段拓撲設(shè)計時單點故障不能影響整個網(wǎng)段的正常運行。

（3）互為備用的現(xiàn)場儀表及相關(guān)驅(qū)動裝置應(yīng)接入不同網(wǎng)段；控制閥門和其旁路閥門（如有）應(yīng)連接到不同的現(xiàn)場總線網(wǎng)段；控制邏輯相關(guān)（同一控制回路中）的儀表和控制對象原則上掛接在同一總線網(wǎng)段上。控制系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)根據(jù)工藝流程的控制特點，合理配置總線數(shù)量和掛接的現(xiàn)場設(shè)備，以確保任何一條總線故障時，只產(chǎn)生工藝系統(tǒng)的局部故障，不會引起機組的危急狀態(tài)造成整個工藝系統(tǒng)停運，并將這一影響限制在最小。

1.3　采用最新技術(shù)進行現(xiàn)場總線系統(tǒng)配置

本工程兩臺單元機組采用全廠現(xiàn)場總線技術(shù)全覆蓋，通過前期的調(diào)研工作，形成本工程現(xiàn)場總線技術(shù)實施保障措施、現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用原則、應(yīng)用范圍，主要突破在于不僅僅在單元機組采用現(xiàn)場總線技術(shù)，還在各輔助車間、輸煤程控、間冷塔、ECMS等區(qū)域系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)。在研發(fā)階段，我們首先確定了基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS系統(tǒng)方案，提出并參與了國電智深新型控制器及主站通訊卡（BP卡）的研發(fā)及測試旁站工作，并進行首次應(yīng)用。我們采用了華電天仁第三代最新版現(xiàn)場總線技術(shù)，并確定了本工程現(xiàn)場總線技術(shù)采用PROFIBUS-DP/PA通訊協(xié)議（PROFIBUS DP現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計采用總線型拓撲結(jié)構(gòu)，PROFIBUS PA采用樹型加分支的組合拓撲結(jié)構(gòu)）及應(yīng)用原則。與以往系統(tǒng)較復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)較多的問題比較，本工程使系統(tǒng)更加可靠穩(wěn)定。

本工程優(yōu)化DCS與PROFIBUS DP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由監(jiān)控層工程師站及操作員站計算機、中間層級的冗余控制器（DPU）及PB控制模塊、現(xiàn)場級的各個廠家的現(xiàn)場總線控制設(shè)備（電動執(zhí)行機構(gòu)、變送器、馬達保護器等）組成。

監(jiān)控層與中間層的DPU通過冗余工業(yè)以太網(wǎng)A連接，中間層的冗余控制器與PB控制模塊采用冗余工業(yè)以太網(wǎng)B連接，PB控制模塊與現(xiàn)場的設(shè)備之間通過標(biāo)準(zhǔn)的PROFIBUS DP現(xiàn)場總線連接或者通過光電轉(zhuǎn)換器使用光纖連接，既可以擴展連接距離，又提高了抗干擾能力，增強了穩(wěn)定性。在此方案中使用DP分支器及PA分支器，可以擴展現(xiàn)場連接設(shè)備的拓撲方式，靈活應(yīng)對現(xiàn)場的使用情況。現(xiàn)場總線系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)架構(gòu)圖

2　施工階段的管控

對施工技術(shù)人員的素質(zhì)要求是不僅要掌握常規(guī)工程的熱控施工技術(shù)，還要掌握現(xiàn)場總線技術(shù)的施工技術(shù)及要點^[10~12]。主要有以下措施：

2.1　總線獨立槽盒及獨立總線隔板設(shè)計

在MCC電子間及大型電纜豎井內(nèi)布置專門現(xiàn)場總線的獨立小槽盒，或者獨立總線隔板。由于現(xiàn)場限制，在一些區(qū)域無法滿足總線電纜與動力電纜的分開距離要求，MCC電子間進線孔、電纜豎井、MCC電子間（尤其就地MCC電子小間）無法滿足動力纜與DP纜60cm的分隔要求，并且并行鋪設(shè)。在這些位置增加獨立布線槽盒可以增強總線抗干擾能力。

圖2 電纜豎井布置圖

2.2　在汽機管道層優(yōu)化安裝環(huán)繞小橋架

由于汽機部分橋架設(shè)計距離長度及距離有限，造成總線系統(tǒng)在布置時繞行嚴(yán)重，并且容易受到干擾。在汽機管道層安裝環(huán)繞小橋架可以有效避免此現(xiàn)象。

2.3　自主創(chuàng)新采用總線DP電纜專用屏蔽接地端子卡

PROFIBUS總線通訊電纜的屏蔽，對于整個總線系統(tǒng)來說非常重要。由于現(xiàn)場一些總線型電動門執(zhí)行器就地電動頭為葵花盤式接線端子，DP電纜屏蔽層一般為金屬編織網(wǎng)，毛刺較多，執(zhí)行器內(nèi)接線空間狹小，容易出現(xiàn)編織網(wǎng)與電動門內(nèi)380V線纜碰觸，或者屏蔽層與電動門內(nèi)電路板與DP總線電纜自身碰觸出現(xiàn)短路等情況，從而出現(xiàn)總線通訊中斷、設(shè)備損壞及人身傷害等狀況，為安全生產(chǎn)埋下了極大隱患。為了杜絕上述情況的發(fā)生，我們根據(jù)實際情況，設(shè)計、創(chuàng)新研究出一種專門用于總線型執(zhí)行器DP電纜屏蔽層用的接地端子卡，如圖3所示，有效降低了總線設(shè)備因屏蔽原因?qū)е碌墓收下剩瑥亩档土嗽O(shè)備隱患。

圖3 專用屏蔽接地端子接線圖

2.4　多次進行施工交底及培訓(xùn)，保證安裝質(zhì)量

總線安裝質(zhì)量決定總線后期運行質(zhì)量。我們曾組織三次正規(guī)培訓(xùn)以及多次現(xiàn)場培訓(xùn)：3次正規(guī)培訓(xùn)分別在電纜敷設(shè)開始前、總線接線開始前以及總線調(diào)試開始前，有針對性地對電建進行培訓(xùn)；培訓(xùn)結(jié)束后對電建施工人員進行考試，考試合格后方可進行施工。保證每名施工人員都經(jīng)過培訓(xùn)。

2.5　專門制作了“現(xiàn)場總線施工工序工藝卡”發(fā)放給總線施工人員

如圖4所示，工序工藝卡對現(xiàn)場總線的施工步序、工藝、檢測及調(diào)試提出了明確的要求，同時以問題清單的形式列出了常見故障的診斷和處理方法，方便施工人員隨時查看，也為監(jiān)督、檢查人員提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，為現(xiàn)場總線的安全可靠施工提供了保障。

圖4 現(xiàn)場總線施工工序工藝卡

3　精細化的調(diào)試

3.1　應(yīng)用protrace總線通信專用檢測工具進行網(wǎng)段檢測及診斷

protrace總線通信專用檢測工具可以方便地在現(xiàn)場對總線設(shè)備進行實驗及調(diào)試，不僅可以對總線V0數(shù)據(jù)進行測試，并且可以開放DCG文件，將總線V1數(shù)據(jù)進行解包，為AMS總線管理軟件的研發(fā)和使用提供了依據(jù)。protrace總線通信專用檢測工具也可以監(jiān)測通信狀態(tài)和質(zhì)量并記錄能夠正常通信的總線設(shè)備地址，如圖5所示。

圖5 protrace檢測記錄

3.2　應(yīng)用AMS現(xiàn)場總線設(shè)備管理系統(tǒng)

國電方家莊電廠2×1000MW機組使用了大量的現(xiàn)場總線設(shè)備，每臺現(xiàn)場總線設(shè)備都具有豐富的診斷數(shù)據(jù)，因此迫切需要對全廠現(xiàn)場總線設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)管技術(shù)。現(xiàn)場總線設(shè)備監(jiān)管平臺（AMS）可以實現(xiàn)對現(xiàn)場總線設(shè)備故障的快速定位^[13]。如圖6所示，運行、維護人員就可以在集中控制室內(nèi)隨時了解、就地控制設(shè)備和測量儀表的運行及維護信息，以便及時維護、更換老化的設(shè)備，并在設(shè)備發(fā)生故障時，能夠快速查出故障點的位置，便于巡檢人員直接找到故障點并快速排除。這樣，不僅減少了巡檢人員的維護工作量，還提高了巡檢人員的工作效率。改變維護人員的工作方式，變“故障檢修”為“預(yù)測維護”，可以提高機組信息化水平，為數(shù)字化電廠和智能電廠的建設(shè)奠定基礎(chǔ)。

圖6 AMS現(xiàn)場總線管理平臺

4　結(jié)語

國電方家莊電廠2×1000MW超超臨界間接空冷燃煤機組現(xiàn)場總線覆蓋率達80%，是國內(nèi)目前總線應(yīng)用范圍最廣的電廠。由于現(xiàn)場總線所具有的特點，特別是現(xiàn)場總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，使其較傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)在規(guī)劃設(shè)計、投資、安裝、投運到正常生產(chǎn)運行及其檢修維護等方面具有顯著的優(yōu)勢；同時其結(jié)合智能儀表，集數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析于一體，通過與DCS系統(tǒng)高度融合，能夠為智能分析高層應(yīng)用提供海量數(shù)據(jù)支撐，也為今后智能化電廠的實現(xiàn)提供數(shù)字化的基石。

作者簡介：

倪玉偉（1985-），男，寧夏人，工程師，碩士，現(xiàn)就職于國家能源集團寧夏電力有限公司，主要從事火力發(fā)電廠熱控專業(yè)管理及科技創(chuàng)新與信息化方面的研究管理。

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摘自《自動化博覽》2023年11月刊