1、 現場總線系統在火電機組上的 規模性應用 北京華電天仁電力控制技術有限公司 2014年2月概述 現場總線（Fieldbus）是近年來迅速發展起來的一種工業數據總線，它主要解決工業現場的智能化儀器儀表、控制器、執行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統之間的信息傳遞問題。 現代火力發電機組，特別是大容量、高參數機組，其復雜程度越來越高，對這樣的機組的操作、控制和檢修的要求也越來越高。傳統的控制系統信息只限于單一過程測點，造成了大量設備管理信息和有效維修信息的缺失，因此很難對機組的優化操作、優化檢修起到有效的指導作用。概述概述 基于現場總線技術的儀控系統，憑借其強大的現場總線

2、支持功能和日益豐富的智能現場儀表和設備，將傳統控制系統信息采集、診斷監控范圍大大擴展，從而可以有效地獲取現場設備的管理和維修信息。通過高速通信網絡，可以將這些信息送到SIS 等上層信息系統，通過分析診斷幫助機組優化控制，為機組狀態檢修奠定基礎，從而解決電廠的“信息盲區”。現場總線標準1999年，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）決定，將以下八種現場總線作為IEC61158現場總線標準：FF H1、ControlNet、Profibus、Interbus、P-Net、WorldFIP、SwiftNet、FF HSE，從而形

3、成了多種現場總線共存的局面。 八種現場總線類型中適合過程自動化的有三種即Profibus、FF(基金會現場總線)和WorldFIP。除WorldFIP外，前兩者均在大型電廠過程控制中有了廣泛應用。國電肇慶項目采用Profibus總線標準。 技術發展 4-20mA HART Fieldbus4.20 mAProfibus 在現場總線系統中的應用光纜光纜DCS就地就地Profibus PA (1900 m, 31.25 kbps)Profibus DP (400 m, 500 kbps)現場通訊柜現場通訊柜現場總線的優勢ADADCPUCPUCPUCPU0-6553510-38-10+38DAAD1

4、、數值傳輸精確、控制穩定開關狀態、報警狀態設備的資源信息與維護信息、零點量程調校信息系統組態、參數修改信息等2、數據信息豐富現場總線的優勢現場總線的優勢 現場總線僅依靠兩芯電纜以數字信號方式與鏈路上所有的現場設備進行數據交換,替代傳統硬接線點到點以模擬信號方式(4-20 mA / 0-10V / DC24V) 監控現場設備3、電纜減少、接線簡化、施工方便Profibus DCSDP傳統傳統 DCS傳統傳統IO模件模件 A/D轉換轉換現場接線盒現場接線盒傳統接線端子塊傳統接線端子塊端子柜端子柜/繼電器柜繼電器柜區別區別?現場總線的優勢 現場線技術的一個重要的特點是不僅能夠傳送過程I/O信號，也能

5、夠將非過程數據通過總線進行傳送。通過設備管理軟件可以直接與遍及全廠的設備進行對話。 現場總線可從現場設備和儀表取得更多的維護診斷數據。自診斷例行程序對設備的健康狀況進行檢查。通過先進的自診斷功能找出設備的故障，可以方便工作人員對設備的故障分析及維修管理，并制定科學詳細的作業計劃，縮短維修時間，降低維修成本等。它將為整個工廠在生命周期內節約設備運行及維護成本。4、網絡化的設備管理與診斷現場總線應用現狀 現場總線技術自上世紀80年代年被提出以來，已經經歷了近30年的發展。目前，現場總線技術已經在全世界包括石油、化工、冶金、制造、醫藥、樓宇、物流等多種行業內取得了廣泛應用。國外電廠現場總線發展情況

6、德國尼德豪森電廠（2900MW級），被控對象采用了Profibus-DP協議，儀表也全部采用了Profibus-PA協議，每臺單元機組的現場總線儀表與控制設備數量約有6700個，兩臺機組已經在2011年6月和12月分別投產。國內電廠現場總線發展情況 近幾年，國內已有相當一部分燃煤電廠在輔助車間和主控系統采用了現場總線技術，目前均已投產，運行良好。 華能玉環電廠（21000MW）化學水處理、工業廢水系統；廣東河源電廠（2 600MW）凈廢水處理系統；華能巢湖電廠（2 600MW）化學水處理系統；華能九臺電廠（2 600MW）水、煤、灰、全廠輔助車間系統；國華寧海電廠（21000MW）的脫硫系統；

7、河北三河電廠（2 350MW）的熱網系統；天津北疆電廠（21000MW）的熱網系統等；國內電廠現場總線發展情況目前全廠范圍運用現場總線的有：華能九臺電廠（2600MW超臨界機組）；華能金陵電廠（21000MW超超臨界機組）；國電肇慶熱電有限公司（ 2350MW超臨界機組）。國電肇慶現場總線應用情況 國電肇慶熱電有限公司（2*350MW超臨界火電機組）是國電集團公司在國內建設的第一個綠色示范性電站，也是國電科技環保集團股份有限公司多種科技創新技術運用到該電站的項目。該項目是現場總線系統規模性國產化解決方案在國內電廠的首次應用。北京華電天仁電力控制技術公司是此次現場總線項目的主要負責單位 。 國電

8、肇慶熱電有限公司#1、#2機組分別于2013年9月3日和2013年10月 1日順利通過了168小時滿負荷試運行。國電肇慶現場總線應用情況 國電肇慶熱電有限公司是國電集團第一個全廠采用現場總線技術的分層分級網絡結構的數字化電站。全廠網絡由廠級管理信息系統（MIS）、廠級監控信息系統（SIS）、分散控制系統（DCS）、現場總線控制系統（FCS）構成。為了實現數字化電廠管理，機組主控的機、爐、電以及其輔助系統均采用現場總線設計方案。國電肇慶數字化網絡配置圖國電肇慶現場總線應用情況 DCS系統采用國電智深基于PR0FIBUS總線技術的EDPF-NT+控制系統，兩臺機組共使用了59對冗余控制器(不包含D

9、EH控制器)，連接了81對PB卡，用作現場總線網絡的PROFIBUS主站。 單元機組鍋爐側現場總線控制柜24面，汽機側現場總線控制柜19面，電氣側現場總線控制柜3面。公用系統現場總線控制柜6面（包括循環水泵房、供熱系統、空壓機房、氨區等系統），水島現場總線控制柜18面。兩臺機組共116面總線控制柜。 全廠的總線對象共計2412個Profibus-DP和Profibus-PA設備，其中DP設備包括電動執行機構、馬達控制器、分析儀表、變頻器、電磁流量計等。PA設備包括壓力、差壓變送器、溫度變送器、流量計、定位器及液位計等。為了提高總線控制的可靠性，我們采取了DP冗余總線配置方案，現場DP設備選用D

10、P雙冗余接口。冗余PROFIBUS網絡覆蓋整個單元機組的鍋爐房、汽機房及電氣MMC間。國電肇慶總線設備占系統設備的比例現場總線系統組成配置 全廠范圍采用PROFIBUS現場總線技術。DCS要求實現與現場總線Profibus DP的無縫結合。現場驅動設備與智能儀表采用支持Profibus DP/PA協議的設備。PB卡端子接口作為FCS與DCS分界現場總線控制柜及系統回路 現場總線通信箱分布在就地設備附近，電子間控制柜引出的光纖在通信箱中經光電轉換器轉為DP電纜去就地連接DP從站設備或在通信箱中經耦合器轉為PA電纜去就地連接PA設備。每個網段在連接完就地總線設備后都要回到通信柜中連接有源終端電阻，

11、確保網段的通信質量。國電肇慶現場總線應用情況現場總線系統構成：上位機、控制器及系統軟件（包括設備管理和故障診斷軟件） 現場設備日常操作，在線狀態監控、設備故障報警及維護等。總線控制站（包括光電轉換器、終端電阻及耦合器等） 控制站以光纖和總線電纜傳輸數據，主站與從站的通訊冗余，系統能安全可靠的運行。現場設備（總線型執行機構、變送器等） 智能型數字設備，高可靠性、高穩定性。設計原則 全廠范圍各子系統均采用現場總線技術，以下除外： FSSS；DEH； ETS；MEH、METS等。 總線網段上可掛載的的設備最大數量受到設備通訊量、設備之間的距離、總線可分配的地址以及環境因素等影響。具體的網段設計原則如

12、下：（1）每個雙Porfibus-DP總線網段，所有數量不超過12個。（2） 每個單Porfibus-DP總線網段，所有設備數量不超過12個。（3）每個Porfibus-PA總線網段，可接入的總線分支數為兩個，每個PA分支的設備 數量不超過6個，總數量不超過12個。PROFIBUS-DP傳輸速率與電纜長度波特率(kb/s)9.6 19.245.4593.75187.550015003000600012000距離/段(m)12001000400200100肇慶現場總線網絡拓撲圖Profibus-DP協議，周期的和非周期的Profibus-DP協議，周期的和非周期的1、DP-V0 提供DP基本功能

13、，包括循環的數據交換，以及站診斷、模塊診斷和特定通道的診斷。2、DP-V1 包含依據過程自動化的需求而增加的功能，特別是用于參數賦值、操作、智能現場設備的可視化和報警處理等（類似于循環的用戶數據通信）的非循環的數據通信。這樣就允許用工程工具在線訪問站。此外，DP-V1有三種附加的報警類型：狀態報警，刷新報警和制造商專用的報警。現場總線設備介紹PB卡 本項目使用的PB卡是國電智深公司研發的Profibus主站卡，PB卡作為現場總線網絡的主站，完成和總線網絡從站的數據交換，并將采集的數據映射到DCS系統的以太網絡中，起到協議轉換的作用。且PB卡集成了一類主站和二類主站的功能，使得從站設備的控制和管

14、理功能都能通過PB卡得以實現。現場總線設備介紹現場總線控制柜DP/PA耦合器終端電阻光端盒光電轉換器電源模塊光電轉換器光電轉換器現場總線設備介紹光電轉換器 由于電子間到就地通訊箱的距離比較遠，Profibus-DP電纜在500Kbit/s的通訊速率下的最大傳輸距離只有400m（在沒有使用中繼器的情況下），因此需要使用光電轉換器將電信號轉換成光信號，延長傳輸距離，使用多模光纖，有效通信距離長達2km。現場總線設備介紹DP/PA耦合器 DP/PA耦合器是Profibus現場總線系統中Profibus-DP和 Profibus-PA 之間的物理連接器，可以將Profibus-DP網絡轉換為Profi

15、bus-PA網絡。該耦合器為一分二模式，可以將單路DP網轉為雙路PA網絡，根據需要使用PA網段的數量。現場總線設備介紹VeScon-YLink VeScon-Ylink是Profibus現場總線的專用設備，用來實現冗余Profibus- DP網段轉單 DP（二合一）“Y-LINK”功能。非冗余Profibus-DP 從站可以通過YLink 模塊轉化為冗余接口的Profibus-DP 從站接入Profibus 冗余網絡。 現場總線設備介紹終端電阻 為了減少信號反射，保障通訊質量，一般在網段的末端位置需要加設終端電阻。信號傳輸電路由于各種傳輸線都有其特性阻抗約220。當信號在傳輸線中傳輸至終端時，

16、如果它的終端阻抗和特性阻抗不同時，將會造成反射，而使信號波形失真（凹陷或凸出）。該失真的現象在傳輸線短時并不明顯，但隨著傳輸線的加長會更加嚴重，致使無法正確傳輸， 這時就必須加裝終端電（Terminator），同時終端電阻還可以確保在沒有數據傳輸時總線上的電壓是收發器認可的零信號電壓。現場總線設備介紹PA分配盒 將單根PA信號拆分為多根PA信號，用于從主干線上連接現場儀表，有1個到8個分支可選。多數接線箱帶短路保護和過載保護，可提高通訊可靠性。為了最大限度的降低成本，選擇現場接線箱并將其靠近現場儀表安裝，以減少分支電纜長度。現場總線設備介紹現場總線設備介紹電動執行機構：ROTORK 、EMG

17、、SIPOS FLash5、AUMA、上儀閥門定位器：西門子壓力、差壓變送器：Rosemount、 ABB、橫河EJA溫度變送器和磁翻板液位計：西門子現場總線變送器。導波雷達液位計：E+H 分析儀表：哈希儀表馬達控制器：四方、 西門子變頻器：施耐德超聲波液位計：西門子電磁流量計：E+H 閥島：Numatics現場總線設備介紹PA設備類型為:1）變送器（壓力和差壓） 2）溫度變送器 3）閥門定器4）電磁流量計 5）質量流量計 6）導波雷達液位計 7）超聲波液位計 8）磁翻板液位計DP設備類型為： 1）電動執行機構 2）馬達控制器 3）化學分析儀表（硅表，鈉表，濁度計，PH計，電導計等） 4）閥島

18、 5）變頻器現場總線設備管理VeScon-AMS VeScon-AMS現場總線設備管理系統（Asset Management System）是一個成熟穩定、功能齊全的FDT容器應用程序，支持FDT V1.2和FDT V1.2.1，標準化了現場設備同主機系統之間的軟件接口，提供從工程，配置到維護等任務的獨立于系統的統一的解決方案，簡單實用、統一的用戶操作、易學易用，不依賴于通信協議和通信硬件，可以訪問所有設備和過程參數，從而使得產品的維護成本更低，設備集成問題大量減少。現場總線設備管理VeScon-AMS 在現場總線系統中，二類主站可以作為設備管理站來對現場的智能控制儀表進行管理，本項目采用支持

19、FDT/DTM技術的fdtCONTAINER軟件對現場設備進行管理，實現了設備的遠程參數監視、修改、標定、診斷等。現場總線監視診斷系統VeScon-SDS 通過現場總線監視診斷系統（VeScon-SDS），來獲取現場設備的健康狀況信息，直觀反映不同現場總線設備的故障原因。 國電肇慶現場總線實施與運行效果（1）縮短了安裝及調試時間：大大縮短了接線的時間及設備單體調試的時 間，也節省了人力資源。常規DCS控制調試時間總線控制調試時間縮短時間4個月2個月2個月國電肇慶現場總線實施與運行效果常規DCS控制電纜總線及控制電纜造價節省650萬控制電纜300萬122.2萬總線通訊電纜227.8萬常規用工總線用工人力節省300萬225萬75萬（2）節省了大量的電纜與安裝費用及今后的維護開銷，共節省：269.2萬。常規DCS控制電纜總線控制電纜造價節省350萬控制電纜220萬30萬總線通訊電纜100萬常規用工總線用工人力節省170萬128萬42萬#1機