电厂迈入现场总线技术新时代.pdf

墨 麦旦 D o i ： 1 0 3 9 6 9 4 i s s n 1 6 7 1 1 0 4 1 2 0 1 3 0 1 0 0 1 电厂迈入现场总线技术新时代 口综述 口 郑慧莉 ( 电力规划设计总院， 北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘要 ： 本文介绍了现场总线技术常用的几种标准 ， 分析了现场总线技术在国内电厂应用的案例， 针对 国内电厂实际情况提出 了现场总线技术发展的前景和应用建议。 关键词 ： 电 现场总线技术； 应用 中图分类号： T P 2 7 3 文献标志码： A P o we r p la n t p r o ce e d in g t o n e w a g e o f f ie ld b us t e chn o lo g y a p p lica t io n ZHEN G Hui一 ( Ele ct r ic P o we r P la n n in g &En g in e e r in g I n s t it u t e ， Be i j in g 1 0 0 1 2 0 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： I n t h i s a r t i c l e， s e v e r a l p r o f i b u s t e c h n o l o g y s t an d a r d s a r e i n t r o du c e d， a p p l i c a t i o n s t a t u s o f p r o f i b u s t e c h n o l o g y a t h ome i s a n a l y s e d， d e s i g n s c h e me an d o v e r a l l ar c h i t e c t u r e o f Au t o ma t i c Pl a n t St a r t u p an d Sh u t d o wn S y s t e m i n a r e p r e s e n t a t i v e h ome br e d u n i t a r e i n t r od u ce d， a n d s u g g e s t i on s f o r ap p l y i n g p r o f i b u s t e c h n o l o g y a r e p r o p o s ed Ke y wor ds ： p o we r p l a n t ； f i el d b u s t e chn OI O g y ： a p p I i c a t i O n O 引言 建设现代化数字电厂离不开现场总线技术。 根据国 际电T委员会I E C 6 1 1 5 8 定义： 安装在制造或过程区域的现 场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式 、 串行、 多点通信数据总线称为现场总线。现场总线技术在我国石 油、 化工、 冶金等行业已有广泛的应用和成熟的业绩， 在电 力行业的应用业绩也逐渐增多， 范围也越来越大， 逐步由 辅助车间系统的应用扩展到主厂房内各工艺系统， 电厂正 迈向现场总线技术应用的新时代。 现场总线技术与常规分散控制系统( DC s ) 或可编程 控制器( P L C ) 相比， 具有非常突出的特点， 即开放性、 数字 化、 双向通信、 多站点、 互操作性、 智能化等。 采用现场总 线技术后， 使控制系统从设计、 安装、 运行到检修维护， 都 具有优越性。 现场总线技术不仅仅节省了电缆、 桥架等工 程量， 还能给电厂带来信息化的好处， 现场总线型智能设 备可以将大量现场信息送至电厂管理信息网， 实现电厂综 合自动化， 同时使电厂在其生命周期内的投资大大低于常 规D C S 或P L C ， 具有长期的综合经济效益I 1 。 大中型火力发电厂设计规范 ( G B 5 0 6 6 0 2 0 1 1 ) 的仪 表与控制章节中提到如果技术经济论证合理， 电厂辅助车 间控制系统和机组控制系统可采用基于现场总线的D C S 或 P L C 方案来实现相应的监控功能， 表明了对电厂应用现场 总线技术的肯定 】 。 1 现场总线技术标准 现场总线标准共有2 0 种之多， 目前还没有一种现场总线 能覆盖所有的工程应用， 各行各业必须根据自身的特点选择 适用的现场总线标准。 以下就电力行业应用较多的基金会现 场总线、 生产过程现场总线等协议标准做简单介绍。 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 1 1 F F 基金会现场总线 F F ( F ie ld b u s F o u n d a t i o n ) 现场总线标准是现场总线基金 会组织开发的， 综合了通信技术和DC S 技术， 是为适应生 产自动化系统 ， 尤其是过程 自动化而设计的。 它是电厂控 制系统应用较多的现场总线技术之一。 F F 现场总线最早分为低速HI 和高速H2 两种通信速 率， 后来H2 逐渐由高速以太网HS E 替代。 H1 总线支持多种传输媒体 ： 双绞线 、 光缆和无线媒 体。 传输速率为3 1 2 5 k b s ， 通信距离( 采用A 型电缆) 最大为 1 9 0 0 m， 若采用中继器最长可至9 5 0 0 m。 网络拓扑有总线 型、 树形、 菊花链型等。 F F HS E 标准是采用高速以太网技术开发的， 作为现 场总线技术控制级以上通信网络的主干网。 HS E 网络遵循 标准以太网规范， 并根据过程控制需要适当增加了一些功 能， 但这些增加的功能可以在标准的以太网结构框架内无 缝地进行操作， 因而F F HS E 总线可以使用当前流行的商用 以太网设 备， 通讯 速率为1 0 0 Mb p s 。 在F F 现场总线系统中， HS E 作为控制层的网络， H1 作 为现场级的网络， 组成完整的控制系统 。 1 2 P r o fib u s 生产过程现场总线 P r o f i b u s ( P r o ce s s F i e ld b u s ) 现场总线是由十i 家工业企 业和五家科研机构在德 国联合开发的， 广泛应用于制造 业、 过程控制和楼宇、 交通、 电力等领域 自动化， 特别适用 于过程自动化领域。 P r o f ib u s 实现了过程现场设备层到车 间级的分散式数字控制和现场通信网络化， 从而为实现工 厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。 其罔际组织P r o f i b u s 于1 9 9 5 年建立。 P r o fi b u s 针对不同的应 用需要推 出了 种 协议类 型： P r u f ib u s F MS ， P r o fih u s D P ， EI C V0 1 2 0 2 01 3 No 1 5 口综述口 P r o f ib u s P A。 P r o fi b u s F MS 是第一个P r o f i b u s 通信协议， 定义了主站 与主站之间的通信， 根据I S O O S I 参考模型定义了物理层、 链路层和应用层。P r o f ib u s 与以太网技术相结合， 提出了 P r o fiN e t 解决方案， 并逐渐取代了P r o fib u s F MS 。 P r o fi b u s D P 是一种高速低成本通信系统， 主要应用于 自动化系统中单元级和现场设备级通讯， 用于总线主站与 其所属从站设备之间进行简单、 快速、 循环和时间确定性 的过程数据的交换。 它按照I S O OS I 参考模型定义了物理 层、 数据链路层和用户接口， 传输技术采用R S 一 4 8 5 双绞线 电缆和光缆， 波特率从9 6 K b p s l J l2 Mb p s ， 支持单主或多主 系统令牌传输方式， 总线上最大站点数为1 2 6 o 采用双绞 线最大通讯距离为1 2 0 0 m， 若采用中继器可延长至1 0 k i n， 采用光 纤则距 离可延长至 几十公里且可达 到1 2 Mb p s 的通 讯速率 。 P r o fi b u s D P 现在有三种功能版本可供使用， 分别为： D P V 0 提供D P 基本功能， 包括循环数据交换、 站诊 断、 模块诊断和特定通道诊断； D P - V1 提供过程自动化需求而增加的功能， 特别是用 于参数赋值、 操作、 智能现场设备的可视化和报警处理等 非循环数据通信。 它允许用工程工具在线访问站。 此外， D P - V1 有三种附加报警类型： 状态报警、 刷新报警和制造 商专用报警； D P V 2 包括主要依据驱动技术的需求而增加的其他 功能。 如同步从站模式和从站对从站通信等， D P V 2 也可 以被实现为驱动总线， 用于控制驱动轴的快速运动时序。 P r o fib u s P A( P r o ce s s A u t o ma t i o n ) 主要侧重于过程自动 化设计， 可使变送器与执行器连接在一根总线上。 它使用 MB P ( Ma n ch e s t e r C o d e d ， B u s P o w e r e d ) 一 I S 传输技术、 通信协 议D P - V 1 版本和应用现场设备描述的P A 设备行规。 MB P 传 输技术通常用于过程自动化领域， 使用双线技术的本质安 全和总线供电， 传输速率为3 1 2 5 k b s ， 距离可达1 9 0 0 m。 每 段最多3 2 个站点。 P A 设备可通过耦合器或链接器连接到 D P 网络。 P r o f ib u s 持冗余， 从站设备可以在一条P r o f ib u s 总线 上运行， 或通过冗余接口在两条P r o fi b u s 总线上运行， 是电 厂控制系统应用较多的现场总线技术之口 。 1 - 3 其他现场总线 除了F F 与P r o f ib u s 现场总线协议之外， 在过程控制 领域特别是在电厂自动化， 应用过的现场总线类型还有 Wo r ld F I P 、 C o n t r o lN e t 等， 这些总线协议并非目前电厂主 流D C S 厂家所广泛支持的标准， 此处不再详述。 此外， 现 场总线国际标准有ccL in k 、 I E C 6 2 0 2 6 中的A s i( 德国 S i e me n s 等公司支持) 、 D e v i ce N e t ( 美R o ck w e ll公司支持) 、 S D S ( 美国H o n e y w e ll 公司支持) 与S e r i p l e x ， 还有I S O 1 1 8 9 8 的 C A N ( 1 Mb p s ) 与I S O l1 5 1 9 的C AN ( 1 2 5 k b p s ) ( 德国R o b e r t B o s ch 公司支持) ， 美国AN S I 国家标准L o n w o r k s ( 楼宇自动化用1 、 Mo d b u s R T P S 实时以太网、 I N T ER B U S 现场总线( 德国 P h o e n i x C o n t a ct 公司支持) 等 。 6 EI C Vo 1 2 0 2 0 1 3 No 1 器 菱旦 2 现场总线技术在国外电厂的应用 上世纪9 0 年代末， 现场总线技术就已经在国外一些 电厂中得到应用， 如S MAR 公司的S y s t e m3 0 2 就曾先后在 美国的S e a t t l e S t e a m、 Mo h a v e Ge n e r a t i o n P la n t 、 D u k e p o w e r O co n e e N u cle a r P o w e r P l a n t 、 墨西哥的M a z a t l a n 、 G u a y m a s 、 巴西的C E S E 等6 个电厂中的1 5 台锅炉上得到应用， 最大的 单元机组容量为1 5 8 MW。 德国尼德豪森( N ie d e r a u s s e m) 电厂较全面应用了现场 总线技术。 该电厂采用了P R O F I B U S D P 和HA R T - B U S 两 种现场总线协议。 电厂整个现场总线控制系统包括9 0 0 台 马达、 4 0 0 个电磁阀、 1 0 0 0 个阀门定位器和电动执行机构， 这些现场智能设备均通过P R O F I B U S D P 与分散处理单元 相连。 3 现场总线技术在国内的应用 现场总线技术作为一种新兴技术， 经过2 0 年的发展， 已广泛成功地应用在国内石油、 化工、 冶金、 电力、 医药、 市政工程等行业。 3 1 现场总线技术在化工行业的应用 上海赛科9 0 万吨 年乙烯工程是采用现场总线技术的 特大项目， 现场总线智能设备超过1 8 0 0 0 台、 网段数量超过 3 0 0 0 ， 现场采用隔爆型仪表， 采用F F 现场总线协议， D C S 采用E me r s o n D e l t a V ， 至今为止系统运行状况良好， 属目前 世界上规模最大的现场总线控制系统之。 中海壳牌南海8 0 万吨 年乙烯工程也是采用现场总线 技术的特大项 目， 现场总线智能设备超过3 0 0 0 0 台， 网段 数量超过3 0 0 0 ， 现场采用隔爆型仪表， 采用F F 现场总线协 议 ， D C S 采用Y o k o g a w a C E N T U M C S 3 0 0 0 ， 至今 为止 系统 运行状况良好。 与上海赛科9 0 万吨 年乙烯工程类似， 同样 是目前世界上规模最大的现场总线控制系统之一。 3 2 现场总线技术在电厂辅助系统的应用 山东莱城电厂扩建工程3 、 4 号机组采用德国西门子 T e le p e r m XP 分散控制系统， 4 0 0 V ： 以下电动机配套西门 子公司的S i mo co d e 电动机控制保护设备， 每台机组共计8 3 台电动机及电加热器通过P r o fi b u s 现场总线与T e le p e r m _ X P 相连 。 江阴夏港 电 、 6 号2 3 3 0 MW机组T程 采用F o x b 0 r o 公司的I A 分散控制系统， 3 8 0 V MC C 柜采用西门子公司的 S im o co d e 电动机保护控制设备， 通过P r o f ib u s D P 与I A 分 散控制系统相连， 6 k V 采用WD Z 4 0 0 系列国产智能装置， 重 要信号通过硬接线与分散控制系统相连， 其他信号通过 Mo d b u s 总线与I A 分散控制系统连接。 江苏望亭燃气联合循环发电)- 2 3 9 0 MW机组一 r 程控 制系统采用E me r s o n 公司的O v a t i o n 分散控制系统， 部分信 号采用F F 现场总线与D C S 连接。 浙江国华宁海发电V 4 6 0 0 MW机组工程控制系统采 用西门子T e le p e r m X P 分散控制系统， 现场总线控制范同 为闭式水系统3 4 个电动门， 现场总线标准为P r o fib u s D P ， 采用冗余总线接1：3 与T e l e p e r m - XP 连接。 器 麦 座 华能玉环电U 4 X 1 0 0 0 MW机组工程在锅炉补给水系 统、 废水系统中采用P r o fi b u s 现场总线技术。 3 3 现场 总线技术在 电厂主 工艺系统的应用 目前 围内电厂在 主工 艺系统 中较大 范围采用 基 于现 场总线的控制系统并已投入运行的有： 华能金陵电厂二期 2 I O O MW机组 工程 、 华能九台电I - 2 6 0 0 MW机组 工程 、 华能秦华电F1 X 6 0 0 MW机组工程， 尚处于工程设计实施阶 段的电厂有很多， 如神华胜利电厂 华能伊春电 大唐莒 南电 浙江台州二 福建石狮电厂等。 4 华能金陵电厂二期工程现场总线应用实例 以下以华能金陵电厂二期2 1 0 0 0 MW机组工程为例 简单介绍现场总线的配置方案。 4 1 现场总线标准选择 华能金陵二期工程通过招标确定DC s 选用 西门子 S P P A T 3 0 0 0 系统， 选用的总线协议标准为P r o f i b u s D P 及 P r o fi b u s P A。 4 2 现场总线应 用范围 该工程在电厂主工艺系统中大范围采用了现场总线控 制技术， 但考虑到机组安全、 回路响应速度和技术经济等 方面， 以下系统仍采用成熟的常规控制方式： 锅炉炉膛安全监控系统( F S S S ) q 涉及锅炉本体保护的 部分， 汽机数字电液控制系统( D E H ) 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( E T S ) ， 给 水泵汽机电液调节系统( ME H ) ， 给水泵汽机紧急跳闸系统 ( ME T s ) 以及旁路控制系统( B P C ) 。 机组事故顺序记录f s 0 E ) 要求有lms 的分辨率， 为保证 S O E 的分辨率， 仍采用专用S O E 卡。 锅炉吹灰控制、 循泵房、 燃油泵房控制采用常规D C S 远程I O 站。 现场相对集中的温度测点如炉膛壁温、 汽机和发电机 本体温度等测点， 采用智能前端设备接人D C S 。 4 3总线设备选型 DC S 厂家确定之后， 各总线设备品牌厂家送样品至西 门子公司搭建的测试平台与S P P A - T 3 0 0 0 系统做总线联通 测试。 其中有： 电动执行机构参加并通过测试的R O T O RK 、 S I P OS 、 E MG 和AU MA四家产品； 变送器参加并通过测试 的有S ie m e n s 、 A B B 和R o s e mo u n t 三家产品； 气动 阀门定位器 参加并通过测试的有S ie m e n s 和AB B 两家产品； 马达控制器 s ie me n s S imo co d e 智能马达控制器由于已有国内总线执行 经验， 且与Dcs 为同品牌产品， 无兼容性问题， 未专门做测 试。 三家国产智能马达控制器产品丹东华通、 东大金智及 苏州万龙参加并通过了测试； Ma g n e t r o l导波雷达液位计参 加并 通过测试 。 根据测试报告结果及招标情况最终确定了在该工程 所选用的总线设备的品牌及型号。 华能金陵电厂 2 台机组现场总线设备共计有1 9 6 2 台， 总线接 口为P r o f i h u s D P 4 4 现场总线网段设计 欢迎订阅 欢迎撰稿 欢迎发布产品广告信息 口综述口 按常规方案进行D C S 处理器分配， 根据控制功能将总 线设备分配至各处理器， 然后按总线网段设计原则进行设 备网段分配， 同时对现场总线柜进行初步定位， 并由西门 子公司负责计算了每个划分好的现场总线网段的扫描周 期， 其理论计算结果满足控制周期要求； 根据P r o fi b u s 总线 电缆长度设计要求检验每根总线电缆是否符合总线技术 要求。 通常一个总线网段上有多个总线型设备， 现场调试 查找设备故障较为复杂。 华能金陵电厂 2 台机组现场总线P A网段2 4 6 个， P A 分 配盒3 0 6 个， 现场总线机柜6 6 台， P A电缆数量8 0 公里。 4 5 投运情况 华能金陵电厂二期工程1 号机组于2 0 0 9 年1 2 月2 3 日 顷 利通过1 6 8 d 时连续满负荷试运行， 是国内同类型电厂在 机组控制中全面应用现场总线技术的首台机组， 2 号机组 于2 0 1 0 年1 2 月3 日 顺利通过1 6 8 b 时连续满负荷试验， 正式 投入商业运行。 至今， 系统运行效果良好 】 。 5 现场总线技术在电厂的应用展望 通过华能金陵电厂现场总线技术在机组监视、 控制系 统中的应用分析， 证明现场总线技术在电厂的运行是可靠 性的， 检测控制回路的响应速度能满足系统运行的要求。 因此， 在电厂主工艺系统中除重要的保护调节回路外应用 现场总线控制技术是可行的， 具有广阔的发展前景。 应用现场总线技术， 在项目建设期能加快施工及调试 进度， 工程造价也与采用常规技术基本相当， 项目采用现 场总线技术的范围和规模越大， 经济效益越明显。 在电厂 整个生命周期中， 利用现场总线的技术优势， 可进一步降 低运行、 维护等费用。 对于老厂改造， 尤其是需要更换电 缆及现场仪表的老厂改造工程， 更具备减少施工安装费用 及减 少施 工安装时间的优势 。 目前， 国产现场总线系列产品正在起步发展， 处于研 发一 认证一 完善的过程， 随着现场总线仪表设备的国产化进 程的加快， 相信电厂应用现场总线技术会越来越普遍。 6 结 束 语 电厂各个工艺系统中大范围采用现场总线技术是可行 的。 为保证机组安全和回路响应速度等， F S S S 中涉及锅炉 本体保护的部分、 D E H中涉及转速、 应力和负荷控制的部 分、 E T S 、 ME H、 ME T S 以及S O E 等系统不采用现场总线控 制， 仍采用常规控制方式。 国际上现场总线的标准有2 0 种之多， 迄今为止， 还没 有一种现场总线能覆盖所有的工程应用， 各个行业需要 根据自身的特点择优选择适用的现场总线标准， 根据总 线标准的含义和工程实际应用经验， F F 现场总线标准和 P r o f i b u s 现场总线标准是电厂控制系统应用较多的总线标 准， 可在今后电厂建设中采用。 应用现场总线设备管理和故障诊断软件， 可极大提升 电厂的运行和维护管理水平， 增加信息量， 从而降低运行 维护及以后改造、 扩建的成本， 可连续监测智能设备的健 康状况， 减少维修人员维护工作量， 为预防性维护提供设 EI C、 1 2 0 2 01 3 No 1 7 口综述口 备故障判断依据， 在线智能组态， 从而避免了人为失误， 提 高了维修安全性， 进一步提高电厂的信息化管理水平， 建 设数字化电厂 。目前现场总线设备管理和故障诊断软件 有： 艾默生公司研发的智能设备管理AMS 软件， 西门子公 司研发的过程设备管理S I MA T I C P D M软件。 为逐步扩大现场总线在电厂的应用范围， 可与电气专 业探讨6 I O K V 电动机纳入现场总线控制的可能性。 另外， 可进一步优化现场总线网段设计和考虑部分现场总线智 能设备国产化。 由于目前电厂尚无足够多的工程大范围应用现场总线 技术经验， 现阶段应尽量选用有经验的产品供货商， 特别 是D C S 厂家必须具备足够的电力行业现场总线应用业绩。 以确保整个现场总线控制系统能达到良好的实施效果。 工程可研阶段的设计报告书中应明确是否采用现场 总线控制技术， 若拟大范围采用现场总线控制系统， 应讨 论确定现场总线控制系统的监控范围及T程量。 口 器 麦旦 参考文 献 【 1 I华东电力设计院 东北电力设计院 场总线在火电 一 l艺系 统上的应用及研究I MI 2 0 1 1 【 2 】 中国电力企业联合会 大中型火力发电 设计规J I MI _ l E 中 国j f 戈 0 出 版 ： ， 2 0 1 1 ： 1 2 5 1 2 7 【 3 】 张思锐 F F 现场总线 系统 1 样设 计原 则和 分析I J l 自动化 博 览， 2 0 1 2 ， ( 9 ) ： 1 ( 】 一 1 0 4 【 4 l吴国良， 黄步余 F F 现场总线控制技 术在9 ( ) I ) Kt a 乙烯 r 稗中的 应用 _J 【 l 石油化 r 自动 化， 2 0 ) 5 ， ( 5 ) ： 8 1 2 5 颅 渝坪， 催逸群， j 三 春利 火电r现场总线控制系统的成功应用 中国电力 ， 2 0 0 7 ，4 0 (3 ) ： 5 6 6 0 f 6 】 裘 瑞现场控制系统 IJ 1 T i k 控制计算机， 1 9 9 9 ， ( 5 ) ： 9 1 1 华东电力设 院 华能金陵电， - 2 期 l r 程设计总结 【MI 2 0 1 1 作者简介： 郑慧莉( 1 9 6 7 一 ) ， 女， 教授级高级 I 程 师， F I DI C中国优秀苛年 咨询工程师， 2 ( 1 1 1 年中国自动化领域年度人物， 长期从事电 自动化 设 计、 研究 、 审查相咨询 T 2 作。 收稿日期： 2 ( ) 1 2 一 ( ) 8 - 2 8 我国首套获T U v 国际标准认证的安全仪表系统问世 2 0 1 2 年1 2 月1 8 日， 和利时集团 “ 流程T业功能安全高 峰论坛暨Hi a G u a r d( S I S ) 发布会” 在北京隆重举行。 此次 会议集新品展示、 技术研讨于一体。 和利时携手行业专 家、 用户、 认证机构等齐聚一堂， 就流程_T业功能安全议 题进行了深入的探讨。 会议期间， 和利时自主研发的、 中周 第一套拥有独立自主知识产权的安全仪表系统HI a G u a r d 一 经亮相， 引起了与会嘉宾的广泛关注。 Hia Gu a r d 安 全仪表系统的研发历时两年， 是国内 第一套符合I E C 6 1 5 0 8 和I E C 6 1 5 1 1 国际标准并取得T U V R h e in l a n d S I L 3 安全等级认证的安全仪表系统。 Hi a G u a r d 采用三取二带诊断 ( 2 o o 3 D) 架构， 体现在安