现场总线系统在火电机组上的规模性应用201401----华电天仁

1、 现场总线系统在火电机组上的 规模性应用 北京华电天仁电力控制技术有限公司 2014年2月概述 现场总线（Fieldbus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。 现代火力发电机组，特别是大容量、高参数机组，其复杂程度越来越高，对这样的机组的操作、控制和检修的要求也越来越高。传统的控制系统信息只限于单一过程测点，造成了大量设备管理信息和有效维修信息的缺失，因此很难对机组的优化操作、优化检修起到有效的指导作用。概述概述 基于现场总线技术的仪控系统，凭借其强大的现场总线

2、支持功能和日益丰富的智能现场仪表和设备，将传统控制系统信息采集、诊断监控范围大大扩展，从而可以有效地获取现场设备的管理和维修信息。通过高速通信网络，可以将这些信息送到SIS 等上层信息系统，通过分析诊断帮助机组优化控制，为机组状态检修奠定基础，从而解决电厂的“信息盲区”。现场总线标准1999年，国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）决定，将以下八种现场总线作为IEC61158现场总线标准：FF H1、ControlNet、Profibus、Interbus、P-Net、WorldFIP、SwiftNet、FF HSE，从而形

3、成了多种现场总线共存的局面。 八种现场总线类型中适合过程自动化的有三种即Profibus、FF(基金会现场总线)和WorldFIP。除WorldFIP外，前两者均在大型电厂过程控制中有了广泛应用。国电肇庆项目采用Profibus总线标准。 技术发展 4-20mA HART Fieldbus4.20 mAProfibus 在现场总线系统中的应用光缆光缆DCS就地就地Profibus PA (1900 m, 31.25 kbps)Profibus DP (400 m, 500 kbps)现场通讯柜现场通讯柜现场总线的优势ADADCPUCPUCPUCPU0-6553510-38-10+38DAAD1

4、、数值传输精确、控制稳定开关状态、报警状态设备的资源信息与维护信息、零点量程调校信息系统组态、参数修改信息等2、数据信息丰富现场总线的优势现场总线的优势 现场总线仅依靠两芯电缆以数字信号方式与链路上所有的现场设备进行数据交换,替代传统硬接线点到点以模拟信号方式(4-20 mA / 0-10V / DC24V) 监控现场设备3、电缆减少、接线简化、施工方便Profibus DCSDP传统传统 DCS传统传统IO模件模件 A/D转换转换现场接线盒现场接线盒传统接线端子块传统接线端子块端子柜端子柜/继电器柜继电器柜区别区别?现场总线的优势 现场线技术的一个重要的特点是不仅能够传送过程I/O信号，也能

5、够将非过程数据通过总线进行传送。通过设备管理软件可以直接与遍及全厂的设备进行对话。 现场总线可从现场设备和仪表取得更多的维护诊断数据。自诊断例行程序对设备的健康状况进行检查。通过先进的自诊断功能找出设备的故障，可以方便工作人员对设备的故障分析及维修管理，并制定科学详细的作业计划，缩短维修时间，降低维修成本等。它将为整个工厂在生命周期内节约设备运行及维护成本。4、网络化的设备管理与诊断现场总线应用现状 现场总线技术自上世纪80年代年被提出以来，已经经历了近30年的发展。目前，现场总线技术已经在全世界包括石油、化工、冶金、制造、医药、楼宇、物流等多种行业内取得了广泛应用。国外电厂现场总线发展情况

6、德国尼德豪森电厂（2900MW级），被控对象采用了Profibus-DP协议，仪表也全部采用了Profibus-PA协议，每台单元机组的现场总线仪表与控制设备数量约有6700个，两台机组已经在2011年6月和12月分别投产。国内电厂现场总线发展情况 近几年，国内已有相当一部分燃煤电厂在辅助车间和主控系统采用了现场总线技术，目前均已投产，运行良好。 华能玉环电厂（21000MW）化学水处理、工业废水系统；广东河源电厂（2 600MW）净废水处理系统；华能巢湖电厂（2 600MW）化学水处理系统；华能九台电厂（2 600MW）水、煤、灰、全厂辅助车间系统；国华宁海电厂（21000MW）的脱硫系统；

7、河北三河电厂（2 350MW）的热网系统；天津北疆电厂（21000MW）的热网系统等；国内电厂现场总线发展情况目前全厂范围运用现场总线的有：华能九台电厂（2600MW超临界机组）；华能金陵电厂（21000MW超超临界机组）；国电肇庆热电有限公司（ 2350MW超临界机组）。国电肇庆现场总线应用情况 国电肇庆热电有限公司（2*350MW超临界火电机组）是国电集团公司在国内建设的第一个绿色示范性电站，也是国电科技环保集团股份有限公司多种科技创新技术运用到该电站的项目。该项目是现场总线系统规模性国产化解决方案在国内电厂的首次应用。北京华电天仁电力控制技术公司是此次现场总线项目的主要负责单位 。 国电

8、肇庆热电有限公司#1、#2机组分别于2013年9月3日和2013年10月 1日顺利通过了168小时满负荷试运行。国电肇庆现场总线应用情况 国电肇庆热电有限公司是国电集团第一个全厂采用现场总线技术的分层分级网络结构的数字化电站。全厂网络由厂级管理信息系统（MIS）、厂级监控信息系统（SIS）、分散控制系统（DCS）、现场总线控制系统（FCS）构成。为了实现数字化电厂管理，机组主控的机、炉、电以及其辅助系统均采用现场总线设计方案。国电肇庆数字化网络配置图国电肇庆现场总线应用情况 DCS系统采用国电智深基于PR0FIBUS总线技术的EDPF-NT+控制系统，两台机组共使用了59对冗余控制器(不包含D

9、EH控制器)，连接了81对PB卡，用作现场总线网络的PROFIBUS主站。 单元机组锅炉侧现场总线控制柜24面，汽机侧现场总线控制柜19面，电气侧现场总线控制柜3面。公用系统现场总线控制柜6面（包括循环水泵房、供热系统、空压机房、氨区等系统），水岛现场总线控制柜18面。两台机组共116面总线控制柜。 全厂的总线对象共计2412个Profibus-DP和Profibus-PA设备，其中DP设备包括电动执行机构、马达控制器、分析仪表、变频器、电磁流量计等。PA设备包括压力、差压变送器、温度变送器、流量计、定位器及液位计等。为了提高总线控制的可靠性，我们采取了DP冗余总线配置方案，现场DP设备选用D

10、P双冗余接口。冗余PROFIBUS网络覆盖整个单元机组的锅炉房、汽机房及电气MMC间。国电肇庆总线设备占系统设备的比例现场总线系统组成配置 全厂范围采用PROFIBUS现场总线技术。DCS要求实现与现场总线Profibus DP的无缝结合。现场驱动设备与智能仪表采用支持Profibus DP/PA协议的设备。PB卡端子接口作为FCS与DCS分界现场总线控制柜及系统回路 现场总线通信箱分布在就地设备附近，电子间控制柜引出的光纤在通信箱中经光电转换器转为DP电缆去就地连接DP从站设备或在通信箱中经耦合器转为PA电缆去就地连接PA设备。每个网段在连接完就地总线设备后都要回到通信柜中连接有源终端电阻，

11、确保网段的通信质量。国电肇庆现场总线应用情况现场总线系统构成：上位机、控制器及系统软件（包括设备管理和故障诊断软件） 现场设备日常操作，在线状态监控、设备故障报警及维护等。总线控制站（包括光电转换器、终端电阻及耦合器等） 控制站以光纤和总线电缆传输数据，主站与从站的通讯冗余，系统能安全可靠的运行。现场设备（总线型执行机构、变送器等） 智能型数字设备，高可靠性、高稳定性。设计原则 全厂范围各子系统均采用现场总线技术，以下除外： FSSS；DEH； ETS；MEH、METS等。 总线网段上可挂载的的设备最大数量受到设备通讯量、设备之间的距离、总线可分配的地址以及环境因素等影响。具体的网段设计原则如

12、下：（1）每个双Porfibus-DP总线网段，所有数量不超过12个。（2） 每个单Porfibus-DP总线网段，所有设备数量不超过12个。（3）每个Porfibus-PA总线网段，可接入的总线分支数为两个，每个PA分支的设备 数量不超过6个，总数量不超过12个。PROFIBUS-DP传输速率与电缆长度波特率(kb/s)9.6 19.245.4593.75187.550015003000600012000距离/段(m)12001000400200100肇庆现场总线网络拓扑图Profibus-DP协议，周期的和非周期的Profibus-DP协议，周期的和非周期的1、DP-V0 提供DP基本功能

13、，包括循环的数据交换，以及站诊断、模块诊断和特定通道的诊断。2、DP-V1 包含依据过程自动化的需求而增加的功能，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（类似于循环的用户数据通信）的非循环的数据通信。这样就允许用工程工具在线访问站。此外，DP-V1有三种附加的报警类型：状态报警，刷新报警和制造商专用的报警。现场总线设备介绍PB卡 本项目使用的PB卡是国电智深公司研发的Profibus主站卡，PB卡作为现场总线网络的主站，完成和总线网络从站的数据交换，并将采集的数据映射到DCS系统的以太网络中，起到协议转换的作用。且PB卡集成了一类主站和二类主站的功能，使得从站设备的控制和管

14、理功能都能通过PB卡得以实现。现场总线设备介绍现场总线控制柜DP/PA耦合器终端电阻光端盒光电转换器电源模块光电转换器光电转换器现场总线设备介绍光电转换器 由于电子间到就地通讯箱的距离比较远，Profibus-DP电缆在500Kbit/s的通讯速率下的最大传输距离只有400m（在没有使用中继器的情况下），因此需要使用光电转换器将电信号转换成光信号，延长传输距离，使用多模光纤，有效通信距离长达2km。现场总线设备介绍DP/PA耦合器 DP/PA耦合器是Profibus现场总线系统中Profibus-DP和 Profibus-PA 之间的物理连接器，可以将Profibus-DP网络转换为Profi

15、bus-PA网络。该耦合器为一分二模式，可以将单路DP网转为双路PA网络，根据需要使用PA网段的数量。现场总线设备介绍VeScon-YLink VeScon-Ylink是Profibus现场总线的专用设备，用来实现冗余Profibus- DP网段转单 DP（二合一）“Y-LINK”功能。非冗余Profibus-DP 从站可以通过YLink 模块转化为冗余接口的Profibus-DP 从站接入Profibus 冗余网络。 现场总线设备介绍终端电阻 为了减少信号反射，保障通讯质量，一般在网段的末端位置需要加设终端电阻。信号传输电路由于各种传输线都有其特性阻抗约220。当信号在传输线中传输至终端时，

16、如果它的终端阻抗和特性阻抗不同时，将会造成反射，而使信号波形失真（凹陷或凸出）。该失真的现象在传输线短时并不明显，但随着传输线的加长会更加严重，致使无法正确传输， 这时就必须加装终端电（Terminator），同时终端电阻还可以确保在没有数据传输时总线上的电压是收发器认可的零信号电压。现场总线设备介绍PA分配盒 将单根PA信号拆分为多根PA信号，用于从主干线上连接现场仪表，有1个到8个分支可选。多数接线箱带短路保护和过载保护，可提高通讯可靠性。为了最大限度的降低成本，选择现场接线箱并将其靠近现场仪表安装，以减少分支电缆长度。现场总线设备介绍现场总线设备介绍电动执行机构：ROTORK 、EMG

17、、SIPOS FLash5、AUMA、上仪阀门定位器：西门子压力、差压变送器：Rosemount、 ABB、横河EJA温度变送器和磁翻板液位计：西门子现场总线变送器。导波雷达液位计：E+H 分析仪表：哈希仪表马达控制器：四方、 西门子变频器：施耐德超声波液位计：西门子电磁流量计：E+H 阀岛：Numatics现场总线设备介绍PA设备类型为:1）变送器（压力和差压） 2）温度变送器 3）阀门定器4）电磁流量计 5）质量流量计 6）导波雷达液位计 7）超声波液位计 8）磁翻板液位计DP设备类型为： 1）电动执行机构 2）马达控制器 3）化学分析仪表（硅表，钠表，浊度计，PH计，电导计等） 4）阀岛

18、 5）变频器现场总线设备管理VeScon-AMS VeScon-AMS现场总线设备管理系统（Asset Management System）是一个成熟稳定、功能齐全的FDT容器应用程序，支持FDT V1.2和FDT V1.2.1，标准化了现场设备同主机系统之间的软件接口，提供从工程，配置到维护等任务的独立于系统的统一的解决方案，简单实用、统一的用户操作、易学易用，不依赖于通信协议和通信硬件，可以访问所有设备和过程参数，从而使得产品的维护成本更低，设备集成问题大量减少。现场总线设备管理VeScon-AMS 在现场总线系统中，二类主站可以作为设备管理站来对现场的智能控制仪表进行管理，本项目采用支持

19、FDT/DTM技术的fdtCONTAINER软件对现场设备进行管理，实现了设备的远程参数监视、修改、标定、诊断等。现场总线监视诊断系统VeScon-SDS 通过现场总线监视诊断系统（VeScon-SDS），来获取现场设备的健康状况信息，直观反映不同现场总线设备的故障原因。 国电肇庆现场总线实施与运行效果（1）缩短了安装及调试时间：大大缩短了接线的时间及设备单体调试的时 间，也节省了人力资源。常规DCS控制调试时间总线控制调试时间缩短时间4个月2个月2个月国电肇庆现场总线实施与运行效果常规DCS控制电缆总线及控制电缆造价节省650万控制电缆300万122.2万总线通讯电缆227.8万常规用工总线用工人力节省300万225万75万（2）节省了大量的电缆与安装费用及今后的维护开销，共节省：269.2万。常规DCS控制电缆总线控制电缆造价节省350万控制电缆220万30万总线通讯电缆100万常规用工总线用工人力节省170万128万42万#1机