文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2023）11-062-05中圖分類(lèi)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(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)；工程實(shí)踐；智能電廠(chǎng)

在信息化與工業(yè)化深度融合的背景下，應對互聯(lián)網(wǎng)、大數據、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(jìn)電力行業(yè)智能轉型升級成為電廠(chǎng)發(fā)展的必然趨勢。智能化電廠(chǎng)的基礎是數字化和信息化，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統實(shí)現了現場(chǎng)級設備的數字化、網(wǎng)絡(luò )化^[1~2]，使整個(gè)電廠(chǎng)工藝流程信息和基層控制級信息數字化，可以及時(shí)、準確地掌握現場(chǎng)生產(chǎn)設備體征狀態(tài)，做到變設備故障檢修為設備狀態(tài)維護，為智能化電廠(chǎng)的實(shí)現奠定了數字化基石^[3~5]。同時(shí)，利用就地智能控制設備提供的大量實(shí)時(shí)信息進(jìn)行深度的開(kāi)發(fā)和應用，為管理決策提供了基礎和依據。

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(wàn)千瓦級間接空冷電站之一。該工程全過(guò)程借鑒世界百萬(wàn)機組先進(jìn)經(jīng)驗，融合現代信息技術(shù)，并依托現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，實(shí)現兩臺機組全部APS一鍵啟停，實(shí)現投產(chǎn)即同步建成智慧型發(fā)電企業(yè)；率先實(shí)現MIS、SIS一體化，生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)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(gè)平臺，是目前國內國產(chǎn)現場(chǎng)總線(xiàn)應用最為廣泛的電廠(chǎng)。

本文針對方家莊項目2臺百萬(wàn)機組應用PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，對其應用范圍、網(wǎng)段劃分、系統配置進(jìn)行了詳細介紹，同時(shí)對總線(xiàn)設備在安裝調試過(guò)程中出現的各類(lèi)通信及網(wǎng)絡(luò )故障進(jìn)行了故障原因診斷和分析^[6~9]，并提出了相應的優(yōu)化和解決措施，為PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在火電廠(chǎng)的安全、穩定應用提供了參考。

1　現場(chǎng)總線(xiàn)規劃方案

1.1　國產(chǎn)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的大范圍應用

本工程采用國產(chǎn)PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)系統和EDPF-NT+分散控制系統。將發(fā)電機/變壓器組和廠(chǎng)用電系統的控制、輔助車(chē)間（系統）的控制納入分散控制系統，實(shí)現爐、機、電、輔集中控制、統一值班。每臺機組設一套分散控制系統（單元機組DCS），兩臺機組公用部分設一套分散控制系統（公用DCS），輔助車(chē)間（系統）采用一套分散控制系統（輔控DCS），以彩色LCD以及彩色大屏幕液晶顯示器、鼠標為單元機組主要監視和控制手段。除功率、頻率等的數字顯示儀表外，控制室內不設置其它常規儀表和控制設備，但在DCS操作臺上配置鍋爐、汽機、發(fā)電機的硬接線(xiàn)緊急停止按鈕及重要輔機的硬接線(xiàn)操作按鈕，以保證機組在緊急情況下安全停機。DCS留有與廠(chǎng)級監控信息系統（SIS）通訊接口，機組實(shí)時(shí)信息接入SIS，電氣其它相關(guān)系統的檢修維護信息接入SIS，以用于全廠(chǎng)的信息監視和管理。

由于現場(chǎng)總線(xiàn)系統中控制設備和測量?jì)x表都是通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)與DCS分散控制系統（或PLC系統）的總線(xiàn)接口相連，這些信號不再占I/O模件的點(diǎn)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(shí)使DCS模件柜、繼電器柜的數量減少，能有效地節約集中控制室電子設備間的面積?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統的接線(xiàn)十分簡(jiǎn)單，由于一對雙絞線(xiàn)或一條光纜上通?？蓲旖佣鄠€(gè)設備，因而電纜、槽盒、電纜橋架及其安裝附件的用量將減少，連線(xiàn)設計與接頭校對的工作量也減少。當需要增加現場(chǎng)控制設備時(shí)，無(wú)需增設新的電纜，可就近連接在原有的電纜上，既節省了投資，又減少了設計、安裝的工作量。

同時(shí)由于現場(chǎng)總線(xiàn)設備的智能化、數字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的準確度，減少了傳送誤差。同時(shí)，由于系統的結構簡(jiǎn)化、設備與連線(xiàn)減少、現場(chǎng)儀表內部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了控制系統的準確性與可靠性。

通過(guò)應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，可以實(shí)現單元機組和輔助車(chē)間的監控；借助應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)采集的大量設備信息，通過(guò)對設備的性能進(jìn)行分析和對設備故障進(jìn)行診斷，可以提升發(fā)電廠(chǎng)的管理運行和維護水平。

因此本工程2×1000MW新建機組通過(guò)論證大范圍應用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)作為基礎，實(shí)現數字化電廠(chǎng)控制方案。根據統計，兩臺機組主機加公用系統（含脫硫系統、化水系統、輸煤系統、間冷系統、ECMS系統）采用總線(xiàn)技術(shù)的熱控設備（含DP設備、PA設備）約4300多臺，總線(xiàn)覆蓋率近80%，其中間冷系統是全國首次采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)?？偩€(xiàn)設備種類(lèi)包括執行機構、壓力變送器、溫度變送器、閥島、閥門(mén)定位器、馬達控制器、化學(xué)分析儀表、流量計、導波雷達液位計、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）、汽機數字電液控制系統（DEH）中涉及轉速、應力和負荷控制的基本控制部分、汽機本體緊急跳閘系統（ETS）、汽輪機監視系統（TSI）、給水泵汽機電液調節系統（MEH）、機組事故順序記錄（SOE）以及給水泵汽機緊急跳閘系統（METS）、潤滑油系統、盤(pán)車(chē)系統、高壓抗燃油系統采用常規的DCS控制外，其余系統幾乎均采用了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。

1.2　科學(xué)論證網(wǎng)段劃分原則

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

（1）PROFIBUS PA現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段拓撲結構采用樹(shù)型加分支的組合形式；PROFIBUS DP現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段拓撲采用冗余總線(xiàn)型。

（2）現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段拓撲設計時(shí)單點(diǎn)故障不能影響整個(gè)網(wǎng)段的正常運行。

（3）互為備用的現場(chǎng)儀表及相關(guān)驅動(dòng)裝置應接入不同網(wǎng)段；控制閥門(mén)和其旁路閥門(mén)（如有）應連接到不同的現場(chǎng)總線(xiàn)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(xiàn)網(wǎng)段上?？刂葡到y的設計應根據工藝流程的控制特點(diǎn)，合理配置總線(xiàn)數量和掛接的現場(chǎng)設備，以確保任何一條總線(xiàn)故障時(shí)，只產(chǎn)生工藝系統的局部故障，不會(huì )引起機組的危急狀態(tài)造成整個(gè)工藝系統停運，并將這一影響限制在最小。

1.3　采用最新技術(shù)進(jìn)行現場(chǎng)總線(xiàn)系統配置

本工程兩臺單元機組采用全廠(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)全覆蓋，通過(guò)前期的調研工作，形成本工程現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)實(shí)施保障措施、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用原則、應用范圍，主要突破在于不僅僅在單元機組采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，還在各輔助車(chē)間、輸煤程控、間冷塔、ECMS等區域系統采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。在研發(fā)階段，我們首先確定了基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的DCS系統方案，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(jìn)行首次應用。我們采用了華電天仁第三代最新版現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，并確定了本工程現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)采用PROFIBUS-DP/PA通訊協(xié)議（PROFIBUS DP現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段設計采用總線(xiàn)型拓撲結構，PROFIBUS PA采用樹(shù)型加分支的組合拓撲結構）及應用原則。與以往系統較復雜、網(wǎng)絡(luò )環(huán)節較多的問(wèn)題比較，本工程使系統更加可靠穩定。

本工程優(yōu)化DCS與PROFIBUS DP系統結構由監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、現場(chǎng)級的各個(gè)廠(chǎng)家的現場(chǎng)總線(xiàn)控制設備（電動(dòng)執行機構、變送器、馬達保護器等）組成。

監控層與中間層的DPU通過(guò)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控制模塊與現場(chǎng)的設備之間通過(guò)標準的PROFIBUS DP現場(chǎng)總線(xiàn)連接或者通過(guò)光電轉換器使用光纖連接，既可以擴展連接距離，又提高了抗干擾能力，增強了穩定性。在此方案中使用DP分支器及PA分支器，可以擴展現場(chǎng)連接設備的拓撲方式，靈活應對現場(chǎng)的使用情況?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統架構圖如圖1所示。

圖1 現場(chǎng)總線(xiàn)系統架構圖

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工程的熱控施工技術(shù)，還要掌握現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的施工技術(shù)及要點(diǎn)^[10~12]。主要有以下措施：

2.1　總線(xiàn)獨立槽盒及獨立總線(xiàn)隔板設計

在MCC電子間及大型電纜豎井內布置專(zhuān)門(mén)現場(chǎng)總線(xiàn)的獨立小槽盒，或者獨立總線(xiàn)隔板。由于現場(chǎng)限制，在一些區域無(wú)法滿(mǎn)足總線(xiàn)電纜與動(dòng)力電纜的分開(kāi)距離要求，MCC電子間進(jìn)線(xiàn)孔、電纜豎井、MCC電子間（尤其就地MCC電子小間）無(wú)法滿(mǎn)足動(dòng)力纜與DP纜60cm的分隔要求，并且并行鋪設。在這些位置增加獨立布線(xiàn)槽盒可以增強總線(xiàn)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計距離長(cháng)度及距離有限，造成總線(xiàn)系統在布置時(shí)繞行嚴重，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象。

2.3　自主創(chuàng )新采用總線(xiàn)DP電纜專(zhuān)用屏蔽接地端子卡

PROFIBUS總線(xiàn)通訊電纜的屏蔽，對于整個(gè)總線(xiàn)系統來(lái)說(shuō)非常重要。由于現場(chǎng)一些總線(xiàn)型電動(dòng)門(mén)執行器就地電動(dòng)頭為葵花盤(pán)式接線(xiàn)端子，DP電纜屏蔽層一般為金屬編織網(wǎng)，毛刺較多，執行器內接線(xiàn)空間狹小，容易出現編織網(wǎng)與電動(dòng)門(mén)內380V線(xiàn)纜碰觸，或者屏蔽層與電動(dòng)門(mén)內電路板與DP總線(xiàn)電纜自身碰觸出現短路等情況，從而出現總線(xiàn)通訊中斷、設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，我們根據實(shí)際情況，設計、創(chuàng )新研究出一種專(zhuān)門(mén)用于總線(xiàn)型執行器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(xiàn)設備因屏蔽原因導致的故障率，從而降低了設備隱患。

圖3 專(zhuān)用屏蔽接地端子接線(xiàn)圖

2.4　多次進(jìn)行施工交底及培訓，保證安裝質(zhì)量

總線(xiàn)安裝質(zhì)量決定總線(xiàn)后期運行質(zhì)量。我們曾組織三次正規培訓以及多次現場(chǎng)培訓：3次正規培訓分別在電纜敷設開(kāi)始前、總線(xiàn)接線(xiàn)開(kāi)始前以及總線(xiàn)調試開(kāi)始前，有針對性地對電建進(jìn)行培訓；培訓結束后對電建施工人員進(jìn)行考試，考試合格后方可進(jìn)行施工。保證每名施工人員都經(jīng)過(guò)培訓。

2.5　專(zhuān)門(mén)制作了“現場(chǎng)總線(xiàn)施工工序工藝卡”發(fā)放給總線(xiàn)施工人員

如圖4所示，工序工藝卡對現場(chǎng)總線(xiàn)的施工步序、工藝、檢測及調試提出了明確的要求，同時(shí)以問(wèn)題清單的形式列出了常見(jiàn)故障的診斷和處理方法，方便施工人員隨時(shí)查看，也為監督、檢查人員提供了統一的標準，為現場(chǎng)總線(xiàn)的安全可靠施工提供了保障。

圖4 現場(chǎng)總線(xiàn)施工工序工藝卡

3　精細化的調試

3.1　應用protrace總線(xiàn)通信專(zhuān)用檢測工具進(jìn)行網(wǎng)段檢測及診斷

protrace總線(xiàn)通信專(zhuān)用檢測工具可以方便地在現場(chǎng)對總線(xiàn)設備進(jìn)行實(shí)驗及調試，不僅可以對總線(xiàn)V0數據進(jìn)行測試，并且可以開(kāi)放DCG文件，將總線(xiàn)V1數據進(jìn)行解包，為AMS總線(xiàn)管理軟件的研發(fā)和使用提供了依據。protrace總線(xiàn)通信專(zhuān)用檢測工具也可以監測通信狀態(tài)和質(zhì)量并記錄能夠正常通信的總線(xiàn)設備地址，如圖5所示。

圖5 protrace檢測記錄

3.2　應用AMS現場(chǎng)總線(xiàn)設備管理系統

國電方家莊電廠(chǎng)2×1000MW機組使用了大量的現場(chǎng)總線(xiàn)設備，每臺現場(chǎng)總線(xiàn)設備都具有豐富的診斷數據，因此迫切需要對全廠(chǎng)現場(chǎng)總線(xiàn)設備的統一監管技術(shù)?，F場(chǎng)總線(xiàn)設備監管平臺（AMS）可以實(shí)現對現場(chǎng)總線(xiàn)設備故障的快速定位^[13]。如圖6所示，運行、維護人員就可以在集中控制室內隨時(shí)了解、就地控制設備和測量?jì)x表的運行及維護信息，以便及時(shí)維護、更換老化的設備，并在設備發(fā)生故障時(shí)，能夠快速查出故障點(diǎn)的位置，便于巡檢人員直接找到故障點(diǎn)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“預測維護”，可以提高機組信息化水平，為數字化電廠(chǎng)和智能電廠(chǎng)的建設奠定基礎。

圖6 AMS現場(chǎng)總線(xiàn)管理平臺

4　結語(yǔ)

國電方家莊電廠(chǎng)2×1000MW超超臨界間接空冷燃煤機組現場(chǎng)總線(xiàn)覆蓋率達80%，是國內目前總線(xiàn)應用范圍最廣的電廠(chǎng)。由于現場(chǎng)總線(xiàn)所具有的特點(diǎn)，特別是現場(chǎng)總線(xiàn)系統結構的簡(jiǎn)化，使其較傳統DCS控制系統在規劃設計、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(zhù)的優(yōu)勢；同時(shí)其結合智能儀表，集數據采集與數據分析于一體，通過(guò)與DCS系統高度融合，能夠為智能分析高層應用提供海量數據支撐，也為今后智能化電廠(chǎng)的實(shí)現提供數字化的基石。

作者簡(jiǎn)介：

倪玉偉（1985-），男，寧夏人，工程師，碩士，現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(chǎng)熱控專(zhuān)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(dòng)化博覽》2023年11月刊