论文部分内容阅读
[摘 要]本文通过介绍现场总线技术在某电厂1036MW机组海水脱硫系统中的成功应用，探讨研究了现场总线标准的选取、设计，并通过工程实际应用情况分析了现场总线的优缺点，为在火力发电厂单元机组中应用现场总线控制技术积累了宝贵的经验。
[关键词]现场总线，协议，海水脱硫，调试
中图分类号：TG334.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）11-0170-01
一.海水脱硫工艺流程及原理
该电厂作为国内首座采用海水脱硫技术、同步采用氨气脱销的绿色环保型1000MW机组电厂，采用烟气海水脱硫技术（FGD），烟气海水脱硫是用海水作为脱硫剂达到脱除烟气中SO2目的，海水对酸性气体如SO2具有很大的中和吸收能力，SO2被海水吸收后，最终产物为可溶性硫酸盐，而这些硫酸盐已经是海水的主要成分之一。某电厂采用纯海水作为吸收液。脱硫吸收剂的工艺流程主要为：流入凝汽器的海水→海水提升泵→吸收塔→曝汽池→大海；烟气的工艺流程主要为：机组引风机来的烟气→烟气烟气交换器（GGH）→吸收塔→烟囱，海水脱硫的化学反应过程如下：SO2（g）+H2O+1/2 O2→SO42-+2H+，HCO3-+H+→CO2（g+aq）+ H2O
二.脱硫岛总线控制系统简介
（一）脱硫岛DCS介绍
某电厂烟气海水脱硫控制设备为艾默生的OVATION3.2分散控制系统，该FGD控制系统与主机DCS连网， 且采用了PROFIBUS 、FF现场总线技术和常规控制相结合的控制理念，成功集成多种现场总线技术。OVATION分散控制系统支持FF、Profibus现场总线标准。系统由两对控制器和一台就地工程师/操作员站作为整套脱硫系统的控制核心，控制器连接普通I/O模块和挂接Ff和Profibus DP现场总线接口模块，通过模块扩展至多条现场总线段与现场智能设备连接。并通过一对冗余的交换机及光电转换器和主机DCS相连接，实现海水脱硫岛一点控制功能。
（二）FF及PROFIBUS DP技术协议特点
现场总线是由现场的智能设备与控制系统之间的数字式、双向、多点通信的数据总线。Ff（基金会现场总线）其前身是ISP和WorldFIP标准，分为低速H1和高速HSE两种通信速率。 H1的传输速率位31.25kbit/s，通信距离可达1.9km（可加中继器延长通信距离）。FF总线技术多用于温度、压力、液位、流量、pH/ORP、导电度、密度、浓度、阻抗等连续测量变送器，以及气动阀门定位器、电动执行机构、离散开关等控制点。很多厂家的变送器、阀门等都支持H1协议。每段Ff总线最多支持32个设备，最远距离1.9km，加中继器可延长到9.5km；支持总线冗余供电，传输速率31.25kbit/s。Ff现场总线最大的特点是在现场仪表和设备中使用功能块，即在现场直接使用包括PID在内的功能块来实现基本控制策略。FF总线设备需额外供电，供电电压为19-32VDC。
三.海水脫硫总线系统设计方案
Profibus-DP总线设计，脱硫岛DP设备使用25台常州-施耐德智能型电动执行机构、6台上海ROTOK的IQ系列电动执行机构、32台苏州万龙ST500智能型电机控制器和4台FESTO就地控制箱。共控制70个现场设备。DP总线采用DP9接头，设备信息通过OVATION系统的数字量点（LD/LP）收集并加入到控制策略中。
四.现场总线技术与DCS比较的优缺点
（一）降低电缆及工程安装成本
DCS技术从现场单体设备与系统连接都是点设备，必须有独立相应卡件，尤其是电缆的连接，因而在工程施工上需要较长的时间以及较大的人工成本，而在电缆成本也比较大。以一个普通的开关型电动执行器为例，电动执行器需提供开指令、关指令、开反馈、关反馈和过力矩动作五个数字量信息作为控制，对于DCS，一个普通的开关型电动执行器需增加的硬件是5段两芯的电缆和一块DI卡件的五个通道。而采用现场总线技术增加一个开关型电动执行器，仅仅需一段总线电缆，就能读取电动执行器的所有信息并加以控制。不需增加一块DI卡件，电缆的用量大幅减少，根据统计，使用总线方式能够节省电缆80%以上，直接降低了成本以及工程进度和人工成本。
（二）提供更多智能信息
DCS应用中，现场设备大多数只能提供0/1或4-20MA信号。当今越来越多支持现场总线技术设备的开发，其本身提供给DCS的信息越来越多。以Ff总线设备为例，OVATION对每个Ff总线设备的状态能准确读取并以PLANTWEB ALERT报警形式显示于通用的ALARM报警窗口中，对于同一段总线的设备，除了总线接口卡件默认是第一LAS（LINK ACTIVE SCHEDULER）外，系统还可在同一段总线上指定任一设备为备用LAS，从而保证通讯质量。现场信号的量程和工程单位等的转换也能在设备中完成。
（三）先进诊断，维护简单
OVATION对每个总线设备的状态能准确读取并以PLANTWEB ALERT报警形式显示于通用的ALARM报警窗口中，便于维护人员及时发现和处理故障。维护人员还可以借助AMS（ASSES MANAGER SYSTEM）系统对总线设备的状态进行更详尽的分析和判断，甚至对总线设备进行校验。
（四）可靠性高
总线设备的信息采用了数字传输方式，提高了现场信号的抗干扰能力，并克服了DCS的模/数和数/模的转换误差。在调试过程中，我们特意针对总线设备的通讯故障恢复做了测试，在对故障的DP总线设备进行断电更换后重新上电，发现DP总线设备通讯恢复一般都在十几秒以内，而且无需软件方面的操作。
五.现场调试中的应注意的技术问题
（一）总线电缆的铺设 总线设备通讯的可靠性和安全性来自总线电缆的铺设，同一类型、同方向的电缆可以放在一起一个独立的电缆槽中，如现场无电缆槽则需加套无缝钢管。不同种类的电缆相互之间必须保持一定的距离，并且当它们相互交叉时必须正交交叉，不能有任何平行（即便是很短的距离）排列，以减少通讯干扰。
（二）AMS软件的使用
AMS软件，ASESS MANAGE SYSTEM，是美国艾默生过程控制有限公司开发的智能设备管理软件，该软件可对现场智能设备进行设备管理及故障诊断，在总线设备通讯调试的初期，该软件能有效帮助建立总线设备通讯。
（三）厂家GSD文件的支持
GSD文件是总线设备和DCS系统之间的通讯规定，规定了总线设备和DCS系统之间信息类型和数量。不同的DCS厂家支持的总线设备不同，同一种总线设备也不是支持所有的软件版本号。现场调试中常因版本号不支持而导致与设备无法通讯，从而使设备无法使用。所以总线设备的调试必须严格按照DCS厂家提供的DCS系统支持的总线仪表清单及相应的版本号进行。在设备维护时也应特别注意在更换备件时GSD文件的版本号是否和原设备一致，否则将无法通讯上。
（四）DP总线设备通讯速率和地址的正确设置
同一段Profibus DP网段上的设备，必须设为相同的波特率。一般同一段Profibus DP網段上的设备的波特率我们设定为9600bit/s。Profibus DP总线设备要按照现场的物理位置合理分配地址，以提高数据通讯效率和故障查找。Profibus总线的设计还是要按照工艺来设计，对于同属于一个工艺系统的设备，如果物理空间也相近则尽可能的分布在一个网段上，同时网段设计中尽量避免互为备用的设备放在同一个网段上。
（五）更换总线设备时注意事项
DP总线设备采用DP9接头，网段设备以菊花链形式链接。每一个DP9接头中都有一个终端电阻，但一般都打在OFF位置上，只有在设备菊花链的最后一个设备的DP9接头才能将终端电阻打在ON的位置上。如果在更换DP总线设备时误将其DP9接头的终端电阻打在ON的位置上，此时排在该设备后的所有设备都将中断通讯。
结束语：某电厂的脱硫系统是国内第一次同时大规模采用Ff和Profibus DP总线设备的百万千瓦机组级海水脱硫控制系统，该控制系统具有设计创新、技术先进、数字信息丰富、易于安装等特点，系统投入运行以来，一直处理安全可靠状态。总线技术的应用大大减少了电缆铺设、安装时间和工程造价，系统控制可靠，维护量少，为以后打造数字化工厂做了大胆的尝试，积累了成功的经验。
[关键词]现场总线，协议，海水脱硫，调试
中图分类号：TG334.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）11-0170-01
一.海水脱硫工艺流程及原理
该电厂作为国内首座采用海水脱硫技术、同步采用氨气脱销的绿色环保型1000MW机组电厂，采用烟气海水脱硫技术（FGD），烟气海水脱硫是用海水作为脱硫剂达到脱除烟气中SO2目的，海水对酸性气体如SO2具有很大的中和吸收能力，SO2被海水吸收后，最终产物为可溶性硫酸盐，而这些硫酸盐已经是海水的主要成分之一。某电厂采用纯海水作为吸收液。脱硫吸收剂的工艺流程主要为：流入凝汽器的海水→海水提升泵→吸收塔→曝汽池→大海；烟气的工艺流程主要为：机组引风机来的烟气→烟气烟气交换器（GGH）→吸收塔→烟囱，海水脱硫的化学反应过程如下：SO2（g）+H2O+1/2 O2→SO42-+2H+，HCO3-+H+→CO2（g+aq）+ H2O
二.脱硫岛总线控制系统简介
（一）脱硫岛DCS介绍
某电厂烟气海水脱硫控制设备为艾默生的OVATION3.2分散控制系统，该FGD控制系统与主机DCS连网， 且采用了PROFIBUS 、FF现场总线技术和常规控制相结合的控制理念，成功集成多种现场总线技术。OVATION分散控制系统支持FF、Profibus现场总线标准。系统由两对控制器和一台就地工程师/操作员站作为整套脱硫系统的控制核心，控制器连接普通I/O模块和挂接Ff和Profibus DP现场总线接口模块，通过模块扩展至多条现场总线段与现场智能设备连接。并通过一对冗余的交换机及光电转换器和主机DCS相连接，实现海水脱硫岛一点控制功能。
（二）FF及PROFIBUS DP技术协议特点
现场总线是由现场的智能设备与控制系统之间的数字式、双向、多点通信的数据总线。Ff（基金会现场总线）其前身是ISP和WorldFIP标准，分为低速H1和高速HSE两种通信速率。 H1的传输速率位31.25kbit/s，通信距离可达1.9km（可加中继器延长通信距离）。FF总线技术多用于温度、压力、液位、流量、pH/ORP、导电度、密度、浓度、阻抗等连续测量变送器，以及气动阀门定位器、电动执行机构、离散开关等控制点。很多厂家的变送器、阀门等都支持H1协议。每段Ff总线最多支持32个设备，最远距离1.9km，加中继器可延长到9.5km；支持总线冗余供电，传输速率31.25kbit/s。Ff现场总线最大的特点是在现场仪表和设备中使用功能块，即在现场直接使用包括PID在内的功能块来实现基本控制策略。FF总线设备需额外供电，供电电压为19-32VDC。
三.海水脫硫总线系统设计方案
Profibus-DP总线设计，脱硫岛DP设备使用25台常州-施耐德智能型电动执行机构、6台上海ROTOK的IQ系列电动执行机构、32台苏州万龙ST500智能型电机控制器和4台FESTO就地控制箱。共控制70个现场设备。DP总线采用DP9接头，设备信息通过OVATION系统的数字量点（LD/LP）收集并加入到控制策略中。
四.现场总线技术与DCS比较的优缺点
（一）降低电缆及工程安装成本
DCS技术从现场单体设备与系统连接都是点设备，必须有独立相应卡件，尤其是电缆的连接，因而在工程施工上需要较长的时间以及较大的人工成本，而在电缆成本也比较大。以一个普通的开关型电动执行器为例，电动执行器需提供开指令、关指令、开反馈、关反馈和过力矩动作五个数字量信息作为控制，对于DCS，一个普通的开关型电动执行器需增加的硬件是5段两芯的电缆和一块DI卡件的五个通道。而采用现场总线技术增加一个开关型电动执行器，仅仅需一段总线电缆，就能读取电动执行器的所有信息并加以控制。不需增加一块DI卡件，电缆的用量大幅减少，根据统计，使用总线方式能够节省电缆80%以上，直接降低了成本以及工程进度和人工成本。
（二）提供更多智能信息
DCS应用中，现场设备大多数只能提供0/1或4-20MA信号。当今越来越多支持现场总线技术设备的开发，其本身提供给DCS的信息越来越多。以Ff总线设备为例，OVATION对每个Ff总线设备的状态能准确读取并以PLANTWEB ALERT报警形式显示于通用的ALARM报警窗口中，对于同一段总线的设备，除了总线接口卡件默认是第一LAS（LINK ACTIVE SCHEDULER）外，系统还可在同一段总线上指定任一设备为备用LAS，从而保证通讯质量。现场信号的量程和工程单位等的转换也能在设备中完成。
（三）先进诊断，维护简单
OVATION对每个总线设备的状态能准确读取并以PLANTWEB ALERT报警形式显示于通用的ALARM报警窗口中，便于维护人员及时发现和处理故障。维护人员还可以借助AMS（ASSES MANAGER SYSTEM）系统对总线设备的状态进行更详尽的分析和判断，甚至对总线设备进行校验。
（四）可靠性高
总线设备的信息采用了数字传输方式，提高了现场信号的抗干扰能力，并克服了DCS的模/数和数/模的转换误差。在调试过程中，我们特意针对总线设备的通讯故障恢复做了测试，在对故障的DP总线设备进行断电更换后重新上电，发现DP总线设备通讯恢复一般都在十几秒以内，而且无需软件方面的操作。
五.现场调试中的应注意的技术问题
（一）总线电缆的铺设 总线设备通讯的可靠性和安全性来自总线电缆的铺设，同一类型、同方向的电缆可以放在一起一个独立的电缆槽中，如现场无电缆槽则需加套无缝钢管。不同种类的电缆相互之间必须保持一定的距离，并且当它们相互交叉时必须正交交叉，不能有任何平行（即便是很短的距离）排列，以减少通讯干扰。
（二）AMS软件的使用
AMS软件，ASESS MANAGE SYSTEM，是美国艾默生过程控制有限公司开发的智能设备管理软件，该软件可对现场智能设备进行设备管理及故障诊断，在总线设备通讯调试的初期，该软件能有效帮助建立总线设备通讯。
（三）厂家GSD文件的支持
GSD文件是总线设备和DCS系统之间的通讯规定，规定了总线设备和DCS系统之间信息类型和数量。不同的DCS厂家支持的总线设备不同，同一种总线设备也不是支持所有的软件版本号。现场调试中常因版本号不支持而导致与设备无法通讯，从而使设备无法使用。所以总线设备的调试必须严格按照DCS厂家提供的DCS系统支持的总线仪表清单及相应的版本号进行。在设备维护时也应特别注意在更换备件时GSD文件的版本号是否和原设备一致，否则将无法通讯上。
（四）DP总线设备通讯速率和地址的正确设置
同一段Profibus DP网段上的设备，必须设为相同的波特率。一般同一段Profibus DP網段上的设备的波特率我们设定为9600bit/s。Profibus DP总线设备要按照现场的物理位置合理分配地址，以提高数据通讯效率和故障查找。Profibus总线的设计还是要按照工艺来设计，对于同属于一个工艺系统的设备，如果物理空间也相近则尽可能的分布在一个网段上，同时网段设计中尽量避免互为备用的设备放在同一个网段上。
（五）更换总线设备时注意事项
DP总线设备采用DP9接头，网段设备以菊花链形式链接。每一个DP9接头中都有一个终端电阻，但一般都打在OFF位置上，只有在设备菊花链的最后一个设备的DP9接头才能将终端电阻打在ON的位置上。如果在更换DP总线设备时误将其DP9接头的终端电阻打在ON的位置上，此时排在该设备后的所有设备都将中断通讯。
结束语：某电厂的脱硫系统是国内第一次同时大规模采用Ff和Profibus DP总线设备的百万千瓦机组级海水脱硫控制系统，该控制系统具有设计创新、技术先进、数字信息丰富、易于安装等特点，系统投入运行以来，一直处理安全可靠状态。总线技术的应用大大减少了电缆铺设、安装时间和工程造价，系统控制可靠，维护量少，为以后打造数字化工厂做了大胆的尝试，积累了成功的经验。