田小兵，柯尊光，趙新成

(1.西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021；2.神華神東電力重慶萬州港電有限責(zé)任公司，重慶 404027)

1 總線閥島的特點(diǎn)

現(xiàn)場總線的重要特點(diǎn)之一，就是設(shè)備的智能化，它可以將現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)和診斷信息傳輸至控制室，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的“設(shè)備故障檢修”到“設(shè)備狀態(tài)維護(hù)”的轉(zhuǎn)變，大量現(xiàn)場實(shí)時信息為管理決策也提供了基礎(chǔ)和依據(jù)?，F(xiàn)場總線智能閥島產(chǎn)品，通過非周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換可以提供十分豐富的設(shè)備診斷信息，主要包括：①總線通訊狀態(tài)；②閥島的供氣或供電故障；③信號的短路、開路檢測；④模塊故障信息等等。這些信息，不論是傳統(tǒng)的單點(diǎn)連接方式還是多針閥島，都是無法獲取的。

此外，閥島可配置各種模塊化的輸入輸出模塊，比如模擬量、數(shù)字量輸入輸出模塊等，這些模塊能接收的信號類型與DCS/PLC中使用的I/O模件沒有差別，因此像檢測氣缸活塞位置的行程開關(guān)、或者是現(xiàn)場零散的硬接線儀表信號都可以直接連接到就近布置的閥島輸入輸出模塊上，這樣可以有效縮短現(xiàn)場一次元件與執(zhí)行設(shè)備到控制系統(tǒng)DCS/PLC的信號電纜長度。一般單個閥島最大可支持32個電磁閥線圈以及16個I/O模件。

2 總線閥島在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用

2.1 使用場合

火力發(fā)電廠的水處理(化學(xué)制水、廢水處理等)車間、除灰系統(tǒng)分布著數(shù)量眾多的氣動閥，氣動閥的驅(qū)動氣源通過電磁閥來控制，傳統(tǒng)方案是將電磁閥分組集中安裝于就地電磁閥箱內(nèi)，閥行程位置信號也接入電磁閥箱內(nèi)端子排，在電磁閥箱內(nèi)匯總位置反饋和電磁閥驅(qū)動信號后再送DCS/PLC機(jī)柜，這些系統(tǒng)適合采用現(xiàn)場總線閥島。主廠房區(qū)域除大量集中布置的二位式動作氣動閥(如鍋爐燃燒器冷卻系統(tǒng)氣動閥)外，其余氣動閥物理位置及系統(tǒng)歸屬都比較分散，采用現(xiàn)場總線閥島并不經(jīng)濟(jì)，不建議采用現(xiàn)場總線閥島。下文擬以某1000 MW機(jī)組除灰系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線閥島為例，對其展開論述。

2.2 總線協(xié)議選擇

火力發(fā)電廠現(xiàn)場總線協(xié)議基本采用FF或(和)Profibus兩種，其中Profibus－PA和FF是專為過程自動化設(shè)計的協(xié)議，一般用于現(xiàn)場儀表。而設(shè)備級控制系統(tǒng)和分散I/O之間的通信連接一般采用Profibus－DP協(xié)議，總線閥島一般采用Profibus－DP總線協(xié)議，通過總線轉(zhuǎn)接模塊將單DP網(wǎng)段接入冗余的DP控制主站。

現(xiàn)場總線閥島支持的Profibus－DP協(xié)議主要包括DP V0及DP V1，即除了支持周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換的基本通信功能外(一般是設(shè)備描述文件GSD)，還支持非周期性循環(huán)數(shù)據(jù)交換功能(一般是設(shè)備類型管理文件DTM或電氣設(shè)備描述文件EDD)。

Profibus－DP速率可從9.6 kbps最高到12 Mbps，火力發(fā)電廠中一般選擇保證傳輸速率不低于500 kbps速率即可滿足DP設(shè)備的實(shí)時性要求。當(dāng)通訊波特率采用500 kbps、連接電纜采用A類Profibus專用屏蔽雙絞線電纜時，通信距離為400 m，即每個DP網(wǎng)段從總線通訊箱內(nèi)光電轉(zhuǎn)換器到最后的終端電阻(一般在通訊箱內(nèi))的單路總長度為400 m。

2.3 控制系統(tǒng)選擇

常見的分散控制系統(tǒng)DCS或可編程邏輯控制器PLC都支持現(xiàn)場總線，兩者在工程中的使用方法是類似的。該1000 MW機(jī)組采用了ABB的S+分散控制系統(tǒng)，支持Profibus總線。在工程實(shí)施時，將總線閥島的樣品送至DCS總線測試平臺進(jìn)行了通訊測試，現(xiàn)場設(shè)備采用測試通過的通訊及協(xié)議版本配置文件，以保證現(xiàn)場通訊兼容性。除灰系統(tǒng)單元部分配置兩對控制器，公用部分配置一對控制器。

3 除灰系統(tǒng)總線閥島工程設(shè)計

3.1 除灰系統(tǒng)主要工藝描述

除灰系統(tǒng)分為電除塵灰斗排灰和省煤器灰斗排灰兩部分，采用正壓濃相氣力輸送方式。

(1)一、二電場除灰系統(tǒng)

一、二電場由24臺MD泵組成，每6臺一組。兩個電場A(B)側(cè)6臺MD泵各合用一根輸灰管，并通過管路出口閥最終合用成一根輸灰管道，每次輸送一個電場，兩個電場MD泵交替運(yùn)行。

系統(tǒng)運(yùn)行時，MD泵入口閥打開，飛灰靠重力落入倉泵中，同時倉泵排氣閥打開排氣。當(dāng)任一倉泵內(nèi)物料充滿時，關(guān)閉入口閥和排氣閥，當(dāng)所有入口閥和排氣閥都已關(guān)閉并密封后，空氣閥打開將灰輸送到灰?guī)?。?dāng)輸送壓力下降到設(shè)定值時關(guān)閉空氣閥，輸送完成。

(2)三、四、五電場除灰系統(tǒng)

三、四、五電場輸灰系統(tǒng)分別由12臺AV泵組成，每6臺一組。三個電場A(B)側(cè)輸灰管道分別通過3臺管路出口閥合用一根輸灰管至灰?guī)?。運(yùn)行方式與一二電場類似。

(3)省煤器灰斗除灰系統(tǒng)

省煤器灰斗輸灰由16臺AV 泵組成，每8臺一組，兩組輸灰管道通過2臺管路出口閥合用一根輸灰管道輸送至省煤器灰?guī)臁?/p>

(4)庫頂管路切換系統(tǒng)

設(shè)置2個原灰?guī)旒?個細(xì)灰?guī)?，運(yùn)行過程中通過管路切換閥切換各輸灰管路，將飛灰輸送到不同的灰?guī)熘小?/p>

3.2 除灰系統(tǒng)閥島設(shè)計

按照工藝設(shè)備位置以及系統(tǒng)風(fēng)險分散的原則，將一、二電場24臺MD泵分成8組，每組配置1臺閥島，完成該組所有電磁閥控制以及料位開關(guān)信號、閥門位置信號采集。每臺閥島配一個電磁閥箱，即每三臺MD 泵配一個電磁閥箱。因此一、二電場一共設(shè)計8臺閥組、8個電磁閥箱。

三、四、五電場36臺AV泵可分成6組，每組配置1臺閥島，一共設(shè)計6臺閥組、6個電磁閥箱；省煤器灰斗輸灰系統(tǒng)16臺AV 泵組成可分成4組，每組配置1臺閥島，一共設(shè)計4臺閥組、4個電磁閥箱；灰?guī)旆殖?組，每組配置1臺閥島，一共設(shè)計2臺閥組、2個電磁閥箱。因此共設(shè)計12臺閥組、12個電磁閥箱。

同時每個電磁閥箱根據(jù)需要配置I/O模塊，用于料位開關(guān)、閥門位置信號的采集。電磁閥的型式根據(jù)閥門氣缸型式選擇，考慮到除灰系統(tǒng)閥門的響應(yīng)速度，電磁閥流量一般按照不小于2200 l/min選擇，其它應(yīng)用中流量選擇1200 l/min左右即可滿足使用。

系統(tǒng)中的壓力變送器采用Profibus－PA協(xié)議，組成PA網(wǎng)段。電動執(zhí)行器采用Profibus－DP總線協(xié)議，組成冗余DP網(wǎng)段。

詳細(xì)設(shè)計方案見表1(以一電場A側(cè)為例，其余類似)：

表1 一電場A側(cè)電磁閥箱和閥島配置

3.3 總線網(wǎng)段設(shè)計

除灰系統(tǒng)總線設(shè)備主要分布在單元機(jī)組的各電場、省煤器區(qū)域以及公用的灰?guī)靺^(qū)域，可按上述區(qū)域設(shè)置現(xiàn)場總線通訊箱以及分配總線網(wǎng)段，共設(shè)置5面通訊箱、劃分為15個網(wǎng)段。各通訊箱兩路交流電源進(jìn)線，內(nèi)部配置電源模塊、光電轉(zhuǎn)換器、有源終端電阻、DP/PA耦合器模塊、RLM轉(zhuǎn)換模塊以及專用連接端子等，通訊箱布置在現(xiàn)場。根據(jù)工藝系統(tǒng)及布置位置統(tǒng)計的除灰系統(tǒng)總線設(shè)備數(shù)量見表2，以1號機(jī)組電場區(qū)域總線通訊箱為例，其網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖1。

表2 除灰系統(tǒng)總線設(shè)備網(wǎng)段劃分

圖1 1號機(jī)組電場區(qū)域總線通訊箱網(wǎng)段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.4 總線網(wǎng)段通訊質(zhì)量測試

為了保證現(xiàn)場總線設(shè)備通信穩(wěn)定，調(diào)試及試運(yùn)期階段需要對每條現(xiàn)場總線網(wǎng)段進(jìn)行通信質(zhì)量檢測，通過物理、通信報文、通信電壓及通信波形檢測等方式逐一驗(yàn)證網(wǎng)段設(shè)計和現(xiàn)場施工的合理性和準(zhǔn)確性。圖2是除灰系統(tǒng)某一閥島網(wǎng)段的電壓和波形圖，可見設(shè)備的通信電壓均接近正常5V電壓范圍，波形為正常方波，故驗(yàn)證了該網(wǎng)段設(shè)計和通信正常。

圖2 總線閥島網(wǎng)段通信質(zhì)量測試(電壓、波形圖)

4 結(jié)語

現(xiàn)場總線閥島，兼具閥島和總線技術(shù)之長，其技術(shù)特點(diǎn)決定了它非常適合在水處理、除灰等車間推廣應(yīng)用，其安裝調(diào)試簡便，經(jīng)濟(jì)效益可觀，有望成為未來火力發(fā)電廠的主流選擇。本文提及的百萬機(jī)組應(yīng)用上述總線方案后控制系統(tǒng)、現(xiàn)場管路、電纜均得到了簡化，通過比較，工程節(jié)省常規(guī)電纜約55%、橋架約40%、安裝工程量減少約1/3。工程自投產(chǎn)以來，該系統(tǒng)運(yùn)行良好，為電廠管控人員帶來新技術(shù)便利的同時，也驗(yàn)證了設(shè)計方案的合理性。