前言：

隨著《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（２００６－２０２０）》及《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十一個五年規劃綱要》的實施，我國電力工業的建設將繼續朝著高參數、大容量、低能耗、節約資源和環境保護的方向發展。我國“貧油、少氣、多煤”的一次能源結構特點決定了在今后相當長的時間內，燃煤火力發電仍將在我國發電領域占主導

地位。當前電力企業所面臨的普遍問題是：在激烈的市場競爭環境下，如何開發和占領市場以使電力企業獲得生存和發展，并在國民經濟中發揮更大的作用。降低資源損耗和提高管理效益成為各發電企業的迫切需求，綜合高效利用先進技術以實現生產過程高度自動化和管控一體化，成為電力企業生存的必然選擇。

華能南京金陵電廠位于江蘇省南京市棲霞經濟開發區江乘大道8號，長江南岸龍潭鎮四段圩村，一期工程為兩臺39萬千瓦9FA型燃氣蒸汽聯合循環機組。二期工程裝機容量為2×1000MW，由華能國際電力開發公司、江蘇省國信資產管理集團有限公司、南京市投資公司分別按60%、30%和10%比例出資興建。二期2×1000MW超超臨界燃煤機組為國內百萬千瓦機組首次大范圍應用現場總線的示范工程。

數字化電廠需求

目前，可概括為“廠網分開，競價上網”的新型電力市場格局正在形成。電力單位作為一個獨立企業，直接參與市場競爭。安全生產、經濟高效是企業的最高目標，電廠的數字化建設正式是為服務于這個目標而應運而生的。

    自動化與信息化高度統一是數字化電廠的重要特征。要實現電廠的數字化生產與管控，就必須基于電廠采用先進采集設備、控制系統和安全高效的網絡與數據庫平臺，集成監、控、管的一體化智能系統，是儀器儀表技術、自動化技術、信息技術與管理技術的全面融合。

現場總線技術

在DCS與PLC不斷更新換代、技術升級的同時，現場總線控制系統（FCS，Field Control System）正在引發自動控制領域的革命，工業過程控制對大量現場信號的采集、傳遞和數據轉換以及對精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求。傳統的控制系統（DCS、PLC）已不能滿足這些要求，而且傳統控制系統具有控制不能徹底分散、故障相對集中、系統不徹底開放、成本較高等缺點，于是通過數字通信技術、傳感器技術和微處理器技術的融合，把傳統的數字信號和模擬信號的混合系統變成全數字信號系統，從而產生了新一代的控制系統FCS。與傳統的控制系統相比，FCS具備多功能的智能化現場數字儀表并更加強調系統通訊網絡的數字化與開放性。

由于現場總線技術的先進性還可以大量節省投資（如電纜、電纜橋架、電氣控制柜乃至中控室占地面積）并提高系統信息量，可方便地進行設備狀態在線診斷、設備管理、優化檢修，華能南京金陵電廠在綜合對比論證的基礎上，決定在2X1000MW超超臨界燃煤機組主輔控系統中全面選用FCS（現場總線）系統，為國內首個超超臨界機組的實際工程應用。（華能九臺電廠2X660MW為國內首個全廠范圍選用FCS系統的超臨界機組。）

目前國際市場得到應用的現場總線還未形成統一的標準，其中，PROFIBUS和 FF (基金會現場總線)兩種總線標準被公認為較適用于火電機組自動化控制系統。

 兩種總線標準對比而言，FF較適用于連續量控制，不足之處在于產品系列不全，往往會給構建完整統一的總線網絡造成困難，需要與其他總線混合應用；而PROFIBUS側重離散量控制，同時也適用于連續量控制，并且得到了相當數量的現場智能設備廠商的普遍支持。

PROFIBUS簡介

PROFIBUS是l987年德國聯邦科技部制訂的現場總線德國國家標準，目前是IEC 61158國際標準中的Type3部分。物理接口采用RS-485標準，網絡拓撲為線性總線兩端加終端電阻。

根據總線結構與實現任務的不同，PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS- FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS- PA。

其中，PROFIBUS-DP用于現場層的高速數據傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發送輸出信息。除周期性用戶數據傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設備所需的非周期性通信以進行組態．診斷和報警處理。PROFIBUS-DP采用RS-485標準，通訊介質可以是雙絞線．雙線電纜或光纜。波特率可以從9.6K bit/s到12M bit/s之間選擇。

PROFIBUS-PA適用于PROFIBUS 的過程自動化。PROFIBUS-PA將自動化系統和過程控制系統與壓力．濕度和液位變送器等現場設備連接起來，PROFIBUS-PA可用來替代4-20mA的模擬技術。PROFIBUS-PA具有如下特性：

（1）適合過程自動化應用的行規使不同廠家生產的現場設備具有互換性。

（2）增加和去除總線站點，即使在本征安全地區也不會影響到其它站。

（3）在過程自動化的PROFIBUS-PA段與制造業自動化的PROFIBUS-DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實現兩段間的透明通信。

（4）使用與IEC1158－2技術相同的雙絞線完成遠程供電和數據傳送。

（5）在潛在的爆炸危險區可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。

在確定使用PROFIBUS現場總線控制系統后，華能南京金陵電廠與多家自動化系統廠商進行了深入技術交流，并與設計院確定重點品牌范圍，積極聯系各總線設備廠商提供設備樣品送自動化系統廠商進行聯網測試，西安熱工院作為技術支持方出具測試報告，最終設備僅在通過測試的產品中選擇。經過嚴格測試與綜合論證，華能南京金陵電廠選用了基于PROFIBUS的西門子基于現場總線技術的DCS現場總線控制系統。

具體實施

主控系統

    本臺機組主控系統共有26＋2對（公用系統）控制器，設計了現場總線通訊柜35只、51個冗余PROFIBUS-DP網段、11個非冗余PROFIBUS-DP網段、124個PROFIBUS-PA網段，其中PROFIBUS-DP連接358個現場總線設備（包括電動執行機構、馬達控制器、分析儀表、變頻器等）、PROFIBUS-PA連接628個現場總線設備（包括壓力變送器、溫度變送器、流量計、定位器及液位計等），涵蓋了25個工藝系統，采用了13種類型的現場總線設備，基本包括了主機過程控制系統中的所有典型設備。

鑒于爐膛安全監控系統(FSSS)、汽機數字電液控制系統(DEH)、汽機本體緊急跳閘系統(ETS)、給水泵汽機電液調節系統（MEH）和給水泵汽機緊急跳閘系統（METS）對機組安全運行至關重要，回路處理速度要求高，因此對上述系統還是采用常規控制方式，不納入FCS系統。

輔控系統

    補給水、凝結水精處理、凈水、廢水、脫硫系統均采用現場總線控制系統。輔控范圍內總線設備數量達665 個。

(DCS系統整體結構圖)

 以DCS控制器AP102為例，現場總線由控制柜的雙PROFIBUS-DP主站引出，通過光電轉換模塊(OLM)經光纖延伸到現場，連接1個PROFIBUS-DP冗余網段、1個PROFIBUS-DP網段和2個PA網段，PROFIBUS-DP網段分2組，均用PROFIBUS-DP／DP鏈接器把單接口就地PROFIBUS-DP設備接入冗余PROFIBUS-DP總線，第1組用來連接系統內的電動執行機構，采用菊花鏈型連接方式；第2組通過Y-LINK連接馬達控制器（單口），在每段PROFIBUS-DP總線的末端單獨增加1個有源終端電阻，使傳輸線路阻抗匹配，保證通信的可靠性。PROFIBUS-PA網段由PROFIBUS-DP／PA鏈接器從冗余PROFIBUS-DP總線上接出，連接測量變送器信號。

(DCS控制器AP102系統結構圖)

西門子基于現場總線技術的DCS控制系統特點

     （1）新型體系結構

傳統的DCS分層結構將電廠劃分為現場級、過程控制級、機組控制級以及電廠級，這種結構已經不適應現代電廠生產流程的功能需求。基于現場總線技術的DCS控制系統把DCS簡化為現場級和IT級兩層，即在現場級采用現場總線技術進行數據采集與傳遞，所有的設備控制策略在控制器中集中處理。

     （2）基于組件的設計理念

基于現場總線技術的DCS控制系統為世界上第一套真正的基于組件的控制系統，采用XML和Java技術，可執行任何操作系統下需要處理的應用程序。統一的系統結構體系提供了一個面向所有任務的單一用戶接口，取消了傳統控制系統所需的子系統及其之間的復雜接口。

     （3）方便使用與安全可靠

      對于正在運行中的電廠，從工程設計到變更的檢查、測試到記錄都無需切換控制處理器即可方便的執行。由于采用了經由放火墻的OPC，可有效防范局域網或企業網對DCS的未授權訪問，保證電廠安全可靠運行。

系統運行狀況

據華能南京金陵電廠信息中心主任管春雨介紹，本控制系統從2009年8月進入緊張的安裝調試階段，到12月16日機組啟動，當晚21點28分機組升至滿負荷開始計時，正式進入168小時試運。在整個試運行過程中自動投入率，保護投入率均達到100%，汽水品質合格，主要經濟、技術指標優良。各系統在機組滿負荷試行的考驗中均完善、安全、可靠，性能指標達到規范要求的優良標準，汽輪機振動最大值僅為45um，達到同類型機組的國內領先水平。基于現場總線技術的DCS控制系統保證了機組的正常運行。

     在控制系統運行過程中，也遇到過大大小小的問題，其間客戶端曾先后兩次發生過陸續黑屏的現象，西門子公司售后服務工程師在第一時間到現場與電廠工程師一起進行了故障分析與排除，恢復系統運行，并采取了相應的預防措施，確保機組處于最佳運行狀態。

展望未來

      歷經了幾個月以來的辛勤工作，管主任對西門子基于現場總線技術的DCS控制系統的性能及西門子公司強大的技術支持能力逐漸建立了信任。“我祝愿西門子這套系統可以越做越好，”管主任誠懇地表示，“希望系統不僅保證我廠機組正常運行，帶來實實在在的效益，同時作為示范工程，也為眾多的兄弟電力企業即將建設的項目提供最高參考價值。”

DCS系統整體結構圖