現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應(yīng)用
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何為數(shù)字化電廠，這個(gè)問題近幾年來(lái)在業(yè)界得到了廣泛的討論。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)在電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字化已普遍應(yīng)用于電力生產(chǎn)過(guò)程的決策層、管理層和監(jiān)控層，數(shù)字化電廠也逐步成為現(xiàn)代化發(fā)電企業(yè)發(fā)展的方向，從目前對(duì)數(shù)字化電廠的認(rèn)識(shí)來(lái)看，數(shù)字化電廠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以劃分為三個(gè)層次,即直接控制層(包括數(shù)據(jù)采集)、管控一體化層、管理決策層，而將三個(gè)層次連接起來(lái)的就是數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。
管理決策層：MIS
管控一體化層：SIS AMS智能設(shè)備管理系統(tǒng)
現(xiàn)場(chǎng)控制層：DCS等
目前SIS是一個(gè)準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，SIS側(cè)重點(diǎn)是實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程管理和監(jiān)控，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高，SIS的實(shí)時(shí)性要求比MIS高，比DCS略低。對(duì)實(shí)時(shí)性要求之所以比DCS略低，其原因是SIS應(yīng)用功能目前大多數(shù)是開環(huán)的，如負(fù)荷分配功能，電廠負(fù)荷非直調(diào)方式-中調(diào)把全廠負(fù)荷發(fā)給電廠，電廠按優(yōu)化分配算法把負(fù)荷分配給每臺(tái)機(jī)組。如果SIS中的這一功能真正實(shí)現(xiàn)閉環(huán)，將取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。如SIS實(shí)施閉環(huán)，其對(duì)實(shí)時(shí)性的要求將與DCS相當(dāng)。
數(shù)字化電廠很重要的組成部分是上層SIS等應(yīng)用軟件，SIS需要的實(shí)時(shí)信息取自于DCS和輔助車間監(jiān)控系統(tǒng)等，由于DCS采用的是模擬量、開關(guān)量，不具備將設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息上傳至控制器的功能，SIS也就無(wú)法獲得這些有用信息，這就是SIS進(jìn)一步提髙功效的瓶頸，也是建設(shè)真正意義上的數(shù)字化電廠的瓶頸。
而FCS系統(tǒng)采用的是全數(shù)字、雙向通信現(xiàn)場(chǎng)總線信號(hào)制，完全解決了智能現(xiàn)場(chǎng)儀表與智能控制室儀表之間的連接問題，解決了瓶頸，滿足SIS需求，也為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備級(jí)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、建設(shè)真正意義上的數(shù)字化電廠提供了基礎(chǔ)條件。要建設(shè)真正意義上的數(shù)字化電廠，必須解決現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備級(jí)數(shù)字化，目前現(xiàn)場(chǎng)總線能完成這一使命。FCS是消滅火電廠“信息孤島”的最好武器：FCS的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備能將大量現(xiàn)場(chǎng)信息送上通信網(wǎng)絡(luò)，這是DCS、PLC無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
二、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)介紹
現(xiàn)場(chǎng)總線(field bus)，按其國(guó)際電工委員會(huì)IEC61158的定義為：“安裝在制造或過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線”;按歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50170的描述為“通用現(xiàn)場(chǎng)通信系統(tǒng)”。故可將以現(xiàn)場(chǎng)總線和現(xiàn)場(chǎng)智能裝置為基礎(chǔ)的、全數(shù)字控制的系統(tǒng)統(tǒng)稱為FCS。而衡量一個(gè)控制系統(tǒng)是否為真正的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS有三個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，即：核心、基礎(chǔ)和本質(zhì)。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng);FCS的基礎(chǔ)是數(shù)字智能現(xiàn)場(chǎng)儀表，它是FCS的硬件支撐;FCS的本質(zhì)是信息處理現(xiàn)場(chǎng)化，這是FCS的系統(tǒng)效能體現(xiàn)。
目前主要有以下8種現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，即：FF H1、Control Net、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、World FIP、Swift Net和FF之高速Ethernet即HSE。以上8種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)總線中，P-Net和SwiftNet是用于有限領(lǐng)域的專用現(xiàn)場(chǎng)總線，考慮到所適用應(yīng)用對(duì)象的指定要求，這兩種類型總線的功能相對(duì)比較簡(jiǎn)單;contro1Net 、Profibus 、World FIP 和Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線是由PLC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線，從本質(zhì)上講它們以遠(yuǎn)程I/O總線技術(shù)為基礎(chǔ)，通常不具備通過(guò)總線向現(xiàn)場(chǎng)裝置供電和本質(zhì)安全性能。如果進(jìn)一步劃分，Control Net只是監(jiān)控級(jí)總線，Profibus和WorldFIP則包括兩個(gè)層次的總線;FF H1總線和HSE總線是由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)現(xiàn)場(chǎng)總線，充分考慮向現(xiàn)場(chǎng)儀表兩線制供電和本質(zhì)安全要求，功能較為復(fù)雜。
目前用于火電廠過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)總線，在技術(shù)和市場(chǎng)占有率均較領(lǐng)先的有基金會(huì)(Foundation Fieldbus-FF)現(xiàn)場(chǎng)總線和PROFIBUS(Process Fieldbus)現(xiàn)場(chǎng)總線兩種。
下面對(duì)FF和PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：
2.1 FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)
FF由低速H1總線和高速以太網(wǎng)H2(現(xiàn)在發(fā)展為HSE-High Speed Ethernet)總線組成。其傳輸介質(zhì)是雙絞線。H1總線主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，速率為31.25Kbps，兩線制信號(hào)傳輸并同時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備供電，具備本質(zhì)安全特征(防爆場(chǎng)合)。H2總線主要面向過(guò)程控制級(jí)、遠(yuǎn)程I/O和高速工廠自動(dòng)化的應(yīng)用，采用100Mbps高速以太網(wǎng)協(xié)議(HSE)。
2.2 PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)
PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)由傳輸技術(shù) (RS485、RS485-IS、光纖、MBP、MBP-IS、MBP-LP等)、通訊技術(shù)協(xié)議(PROFIBUS-DP)、通用行規(guī)(PROFIsafe、PROFIdrive等)、專用行規(guī)(如PA devices)組成。通訊技術(shù)協(xié)議PROFIBUS DP的發(fā)展從DPV0(循環(huán)數(shù)據(jù)交換)到DPV1(循環(huán)和非循環(huán)數(shù)據(jù)交換、報(bào)警與狀態(tài)信息處理)，直至DPV2(運(yùn)動(dòng)控制、交叉通訊、時(shí)間同步等)。正因?yàn)镻ROFIBUS 擁有統(tǒng)一的通信協(xié)議(PROFIBUS DP), 并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了不同的通用應(yīng)用行規(guī)和專用應(yīng)用行規(guī)，使得PROFIBUS可以廣泛地應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。以下對(duì)有關(guān)的部分作簡(jiǎn)要介紹：
1) PROFIBUS-DP：是一種高速低成本的用于設(shè)備級(jí)控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊技術(shù)。協(xié)議結(jié)構(gòu)是以開放式系統(tǒng)互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)(OSI — Open System Interconnection )為參考模型，定義了第一、二層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層)和第七層(應(yīng)用層);傳輸技術(shù)采用RS-485雙絞線電纜和光纜，波特率從9.6kbps到12Mbps;支持單主或多主系統(tǒng)令牌傳輸方式，總線上最大站點(diǎn)數(shù)為126個(gè)。
2) DP V1專為過(guò)程自動(dòng)化設(shè)計(jì)，通過(guò)DP/PA Link可實(shí)現(xiàn)儀器儀表、執(zhí)行器到控制器的數(shù)字通訊連接。在協(xié)議上定義了第一、二、七層(物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層)。其中的應(yīng)用層包含了現(xiàn)場(chǎng)總線的信息規(guī)范和通訊接口規(guī)范;數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)采用MBP、MBP-IS等，通訊介質(zhì)采用雙絞線，傳輸率為31.25kbps，可實(shí)現(xiàn)總線供電，本質(zhì)安全規(guī)范，采用FISCO模型，每段最多32個(gè)站點(diǎn)。
3) PROFIsafe：PROFIBUS技術(shù)的最新進(jìn)展之一，在PROFIBUS總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了安全通訊指標(biāo)SIL3以上。
4) PROFINET實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線與以太網(wǎng)的最佳結(jié)合，不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶先前投資的保護(hù)，而且還通過(guò)PROXY和OPC DADX同其它的總線相連以及對(duì)IT技術(shù)的集成，并可實(shí)現(xiàn)分布式自動(dòng)化和縱、橫向立體集成;此外，通過(guò)國(guó)際Internet網(wǎng)和Web網(wǎng)，也可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行訪問和控制，其實(shí)時(shí)通訊的循環(huán)時(shí)間(確定性)可在1ms以下，抖動(dòng)1us以下。
5) PROFIBUS 的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品超過(guò)2100多種，分別來(lái)自世界250多個(gè)生產(chǎn)廠商。PROFIBUS在全球各行各業(yè)所占市場(chǎng)份額超過(guò)了20%，應(yīng)用實(shí)例約100萬(wàn)個(gè)，據(jù)PROFIBUS國(guó)際組織宣布，基于PROFIBUS接口的設(shè)備節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在2003年底突破了1000萬(wàn)個(gè)。
三、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)電廠的應(yīng)用
目前火電機(jī)組向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展，一方面渴望采用新技術(shù)、新系統(tǒng);另一方面由于機(jī)組本身的熱力特性和電力生產(chǎn)的特點(diǎn)所決定，對(duì)安全性和可靠性有特殊要求，因而對(duì)新技術(shù)、新系統(tǒng)的應(yīng)用十分謹(jǐn)慎，甚至持保守態(tài)度。FCS是新技術(shù)、新裝備，目前還處在發(fā)展和完善過(guò)程中，為研究和應(yīng)用FCS，一些科研院所積極進(jìn)行試驗(yàn)和開發(fā)。國(guó)電熱工研究院于1998年購(gòu)進(jìn)一套FF現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)(Delta V系統(tǒng))，包括2臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)、5個(gè)H1I/O卡、10路H1總線、100多臺(tái)高精度智能變送器(壓力和溫度)。該套系統(tǒng)已在多個(gè)電廠的性能考核和運(yùn)行調(diào)整中發(fā)揮作用，并積累了FCS的配置和安裝經(jīng)驗(yàn)。
近幾年現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和設(shè)備正逐步應(yīng)用到國(guó)內(nèi)一些電廠的外圍輔助系統(tǒng)中。例如山東萊城電廠、江陰夏港電廠、華能玉環(huán)電廠、吉林九臺(tái)電廠、華能金陵電廠、國(guó)華寧海電廠等。下面就華能的幾個(gè)電廠做簡(jiǎn)單介紹：
3.1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在華能玉環(huán)電廠的應(yīng)用
華能玉環(huán)電廠在鍋爐補(bǔ)給水控制系統(tǒng)、電廠化學(xué)凈水及廢水控制系統(tǒng)中采用了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表設(shè)備，作為FCS在電廠中的應(yīng)用嘗試，該控制系統(tǒng)包括了人機(jī)界面、控制站(西門子PCS7 417H)、Profibus-DP和PA通訊網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表和設(shè)備。DP支路連接儀表、電機(jī)控制保護(hù)單元(采用西門子SIMOCODE直接安裝在MCC柜內(nèi))、I/O單元、變頻器等。壓力及差壓變送器(ABB產(chǎn)品)、磁翻板液位(國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，通過(guò)加裝PA通訊模塊完成)、PH值、硅酸根、磷酸根測(cè)量?jī)x等儀表采用PROFIBUS PA總線，因此所有的現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行器都將通過(guò)DP/PA耦合器連接到總線網(wǎng)絡(luò)上。氣動(dòng)閥門定位器也采用PA總線，實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)閥控制，每個(gè)電磁閥箱配一套閥島，模塊驅(qū)動(dòng)電磁閥，模塊采集閥位反饋，通過(guò)DP與PLC通訊?？傸c(diǎn)數(shù)為502點(diǎn)，其中486點(diǎn)以現(xiàn)場(chǎng)總線方式接入(有個(gè)別分析儀表不能提供Profibus標(biāo)準(zhǔn)接口)。
3.2 華能南京金陵電廠
華能南京金陵電廠2×1000MW燃煤機(jī)組，主輔機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，主機(jī)部分各類現(xiàn)場(chǎng)總線儀表及監(jiān)控設(shè)備約960臺(tái)左右，目前總線覆蓋率40%左右。主要保護(hù)和DEH、SOE，重要調(diào)節(jié)回路、6KV電機(jī)采用常規(guī)方式?？偩€標(biāo)準(zhǔn)選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。
3.3 華能吉林九臺(tái)電廠
華能吉林九臺(tái)電廠2×600MW燃煤機(jī)組，主輔機(jī)采用現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，主機(jī)部分各類現(xiàn)場(chǎng)總線儀表及監(jiān)控設(shè)備約380臺(tái)左右，目前總線覆蓋率30%左右。主要保護(hù)和DEH、SOE，重要調(diào)節(jié)回路、6KV電機(jī)采用常規(guī)方式?？偩€標(biāo)準(zhǔn)選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。
四、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)選型配置分析及應(yīng)用規(guī)劃
4.1 現(xiàn)場(chǎng)總線的選型配置方案
從現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，PROFIBUS總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)外電廠中有較多成功的應(yīng)用，如德國(guó)的Niederaussem電廠、陜西楊凌熱電廠、山東龍口電廠、河北三河電廠、廣安電廠、山東萊城電廠、江蘇夏港電廠、寧海電廠、華能巢湖電廠、華能金陵電廠、華能九臺(tái)電廠等。
眾所周知，目前國(guó)外幾大知名DCS系統(tǒng)基本上都能接受PROFIBUS和FF現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。如SIEMENS公司的T—3000系統(tǒng)能接受PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)OXBORO公司的I/A系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，艾默生公司的OVATION系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，ABB公司ABB symphony系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)。
評(píng)論