現場(chǎng)總線(xiàn)在發(fā)電廠(chǎng)機組控制應用研究

　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)作為一門(mén)新興技術(shù)，已廣泛、成功地應用在石化、化工、冶金、醫藥、市政工程、樓宇、建材等多個(gè)行業(yè)。與其形成鮮明對照的是現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在電廠(chǎng)過(guò)程控制中的實(shí)質(zhì)性實(shí)施卻始終不多，究其原因主要有以下幾點(diǎn)[2]：

　?、?從2002年下半年開(kāi)始，電力供應缺口導致大量電廠(chǎng)項目工程建設的主要精力放在如何在最短時(shí)間內完成項目設計任務(wù)，常規技術(shù)方案自然成為首選;

　?、?工程技術(shù)人員對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢的理解僅局限于節省電纜、功能分散、設備信息數字化，缺乏應用的積極性;

　?、?電廠(chǎng)過(guò)程控制回路具有相關(guān)度高、控制功能復雜、安全性和穩定性要求高等特點(diǎn)，要求對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的切實(shí)掌握和實(shí)踐驗證;

　?、?現場(chǎng)總線(xiàn)儀控設備比常規儀控設備價(jià)格高，總線(xiàn)型設備的選擇范圍還相對較小，也在一定程度上阻礙了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在電廠(chǎng)過(guò)程控制中的大量應用。隨著(zhù)認識的提高和技術(shù)的發(fā)展，這樣的局面近期已有所改變。如在華能玉環(huán)電廠(chǎng)補給水、廢水系統中成功實(shí)現了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的全面應用，化水控制系統在較短時(shí)間內完成了安裝、調試，并很快投入運行，由此說(shuō)明了現場(chǎng)總線(xiàn)在電廠(chǎng)輔助生產(chǎn)控制系統中應用是完全可行的。

　　1 國內外現場(chǎng)總線(xiàn)火電廠(chǎng)應用現狀

　　山東萊城電廠(chǎng)擴建工程3#、4#機組采用西門(mén)子TELEPERM-XP分散控制系統，400V及以下的電動(dòng)機在開(kāi)關(guān)柜中配套西門(mén)子公司的SIMOCODE電動(dòng)機控制保護設備，通過(guò)ProfibuS現場(chǎng)總線(xiàn)與TELEPERM-XP相連接。目前電廠(chǎng)已投入運行，現場(chǎng)總線(xiàn)系統運行基本穩定。江陰夏港電廠(chǎng)5、6#機組(2×330MW)采用Fox-BORO公司的FA分散控制系統，380V開(kāi)關(guān)柜采用西門(mén)子公司的SIMOCODE電動(dòng)機保護控制設備，通過(guò)Profibus-DP與FA分散控制系統相連接。6kV馬達采用WDZ400系列國產(chǎn)智能裝置，重要信號通過(guò)硬接線(xiàn)與分散控制系統相連，其它信號通過(guò)Modbus總線(xiàn)與FA分散控制系統連接。浙江國華寧海發(fā)電廠(chǎng)(4×600MW )控制系統采用西門(mén)子TELEPERM-XP分散控制系統?，F場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的控制范圍為閉式水系統34個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)(現場(chǎng)總線(xiàn)電動(dòng)門(mén)配AUMA公司的AUMATIC電動(dòng)執行器)，現場(chǎng)總線(xiàn)標準為Profibus-DP，采用冗余總線(xiàn)接口與TELEPEM-XP連接。

　　華能玉環(huán)電廠(chǎng)(4×1000MW)在鍋爐補給水系統、廢水系統中完全采用Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)通信的方式，將氣動(dòng)門(mén)電磁閥、氣動(dòng)調節閥、流量變送器、壓力變送器、化學(xué)分析儀表、水泵電動(dòng)機、風(fēng)機電動(dòng)機、加藥變頻器等控制設備連在一起。所有的底層設備都具有數字通信接口，從控制室到現場(chǎng)之間除了工作電源外，沒(méi)有任何直接的控制硬接線(xiàn)，所有的控制室的指令和現場(chǎng)設備的狀態(tài)信息都通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行傳輸。目前已成功投入運行[3]。

　　上世紀90年代末，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統就已經(jīng)在國外的電廠(chǎng)中得到應用，如SMAR公司的systern302就曾先后在美國的 Seattle Steam、Mohave Generation Plant、Duke power Oconee Nuclear Power Plant、墨西哥的Mazatlan、Guaymas、巴西的CESE等6個(gè)電廠(chǎng)中的15臺鍋爐上得到的應用。其中最大的鍋爐容量為600t/h, 最大的單元機組容量為158MW，這些現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統除了完成一般的數據采集功能之外，還實(shí)現了燃燒控制、給水控制、過(guò)熱汽溫控制、再熱汽溫控制、除氧器控制以及電機的啟?？刂?、聯(lián)鎖保護和報警等功能。

　　德國Niederaussem電廠(chǎng)較全面地使用了現場(chǎng)總線(xiàn)。該廠(chǎng)采用了Profibus-DP和HART兩種現場(chǎng)總線(xiàn)。整個(gè)系統包括900臺馬達、400個(gè)電磁閥、1000個(gè)閥門(mén)定位器和電動(dòng)執行機構。這些智能設備均通過(guò)Profibus-DP與DPU相連。通過(guò)采用Profibus 現場(chǎng)總線(xiàn)系統，真正實(shí)現了全廠(chǎng)監控，提供更加完善有效的設備診斷功能，實(shí)現現場(chǎng)設備的遠程編程和維護，實(shí)現了全廠(chǎng)數據的集中箕理，使設備的狀態(tài)檢修成為可能，提供更多的設備信息使操作和維護得到優(yōu)化。

　　2 現場(chǎng)總線(xiàn)火電廠(chǎng)控制關(guān)鍵問(wèn)題技術(shù)分析

　　通過(guò)多年來(lái)現場(chǎng)總線(xiàn)在多個(gè)行業(yè)的成功應用以及在電廠(chǎng)輔助生產(chǎn)系統的實(shí)施經(jīng)驗積累，特別是 Nieder - aussemK 機組及上海賽科項目中現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的全面成功運用[4]，為我們在國內火電機組控制上推廣現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用提供了有力的支持。推行現場(chǎng)總線(xiàn)在機組控制中的應用，應重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。

　　2.1 可靠性和可用性

　　電廠(chǎng)發(fā)電機組連續安全穩定運行是至關(guān)重要的?？刂葡到y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，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)(FF和Profibus)已經(jīng)采用了多項措施，常用的有分散和冗余二項。

　?、?分散方面。對FCS系統而言，主要通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分散和控制分散來(lái)提高可用性。除去將一般控制功能下放到現場(chǎng)，設計中通過(guò)上層網(wǎng)絡(luò )的區域劃分和下層網(wǎng)絡(luò )的風(fēng)險管理等，做到一個(gè)回路的故障不影響到另一個(gè)回路。在工程設計中，建議主要控制策略還是采用常規DCS應用方式，按工藝系統分散在不同的控制器內實(shí)現，功能分散能夠滿(mǎn)足要求?；痣姀S(chǎng)機組控制中存在大量控制回路之間的相互聯(lián)鎖、信號交換，當不同檢測控制設備處在不同網(wǎng)絡(luò )分段時(shí)，如何確保它們之間聯(lián)鎖、交換信號的實(shí)時(shí)可靠性將是一個(gè)需要關(guān)注的問(wèn)題。

　?、?冗余方面?，F場(chǎng)總線(xiàn)系統通過(guò)主站網(wǎng)絡(luò )冗余、變送器冗余、總線(xiàn)電源冗余、鏈路設備冗余、控制器冗余、冗余分離等實(shí)現。其中鏈路設備、電源、主站網(wǎng)絡(luò )和操作員站冗余是現場(chǎng)總線(xiàn)系統常用的冗余措施。在工程設計中可以對所有具有冗余總線(xiàn)接口的電動(dòng)執行機構、馬達驅動(dòng)控制裝置等設備考慮采用冗余總線(xiàn)連接;控制系統中所有總線(xiàn)電源也應該冗余配置。目前FF的Hl和Profibus-DP已實(shí)現了網(wǎng)段介質(zhì)冗余，但由于Prfibus-PA設備通常沒(méi)有冗余接口，PA網(wǎng)段還沒(méi)有實(shí)現冗余。對此，在工程設計中可通過(guò)將冗余配置的變送器等總線(xiàn)設備分散在不同網(wǎng)絡(luò )分段中來(lái)提高系統的可靠[5-6]。

　　通過(guò)診斷可以提高系統的可用性。如冗余的備用設備狀況和切換狀況，通過(guò)診斷，證明冗余的備用狀況和切換情況，從而警示操作員更換冗余設備組中故障部分，使其準備好在下次故障發(fā)生時(shí)能正常投入。

　　另外，為提高系統的可靠性，整個(gè)現場(chǎng)范圍內的通信光纜應至少有50%的冗余量。同時(shí)為了在一路通信光纜發(fā)生損壞情況下不影響通信的正常進(jìn)行，應使用兩種光纜路徑敷設。因為互聯(lián)到現場(chǎng)總線(xiàn)的計算機或控制器可以方便地被其它計算機監控，因此，現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的電廠(chǎng)應用是可靠的。

　　2.2 實(shí)時(shí)性

　　在火電廠(chǎng)機組控制運用現場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)，現場(chǎng)總線(xiàn)的實(shí)時(shí)性是一個(gè)需要關(guān)注的內容。我們對一些潛在供貨商的控制系統進(jìn)行了了解。其中，Profibus總線(xiàn)的數據為：一個(gè)典型的通過(guò)Profibus-PA總線(xiàn)連接的智能儀表的響應時(shí)間為10ms;一個(gè)典型的通過(guò) Profibus-PA總線(xiàn)連接的執行機構的響應時(shí)間為15ms;一個(gè)Profibus-DP從站的響應時(shí)間<0.3m;Profibus總線(xiàn)系統中一條DP分支的查詢(xún)循環(huán)周期是2ms;一條PA分支的查詢(xún)循環(huán)周期是80ms。

　　在DCS技術(shù)規范中對現場(chǎng)信號的采集周期要求為：所有模擬量輸入每秒至少掃描和更新4次，所有數字量輸入每秒至少掃描和更新10次。為滿(mǎn)足某些需要快速處理的控制回路要求，其模擬量輸入信號應達到每秒掃描8次，數字量輸入信號應達到每秒掃描20次。由此可見(jiàn)，Profibus總線(xiàn)和FF總線(xiàn)完全能夠滿(mǎn)足機組控制對一般輸入、輸出信號處理的實(shí)時(shí)性的要求。鑒于目前FF總線(xiàn)宏周期一般在100ms-1s之間，這還無(wú)法滿(mǎn)足電廠(chǎng)機組控制中的快速處理回路的時(shí)間(50ms左右)要求。因此，系統中為安全或快速響應而設置的開(kāi)關(guān)量信號，我們還是考慮采用常規DCS的FO模塊來(lái)處理。

　　2.3 故障影響性

　　現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統的網(wǎng)絡(luò )設計至關(guān)重要，不僅要根據系統I/O點(diǎn)的規模，而且要根據設備的地理分布、功能的相關(guān)性等因素。設計各層網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍，支路的數量，支路及分支的長(cháng)度、各分支的設備數量等，這些設計對系統的性能、硬件配置等都有重要影響。因此，在工程應用中各工藝子系統應根據工藝相關(guān)性和現場(chǎng)布置位置情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )分段設計。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )分段設計時(shí)應遵循以下原則：每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現場(chǎng)總線(xiàn)數量不超過(guò)6個(gè);冗余設置的現場(chǎng)儀表應接入不同網(wǎng)段;工藝上并列運行或冗余配置的設備其相關(guān)驅動(dòng)裝置應連接在不同的網(wǎng)段上?？刂葡到y應根據工藝流程合理配置總線(xiàn)數量和掛接的現場(chǎng)設備，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，并將這一影響限制到最小。

　　鑒于目前現場(chǎng)總線(xiàn)在機組控制中的應用還處在起步階段，可能在具體工程實(shí)施中還會(huì )碰到一些意想不到的情況。為最大程度地降低現場(chǎng)總線(xiàn)的工程應用風(fēng)險，確保機組安全順利投產(chǎn)，推薦對機組安全運行至關(guān)重要的保護系統仍采用常規 DCS 方式實(shí)現。

　　2.4 其它設計及安裝考慮

　　要使現場(chǎng)總線(xiàn)回路能夠正常運行，總線(xiàn)回路的正確設計和組態(tài)非常重要。根據現場(chǎng)總線(xiàn)系統工程指南要求和其它工程使用經(jīng)驗，需要考慮如下幾個(gè)方面：現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段的設計應考慮網(wǎng)段總的電流負載、電纜型號、總線(xiàn)干線(xiàn)長(cháng)度、總線(xiàn)支線(xiàn)長(cháng)度、電壓降和現場(chǎng)設備數量、總線(xiàn)的拓撲結構形式等?？偩€(xiàn)網(wǎng)段上可掛的設備最大數量受到設備之間的通信量、電源的容量、總線(xiàn)可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素影響。

　　為提高總線(xiàn)工作效率，在設計和組態(tài)時(shí)應盡量減少設備在總線(xiàn)上的通信量。具體應注意以下幾點(diǎn)：

　　對于簡(jiǎn)單的單回路調節應用，盡量將PID控制模塊放在現場(chǎng)閥門(mén)的智能執行機構中，這樣可減少DCS控制與現場(chǎng)閥門(mén)執行機構之間的通信量。