電廠(chǎng)架構及現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統設計

　　一、數字化電廠(chǎng)的基礎條件

　　(1) MIS 是建設數字化電廠(chǎng)的關(guān)鍵系統，主要為全廠(chǎng)運營(yíng)、生產(chǎn)和管理服務(wù)，完成設備和維修管理、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理(包含電力市場(chǎng)報價(jià)子系統)、財務(wù)管理等功能。 MIS 具有 2 個(gè)層次的功能：自動(dòng)傳遞和匯集數據;以成本核算和資源集成為出發(fā)點(diǎn)，對管理數據進(jìn)行加工、整理、發(fā)掘和分析。

　　(2) SIS為 MIS 的生產(chǎn)過(guò)程管理功能模塊。 SIS既是發(fā)電廠(chǎng)建立全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)/歷史數據庫的平臺，也是為全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化服務(wù)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程監控和管理信息系統。SIS一端是控制系統( DCS / PLC / 機組仿真系統)，另一端是 MIS ，其應用模塊主要有實(shí)時(shí)數據分析與處理模塊、性能計算與能損分析模塊、工況分析模塊、運行故障診斷模塊、吹灰優(yōu)化模塊、參數劣化分析模塊、機組負荷優(yōu)化分配模塊及機組運行狀態(tài)評估模塊。

　　SIS對實(shí)時(shí)性要求較高，其實(shí)時(shí)信息取自 DCSO由于 DCS 采用的模擬量、開(kāi)關(guān)量、數字信號為混合系統信號制，而且為單向，不具有將設備狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息上傳至控制器的功能，從而使SIS無(wú)法獲得這些信息，成為SIS進(jìn)一步提高功效的瓶頸。

　　(3) FCS 應用于電廠(chǎng)機組級控制，其采用全數字、雙向通信的現場(chǎng)總線(xiàn)信號制，解決了智能現場(chǎng)儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接問(wèn)題，為建設數字化電廠(chǎng)提供了基礎條件。

　　二、FCS的設計

　　(1) 現場(chǎng)總線(xiàn)標準 2000 年4月公布的國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準 IEC61158 包括了 10 種類(lèi)型，其中基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)(FF)和過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)(Profibus)在過(guò)程控制領(lǐng)域有較廣泛的應用，FF 較適合模擬量控制，Profibus 較適合開(kāi)關(guān)量控制。

　　(2)重要控制與安全回路 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在國內大型機組的主控制系統上應用還處于起步階段，為了保證機組安全穩定運行，爐膛安全監控系統(FSSS)、數字式電液控制系統(DEH)、汽輪機緊急跳閘系統(ETS)、給水泵汽輪機電液控制系統(MEH)和給水泵汽輪機緊急跳閘系統(METS)等不采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制方式。

　　(3)電動(dòng)機控制 部分380V、6kV電動(dòng)機采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制方式。

　　(4)DCS為基本系統 由于有些DCS可與FCS無(wú)縫連接，因此采用以DCS為基礎利用 FCS 的信息處理、設備診斷和設備管理軟件進(jìn)行設備級控制的系統結構。

　　(5)就地智能設備控制功能 部分現場(chǎng)總線(xiàn)的就地智能設備具備控制功能。如遵循FF協(xié)議的50多種算法(控制策略)可下裝至就地智能設備(變送器或執行機構)中，由就地智能設備實(shí)現控制。機組級控制系統分級劃分及比率見(jiàn)表 1 。對于執行級與簡(jiǎn)單功能組級的控制回路，可以將控制回路下裝至就地智能設備中;在一般功能組級的控制系統中，有近50%-60%的控制回路可以下裝到就地智能設備之中。這樣，可得下裝控制回路為：63.9%+(27.7%×50%~27.7%×60%)=63.9%+(13.9~16.6 )=77.8%~80.5%?？刂苹芈贩稚⑾卵b到就地智能設備之中，可減少中央控制器的配置及復雜程度，但會(huì )增加網(wǎng)段總線(xiàn)通訊負荷率?，F場(chǎng)總線(xiàn)的就地智能設備一般不采用冗余配置。

　　(6)輔助車(chē)間(系統) 輔助車(chē)間(系統)全面采用FCS ，這是因為輔助車(chē)間(系統)多為開(kāi)關(guān)量順序控制，用于輔助車(chē)間(系統)控制的PLC具有成熟的現場(chǎng)總線(xiàn)通訊能力。

　　(7)設計確認 常規DCS設計主要依據于I/O清單和工藝運行程序，并不考慮電纜或設備和接線(xiàn)盒的布置，而FCS設計需要考慮網(wǎng)段設計、設備選型試驗確認等?！　?/p>

　　(8)網(wǎng)段設計 在現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段設計中應考慮網(wǎng)段的總負載(風(fēng)險管理、備用容量、網(wǎng)絡(luò )宏周期的空閑時(shí)間、電壓降和電流限制)、電纜型號、總線(xiàn)干線(xiàn)長(cháng)度、總線(xiàn)支線(xiàn)長(cháng)度、現場(chǎng)設備數量、總線(xiàn)的拓撲結構形式、中繼器配置、集線(xiàn)器(多路接線(xiàn)盒)數量和規格及配置等因素?？偩€(xiàn)網(wǎng)段上可掛的設備最大數量受到設備之間通信量、電源容量、總線(xiàn)可分配地址、每段電纜阻抗以及工藝信號危險級別等因素影響。

　　(9)就地智能設備采用遵循現場(chǎng)總線(xiàn)標準的現場(chǎng)總線(xiàn)智能設備，對于有些尚無(wú)現場(chǎng)總線(xiàn)標準的設備，可選用遵循 Hart 通訊協(xié)議的智能型現場(chǎng)設備。

　　(10)通訊、兼容試驗實(shí)踐證明，雖然遵循同一現場(chǎng)總線(xiàn)標準的設備在理論上均能夠實(shí)現互聯(lián)、互操，但在實(shí)際工程應用中并不能即接即用。不同公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在軟件版本、通信協(xié)議細節、電氣兼容性等方面，存在一定差異，必須經(jīng)過(guò)通訊、兼容試驗。

　　(11)通訊速率在確定總線(xiàn)通訊速率時(shí)發(fā)現通訊速率越高越易受干擾，以滿(mǎn)足工程需要為宜，也應兼顧配置的經(jīng)濟性。

　　三、結語(yǔ)

　　建設數字化電廠(chǎng)必須解決現場(chǎng)控制設備級數字化，目前只有 FCS 能夠完成現場(chǎng)控制設備級的數字化。FCS 的現場(chǎng)智能設備能將大量現場(chǎng)信息送入通信網(wǎng)絡(luò )，這是 DCS、PLC無(wú)法實(shí)現的。FCS 雙向數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制技術(shù)，是建設數字化電廠(chǎng)的基礎條件?！　∧壳?，我國火電廠(chǎng)廠(chǎng)級和機組(車(chē)間)級已實(shí)現了數字化，但現場(chǎng)控制設備級大部分尚未實(shí)現數字化，這已成為現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)需要解決的難題。建設數字化電廠(chǎng)的目的是使發(fā)電廠(chǎng)在整個(gè)服役期經(jīng)濟效益最大化。數字化電廠(chǎng)結構模型可劃分為 3 層(直接控制層、管控一體化層、管理決策層)和 2 個(gè)支持系統(數據庫支持系統和計算機網(wǎng)絡(luò )支持系統)，它們分別交叉和納人在 DCS (包括 FCS )、電站仿真系統 ( SIMU )、火電廠(chǎng)廠(chǎng)級監控信息系統(SIS)、管理信息系統( MIS )及決策支持系統( DSS )中。

　　一、數字化電廠(chǎng)的基礎條件

　　(1) MIS 是建設數字化電廠(chǎng)的關(guān)鍵系統，主要為全廠(chǎng)運營(yíng)、生產(chǎn)和管理服務(wù)，完成設備和維修管理、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理(包含電力市場(chǎng)報價(jià)子系統)、財務(wù)管理等功能。 MIS 具有 2 個(gè)層次的功能：自動(dòng)傳遞和匯集數據;以成本核算和資源集成為出發(fā)點(diǎn)，對管理數據進(jìn)行加工、整理、發(fā)掘和分析。

　　(2) SIS為 MIS 的生產(chǎn)過(guò)程管理功能模塊。 SIS既是發(fā)電廠(chǎng)建立全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)/歷史數據庫的平臺，也是為全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化服務(wù)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程監控和管理信息系統。SIS一端是控制系統( DCS / PLC / 機組仿真系統)，另一端是 MIS ，其應用模塊主要有實(shí)時(shí)數據分析與處理模塊、性能計算與能損分析模塊、工況分析模塊、運行故障診斷模塊、吹灰優(yōu)化模塊、參數劣化分析模塊、機組負荷優(yōu)化分配模塊及機組運行狀態(tài)評估模塊。

　　SIS對實(shí)時(shí)性要求較高，其實(shí)時(shí)信息取自 DCSO由于 DCS 采用的模擬量、開(kāi)關(guān)量、數字信號為混合系統信號制，而且為單向，不具有將設備狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息上傳至控制器的功能，從而使SIS無(wú)法獲得這些信息，成為SIS進(jìn)一步提高功效的瓶頸。

　　(3) FCS 應用于電廠(chǎng)機組級控制，其采用全數字、雙向通信的現場(chǎng)總線(xiàn)信號制，解決了智能現場(chǎng)儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接問(wèn)題，為建設數字化電廠(chǎng)提供了基礎條件。

　　二、FCS的設計

　　(1) 現場(chǎng)總線(xiàn)標準 2000 年4月公布的國際現場(chǎng)總線(xiàn)標準 IEC61158 包括了 10 種類(lèi)型，其中基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)(FF)和過(guò)程現場(chǎng)總線(xiàn)(Profibus)在過(guò)程控制領(lǐng)域有較廣泛的應用，FF 較適合模擬量控制，Profibus 較適合開(kāi)關(guān)量控制。

　　(2)重要控制與安全回路 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在國內大型機組的主控制系統上應用還處于起步階段，為了保證機組安全穩定運行，爐膛安全監控系統(FSSS)、數字式電液控制系統(DEH)、汽輪機緊急跳閘系統(ETS)、給水泵汽輪機電液控制系統(MEH)和給水泵汽輪機緊急跳閘系統(METS)等不采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制方式。

　　(3)電動(dòng)機控制 部分380V、6kV電動(dòng)機采用現場(chǎng)總線(xiàn)控制方式。

　　(4)DCS為基本系統 由于有些DCS可與FCS無(wú)縫連接，因此采用以DCS為基礎利用 FCS 的信息處理、設備診斷和設備管理軟件進(jìn)行設備級控制的系統結構。

　　(5)就地智能設備控制功能 部分現場(chǎng)總線(xiàn)的就地智能設備具備控制功能。如遵循FF協(xié)議的50多種算法(控制策略)可下裝至就地智能設備(變送器或執行機構)中，由就地智能設備實(shí)現控制。機組級控制系統分級劃分及比率見(jiàn)表 1 。對于執行級與簡(jiǎn)單功能組級的控制回路，可以將控制回路下裝至就地智能設備中;在一般功能組級的控制系統中，有近50%-60%的控制回路可以下裝到就地智能設備之中。這樣，可得下裝控制回路為：63.9%+(27.7%×50%~27.7%×60%)=63.9%+(13.9~16.6 )=77.8%~80.5%?？刂苹芈贩稚⑾卵b到就地智能設備之中，可減少中央控制器的配置及復雜程度，但會(huì )增加網(wǎng)段總線(xiàn)通訊負荷率?，F場(chǎng)總線(xiàn)的就地智能設備一般不采用冗余配置。

　　(6)輔助車(chē)間(系統) 輔助車(chē)間(系統)全面采用FCS ，這是因為輔助車(chē)間(系統)多為開(kāi)關(guān)量順序控制，用于輔助車(chē)間(系統)控制的PLC具有成熟的現場(chǎng)總線(xiàn)通訊能力。

　　(7)設計確認 常規DCS設計主要依據于I/O清單和工藝運行程序，并不考慮電纜或設備和接線(xiàn)盒的布置，而FCS設計需要考慮網(wǎng)段設計、設備選型試驗確認等?！　?/p>

　　(8)網(wǎng)段設計 在現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)段設計中應考慮網(wǎng)段的總負載(風(fēng)險管理、備用容量、網(wǎng)絡(luò )宏周期的空閑時(shí)間、電壓降和電流限制)、電纜型號、總線(xiàn)干線(xiàn)長(cháng)度、總線(xiàn)支線(xiàn)長(cháng)度、現場(chǎng)設備數量、總線(xiàn)的拓撲結構形式、中繼器配置、集線(xiàn)器(多路接線(xiàn)盒)數量和規格及配置等因素?？偩€(xiàn)網(wǎng)段上可掛的設備最大數量受到設備之間通信量、電源容量、總線(xiàn)可分配地址、每段電纜阻抗以及工藝信號危險級別等因素影響。

　　(9)就地智能設備采用遵循現場(chǎng)總線(xiàn)標準的現場(chǎng)總線(xiàn)智能設備，對于有些尚無(wú)現場(chǎng)總線(xiàn)標準的設備，可選用遵循 Hart 通訊協(xié)議的智能型現場(chǎng)設備。

　　(10)通訊、兼容試驗實(shí)踐證明，雖然遵循同一現場(chǎng)總線(xiàn)標準的設備在理論上均能夠實(shí)現互聯(lián)、互操，但在實(shí)際工程應用中并不能即接即用。不同公司生產(chǎn)的產(chǎn)品在軟件版本、通信協(xié)議細節、電氣兼容性等方面，存在一定差異，必須經(jīng)過(guò)通訊、兼容試驗。

　　(11)通訊速率在確定總線(xiàn)通訊速率時(shí)發(fā)現通訊速率越高越易受干擾，以滿(mǎn)足工程需要為宜，也應兼顧配置的經(jīng)濟性。

　　三、結語(yǔ)

　　建設數字化電廠(chǎng)必須解決現場(chǎng)控制設備級數字化，目前只有 FCS 能夠完成現場(chǎng)控制設備級的數字化。FCS 的現場(chǎng)智能設備能將大量現場(chǎng)信息送入通信網(wǎng)絡(luò )，這是 DCS、PLC無(wú)法實(shí)現的。FCS 雙向數字通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制技術(shù)，是建設數字化電廠(chǎng)的基礎條件。