現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統在火電廠(chǎng)的成功嘗試

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)自80年代末至90年代初, 逐步形成第五代過(guò)程控制體系結構(現場(chǎng)總線(xiàn)制式FCS：Fieldbus Control System)，FCS在國外的制造、石化、樓宇等行業(yè)應用較廣泛，在國內石化、化工、冶金等過(guò)程控制領(lǐng)域也開(kāi)始推廣。到目前為止，國外火電廠(chǎng)FCS仍以中、小型工程的示例居多，完整FCS網(wǎng)絡(luò )應用于大型電站的示例目前只有德國尼德豪森電廠(chǎng)的報道。在國內，個(gè)別電廠(chǎng)部分設備和局部系統采用了現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，但缺乏完整系統的應用示例。

　　華能玉環(huán)電廠(chǎng)4×1000MW超超臨界燃煤機組水處理控制系統采用Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)，進(jìn)行了全新的設計、開(kāi)發(fā)、試驗、安裝、調試。該系統完全按照現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的設計理念，構建了監控層網(wǎng)絡(luò )(冗余工業(yè)以太網(wǎng))、控制層網(wǎng)絡(luò )(冗余Profibus光環(huán))和現場(chǎng)設備層網(wǎng)絡(luò )(Profibus-DP,PA);系統中采用了多種現場(chǎng)總線(xiàn)智能儀表和設備，并集成不同公司的Profibus產(chǎn)品，實(shí)現互聯(lián)和互操;開(kāi)發(fā)了中文界面的信息診斷和設備管理軟件，充分利用現場(chǎng)總線(xiàn)儀表和設備提供的狀態(tài)和診斷信息，發(fā)揮現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)本質(zhì)的優(yōu)越性。該套FCS系統已于2006年2月底投入穩定、長(cháng)期運行。

　　一、華能玉環(huán)電廠(chǎng)Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統網(wǎng)絡(luò )結構

　　華能玉環(huán)電廠(chǎng)水處理FCS控制和監視系統，包含了鍋爐補給水處理和工業(yè)廢水處理兩個(gè)子系統。兩個(gè)子系統各配置一對冗余PLC控制器(西門(mén)子 S7-417H)，冗余控制器通過(guò)冗余Profibus-DP光環(huán)與現場(chǎng)冗余通訊鏈路器(Y-LINK)相聯(lián)?，F場(chǎng)Y-LINK產(chǎn)生的Profibus-DP支路掛接DP通訊接口的儀表、控制單元;通過(guò)DP/PA耦合器產(chǎn)生Profibus-PA支路，掛接現場(chǎng)的PA變送器。鍋爐補給水和廢水處理各自的PLC控制器形成2個(gè)獨立的主控Profibus-DP冗余光環(huán)。廢水控制系統的控制器通過(guò)冗余光纖聯(lián)到鍋爐補給水控制機柜內的交換機上。水處理FCS控制監視系統配置2個(gè)操作員站，1個(gè)工程師站(可兼操作員站)，安裝在鍋爐補給水控制室。操作員站、工程師站、控制站通過(guò)工業(yè)級交換機連接到雙星型工業(yè)以太網(wǎng)中。

　　由于目前Profibus-DP和PA儀表和設備均無(wú)冗余通訊接口，因此在儀表和設備相對集中的現場(chǎng)設計DP或PA支路，連接這些設備。而不同區域之間的DP、PA支路，通過(guò)Y-LINK接入冗余DP光環(huán)。這樣既保證了電廠(chǎng)通訊網(wǎng)絡(luò )的可靠性，又滿(mǎn)足了Profibus現場(chǎng)總線(xiàn)設備的通訊條件。水處理FCS監控系統的網(wǎng)絡(luò )總體結構如圖1-1所示?！　?/p>

　　圖1-1華能玉環(huán)電廠(chǎng)水處理FCS監控系統網(wǎng)絡(luò )總體示意圖

　　在Profibus-DP支路上連接了四類(lèi)DP儀表和設備：超聲波液位計(單點(diǎn)或雙點(diǎn))、電機保護和控制單元(SIMOCODE)、變頻器、開(kāi)關(guān)量控制單元(ET200x)及氣動(dòng)閥島。在Profibu-PA支路上連接了三類(lèi)PA儀表：差壓(流量)變送器、壓力變送器、磁翻板液位變送器。這些儀表和設備來(lái)自西門(mén)子、ABB、FESTO(費斯托)等國外公司和上海某儀表公司。

　　二、現場(chǎng)總線(xiàn)儀表和設備的應用

　　國際上有上百家公司支持Profibus標準，生產(chǎn)符合該現場(chǎng)總線(xiàn)國際標準的產(chǎn)品。集成和應用現場(chǎng)總線(xiàn)儀表和設備是FCS的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是實(shí)現不同公司產(chǎn)品的互聯(lián)、互操具有重要的工程意義。以下簡(jiǎn)要介紹幾類(lèi)典型的Profibus設備和儀表的集成和組態(tài)。

　　2.1電機保護和控制單元(SIMOCODE)

　　SIMOCODE具有Profibus-DP通訊接口，通過(guò)軟件組態(tài)可實(shí)現對電機的正轉、反轉、停止控制，還具有過(guò)流報警、過(guò)流和堵轉保護跳閘、起動(dòng)曲線(xiàn)設定、過(guò)流冷卻保護等功能。通過(guò)Profibus網(wǎng)絡(luò )，能夠在工程師站對SIMOCODE進(jìn)行監視、調整參數和修改軟件組態(tài)。

　　SIMOCODE通過(guò)DP總線(xiàn)與控制器交換的數據能夠組態(tài)設定，循環(huán)周期通訊數據可組態(tài)為輸出4字節，輸入4～12字節。我們根據現場(chǎng)設備配備的實(shí)際情況，組態(tài)了4字節輸入和4字節輸出(循環(huán)周期通訊數據)，讀入非循環(huán)周期通訊數據20字節，包括報警、診斷、統計數據，用于信息診斷和設備管理。

　　控制邏輯向SIMOCODE發(fā)出的的控制指令字節，包括正轉、反轉、停止、過(guò)載測試、緊急啟動(dòng)、就地手動(dòng)/遠方自動(dòng)、故障復位、CPU故障/正常;控制器讀入SIMOCODE的反饋字節，包括電機電流(模擬量，2字節)、電機運行、停止、過(guò)載報警、就地手動(dòng)/遠方自動(dòng)、電氣總報警、電氣總故障、接觸器異常失電、母線(xiàn)電壓低、斷路器保護跳閘。我們利用SIMOCODE的智能控制，組態(tài)了現場(chǎng)的保護跳閘功能：接觸器異常失電、母線(xiàn)電壓低、斷路器斷開(kāi)等條件出現，即刻自動(dòng)跳閘電動(dòng)機，不需要控制器的指令。

　　2.2 開(kāi)關(guān)量控制單元(ET200x)和閥島

　　ET200X是一種分布式I/O控制單元，設計的保護等級為IP65/IP67。在系統中，它作為DP從站，需要通過(guò)編程與控制器主站進(jìn)行數據交換。ET200x(西門(mén)子)輸出指令控制閥島模塊(FESTO公司)，實(shí)現對氣動(dòng)閥門(mén)的控制。我們定義了4字節輸入和4字節輸出，包含了氣動(dòng)閥門(mén)的控制指令和氣動(dòng)閥的開(kāi)、關(guān)反饋。每個(gè)氣動(dòng)閥門(mén)電磁閥箱中，配置一套ET200x和閥島單元。

　　ET200x可通過(guò)2組DP通訊接口與DP主站交換數據，經(jīng)過(guò)實(shí)驗室和現場(chǎng)多次研究和試驗，實(shí)現了穩定、可靠的通訊。

　　2.3差壓和壓力變送器

　　采用了ABB公司的Profibus- PA 現場(chǎng)總線(xiàn)儀表。在國內以往的工程中，西門(mén)子設備與ABB公司現場(chǎng)總線(xiàn)儀表沒(méi)有集成在一個(gè)系統中運行的經(jīng)驗，所以系統建立之初出現了通訊無(wú)法建立的現象。經(jīng)過(guò)研究、試驗，解決了通訊協(xié)議、接口和電子描述軟件匹配的問(wèn)題，并進(jìn)行硬件設置調整，最終建立了穩定的通訊。

　　經(jīng)過(guò)組態(tài)，PA差壓和壓力變送器在循環(huán)數據通訊中向DP主站傳送10字節數據，分為2組。第1組5字節是流量或差壓測量值(浮點(diǎn)數)及其狀態(tài)。第2組5字節為差壓或溫度測量值及其狀態(tài)。狀態(tài)字節共8位分三段，分別表示測量值質(zhì)量好、壞或值不確定三類(lèi)狀態(tài)，在每類(lèi)狀態(tài)中還細分為多個(gè)子狀態(tài)。磁翻板液位變送器的輸入數據為5字節，數據結構與上述相似。

　　根據變送器的循環(huán)數據通訊，開(kāi)發(fā)了中文界面的狀態(tài)、診斷信息功能。

　　三、中文界面的現場(chǎng)實(shí)時(shí)信息診斷和設備管理軟件

　　現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的本質(zhì)性?xún)?yōu)點(diǎn)在于突破了信號傳輸的“點(diǎn)對點(diǎn)”模式，現場(chǎng)儀表和設備能夠與主控單元、HMI進(jìn)行雙向數據傳輸。豐富的數據需要實(shí)用的軟件進(jìn)行處理、分析和綜合成為有用的信息，實(shí)現高層次的診斷、管理、優(yōu)化功能。

　　在華能玉環(huán)電廠(chǎng)水處理FCS系統中，采用了西門(mén)子公司的SIMATIC PDM(過(guò)程設備管理)軟件用于PA儀表管理。PDM軟件有一定的局限性，表現在：①PDM是基于EDD標準的軟件，儀表生產(chǎn)商必須開(kāi)發(fā)和提供EDD軟件，才能被PDM管理，如超聲波液位計不能提供EDD就無(wú)法管理;②PDM軟件需要人工激活，無(wú)法自動(dòng)循環(huán)采集現場(chǎng)儀表和設備狀態(tài)和診斷信息;③PDM軟件界面沒(méi)有漢化。針對上述存在的問(wèn)題，在本項目中設計并開(kāi)發(fā)了適合火電廠(chǎng)運行及熱工維護人員使用的“化水和廢水系統信息診斷和設備管理軟件”。該軟件分別在下位控制器和上位工程師站、操作員站運行，上位機畫(huà)面使用IFIX3.5設計友好的中文人機界面，使電廠(chǎng)運行和熱工維護人員比較容易掌握、便于使用。

　　該軟件分兩部分，一部分運行在控制器CPU，自動(dòng)完成循環(huán)通訊數據采集，還可根據工程師站的指令，完成非循環(huán)通訊數據的采集，然后對數據進(jìn)行處理和分析成為狀態(tài)和診斷信息。這些信息通過(guò)OPC通訊方式存儲到工程師站的數據庫中。軟件的另一部分運行在工程師站和操作員站，如OPC通訊、圖形處理、指令處理等。呈現在運行和維護人員面前的是中文界面的狀態(tài)診斷信息和遠程設備管理的窗口。

　　3.1變送器信息和診斷

　　如2.3節所述，差壓變送器的循環(huán)數據通訊有10字節，分為2組。如某變送器定義在控制器內存中映射地址I524～I533。它們代表變送器測量的2個(gè)物理量及其狀態(tài)。第1組I524～I527是第一測量值(浮點(diǎn)數)，I528是其狀態(tài)值。第2組I529～I532為第二測量值，I533是其狀態(tài)。狀態(tài)字節共8位分三段，分別表示測量值質(zhì)量好、壞或值不確定三類(lèi)狀態(tài)，分析每類(lèi)狀態(tài)中的子狀態(tài)，設計了中文界面的狀態(tài)、診斷信息窗。“質(zhì)量好”的子狀態(tài)包括正常、高1/高2報警、低1/低2報警、事件更新;“質(zhì)量壞”子狀態(tài)包括設置錯誤、設備故障;“值不確定”子狀態(tài)包括超出范圍、設備重啟未更新、手動(dòng)模擬狀態(tài)、補償傳感器失靈。中文界面窗口見(jiàn)圖3-1。

　　圖3-2 變送器信息診斷窗口

　　3.2 超聲波液位計診斷信息和管理

　　超聲波液位計由于不具備EDD文件，所以PDM軟件無(wú)法管理。在研究了該設備通訊數據結構的基礎上，編程組態(tài)了循環(huán)周期通訊數據-輸出7個(gè)字，輸入10個(gè)字，開(kāi)發(fā)了狀態(tài)診斷信息顯示和遠程參數設置的功能。中文界面窗口見(jiàn)圖3-2。該軟件功能使運行和熱工維護人員能夠在集控室監視儀表的運行狀況，進(jìn)行參數檢查和維護設置。這樣不僅減輕了勞動(dòng)強度，提高了工作效率，而且增強了系統的可靠性和可維護性?！　?/p>

　　圖3-2 超聲波液位計診斷和管理窗口

　　3.3 電機控制和保護單元(SIMOCODE)

　　利用其循環(huán)通訊數據，形成了狀態(tài)和診斷信息，這些信息包括：正、反轉、停止、自動(dòng)/手動(dòng)、過(guò)載報警、電氣報警、電氣故障等狀態(tài)，以及斷路器保護跳閘、斷路器異常失電、母線(xiàn)電壓低等電機跳閘原因。模擬量為電動(dòng)機電流。這些信息顯示在供運行員使用的窗口中(參見(jiàn)圖3-3)。