現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在數字化電廠(chǎng)中的應用
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何為數字化電廠(chǎng)，這個(gè)問(wèn)題近幾年來(lái)在業(yè)界得到了廣泛的討論。隨著(zhù)計算機技術(shù)和通信技術(shù)在電力行業(yè)的廣泛應用，數字化已普遍應用于電力生產(chǎn)過(guò)程的決策層、管理層和監控層，數字化電廠(chǎng)也逐步成為現代化發(fā)電企業(yè)發(fā)展的方向，從目前對數字化電廠(chǎng)的認識來(lái)看，數字化電廠(chǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構可以劃分為三個(gè)層次,即直接控制層(包括數據采集)、管控一體化層、管理決策層，而將三個(gè)層次連接起來(lái)的就是數據庫和計算機網(wǎng)絡(luò )。
管理決策層：MIS
管控一體化層：SIS AMS智能設備管理系統
現場(chǎng)控制層：DCS等
目前SIS是一個(gè)準實(shí)時(shí)監控系統，SIS側重點(diǎn)是實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程管理和監控，對實(shí)時(shí)性要求高，SIS的實(shí)時(shí)性要求比MIS高，比DCS略低。對實(shí)時(shí)性要求之所以比DCS略低，其原因是SIS應用功能目前大多數是開(kāi)環(huán)的，如負荷分配功能，電廠(chǎng)負荷非直調方式-中調把全廠(chǎng)負荷發(fā)給電廠(chǎng)，電廠(chǎng)按優(yōu)化分配算法把負荷分配給每臺機組。如果SIS中的這一功能真正實(shí)現閉環(huán)，將取得明顯的經(jīng)濟效益。如SIS實(shí)施閉環(huán)，其對實(shí)時(shí)性的要求將與DCS相當。
數字化電廠(chǎng)很重要的組成部分是上層SIS等應用軟件，SIS需要的實(shí)時(shí)信息取自于DCS和輔助車(chē)間監控系統等，由于DCS采用的是模擬量、開(kāi)關(guān)量，不具備將設備狀態(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，也是建設真正意義上的數字化電廠(chǎng)的瓶頸。
而FCS系統采用的是全數字、雙向通信現場(chǎng)總線(xiàn)信號制，完全解決了智能現場(chǎng)儀表與智能控制室儀表之間的連接問(wèn)題，解決了瓶頸，滿(mǎn)足SIS需求，也為現場(chǎng)控制設備級實(shí)現數字化、建設真正意義上的數字化電廠(chǎng)提供了基礎條件。要建設真正意義上的數字化電廠(chǎng)，必須解決現場(chǎng)控制設備級數字化，目前現場(chǎng)總線(xiàn)能完成這一使命。FCS是消滅火電廠(chǎng)“信息孤島”的最好武器：FCS的現場(chǎng)智能設備能將大量現場(chǎng)信息送上通信網(wǎng)絡(luò )，這是DCS、PLC無(wú)法實(shí)現的。
二、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)介紹
現場(chǎng)總線(xiàn)(field bus)，按其國際電工委員會(huì )IEC61158的定義為：“安裝在制造或過(guò)程區域的現場(chǎng)裝置與控制室內的自動(dòng)控制裝置之間的數字式、串行、多點(diǎn)通信的數據總線(xiàn)稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)”;按歐洲標準EN50170的描述為“通用現場(chǎng)通信系統”。故可將以現場(chǎng)總線(xiàn)和現場(chǎng)智能裝置為基礎的、全數字控制的系統統稱(chēng)為FCS。而衡量一個(gè)控制系統是否為真正的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS有三個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn)，即：核心、基礎和本質(zhì)。FCS的核心是總線(xiàn)協(xié)議，只有遵循現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的控制系統，才能稱(chēng)為現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統;FCS的基礎是數字智能現場(chǎng)儀表，它是FCS的硬件支撐;FCS的本質(zhì)是信息處理現場(chǎng)化，這是FCS的系統效能體現。
目前主要有以下8種現場(chǎng)總線(xiàn)作為IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)的標準，即：FF H1、Control Net、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、World FIP、Swift Net和FF之高速Ethernet即HSE。以上8種國際標準總線(xiàn)中，P-Net和SwiftNet是用于有限領(lǐng)域的專(zhuān)用現場(chǎng)總線(xiàn)，考慮到所適用應用對象的指定要求，這兩種類(lèi)型總線(xiàn)的功能相對比較簡(jiǎn)單;contro1Net 、Profibus 、World FIP 和Interbus現場(chǎng)總線(xiàn)是由PLC為基礎的控制系統發(fā)展而來(lái)的現場(chǎng)總線(xiàn)，從本質(zhì)上講它們以遠程I/O總線(xiàn)技術(shù)為基礎，通常不具備通過(guò)總線(xiàn)向現場(chǎng)裝置供電和本質(zhì)安全性能。如果進(jìn)一步劃分，Control Net只是監控級總線(xiàn)，Profibus和WorldFIP則包括兩個(gè)層次的總線(xiàn);FF H1總線(xiàn)和HSE總線(xiàn)是由傳統DCS控制系統發(fā)展而來(lái)現場(chǎng)總線(xiàn)，充分考慮向現場(chǎng)儀表兩線(xiàn)制供電和本質(zhì)安全要求，功能較為復雜。
目前用于火電廠(chǎng)過(guò)程控制的現場(chǎng)總線(xiàn)，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)現場(chǎng)總線(xiàn)和PROFIBUS(Process Fieldbus)現場(chǎng)總線(xiàn)兩種。
下面對FF和PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹：
2.1 FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統
FF由低速H1總線(xiàn)和高速以太網(wǎng)H2(現在發(fā)展為HSE-High Speed Ethernet)總線(xiàn)組成。其傳輸介質(zhì)是雙絞線(xiàn)。H1總線(xiàn)主要用于生產(chǎn)現場(chǎng)，速率為31.25Kbps，兩線(xiàn)制信號傳輸并同時(shí)向現場(chǎng)設備供電，具備本質(zhì)安全特征(防爆場(chǎng)合)。H2總線(xiàn)主要面向過(guò)程控制級、遠程I/O和高速工廠(chǎng)自動(dòng)化的應用，采用100Mbps高速以太網(wǎng)協(xié)議(HSE)。
2.2 PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)系統
PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)系統由傳輸技術(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(PROFIsafe、PROFIdrive等)、專(zhuān)用行規(如PA devices)組成。通訊技術(shù)協(xié)議PROFIBUS DP的發(fā)展從DPV0(循環(huán)數據交換)到DPV1(循環(huán)和非循環(huán)數據交換、報警與狀態(tài)信息處理)，直至DPV2(運動(dòng)控制、交叉通訊、時(shí)間同步等)。正因為PROFIBUS 擁有統一的通信協(xié)議(PROFIBUS DP), 并在此基礎上發(fā)展了不同的通用應用行規和專(zhuān)用應用行規，使得PROFIBUS可以廣泛地應用工業(yè)自動(dòng)化的各個(gè)領(lǐng)域。以下對有關(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備級控制系統與分散式I/O的通訊技術(shù)。協(xié)議結構是以開(kāi)放式系統互聯(lián)標準(OSI — Open System Interconnection )為參考模型，定義了第一、二層(物理層、數據鏈路層)和第七層(應用層);傳輸技術(shù)采用RS-485雙絞線(xiàn)電纜和光纜，波特率從9.6kbps到12Mbps;支持單主或多主系統令牌傳輸方式，總線(xiàn)上最大站點(diǎn)數為126個(gè)。
2) DP V1專(zhuān)為過(guò)程自動(dòng)化設計，通過(guò)DP/PA Link可實(shí)現儀器儀表、執行器到控制器的數字通訊連接。在協(xié)議上定義了第一、二、七層(物理層、數據鏈路層、應用層)。其中的應用層包含了現場(chǎng)總線(xiàn)的信息規范和通訊接口規范;數據傳輸技術(shù)采用MBP、MBP-IS等，通訊介質(zhì)采用雙絞線(xiàn)，傳輸率為31.25kbps，可實(shí)現總線(xiàn)供電，本質(zhì)安全規范，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(xiàn)技術(shù)的基礎上，實(shí)現了安全通訊指標SIL3以上。
4) PROFINET實(shí)現了現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)的最佳結合，不僅實(shí)現了對用戶(hù)先前投資的保護，而且還通過(guò)PROXY和OPC DADX同其它的總線(xiàn)相連以及對IT技術(shù)的集成，并可實(shí)現分布式自動(dòng)化和縱、橫向立體集成;此外，通過(guò)國際Internet網(wǎng)和Web網(wǎng)，也可對現場(chǎng)設備進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)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 的標準產(chǎn)品超過(guò)2100多種，分別來(lái)自世界250多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)商。PROFIBUS在全球各行各業(yè)所占市場(chǎng)份額超過(guò)了20%，應用實(shí)例約100萬(wàn)個(gè)，據PROFIBUS國際組織宣布，基于PROFIBUS接口的設備節點(diǎn)應用在2003年底突破了1000萬(wàn)個(gè)。
三、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在國內電廠(chǎng)的應用
目前火電機組向高參數、大容量方向發(fā)展，一方面渴望采用新技術(shù)、新系統;另一方面由于機組本身的熱力特性和電力生產(chǎn)的特點(diǎn)所決定，對安全性和可靠性有特殊要求，因而對新技術(shù)、新系統的應用十分謹慎，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，為研究和應用FCS，一些科研院所積極進(jìn)行試驗和開(kāi)發(fā)。國電熱工研究院于1998年購進(jìn)一套FF現場(chǎng)總線(xiàn)系統(Delta V系統)，包括2臺監控計算機、5個(gè)H1I/O卡、10路H1總線(xiàn)、100多臺高精度智能變送器(壓力和溫度)。該套系統已在多個(gè)電廠(chǎng)的性能考核和運行調整中發(fā)揮作用，并積累了FCS的配置和安裝經(jīng)驗。
近幾年現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和設備正逐步應用到國內一些電廠(chǎng)的外圍輔助系統中。例如山東萊城電廠(chǎng)、江陰夏港電廠(chǎng)、華能玉環(huán)電廠(chǎng)、吉林九臺電廠(chǎng)、華能金陵電廠(chǎng)、國華寧海電廠(chǎng)等。下面就華能的幾個(gè)電廠(chǎng)做簡(jiǎn)單介紹：
3.1 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在華能玉環(huán)電廠(chǎng)的應用
華能玉環(huán)電廠(chǎng)在鍋爐補給水控制系統、電廠(chǎng)化學(xué)凈水及廢水控制系統中采用了現場(chǎng)總線(xiàn)儀表設備，作為FCS在電廠(chǎng)中的應用嘗試，該控制系統包括了人機界面、控制站(西門(mén)子PCS7 417H)、Profibus-DP和PA通訊網(wǎng)絡(luò )、現場(chǎng)總線(xiàn)儀表和設備。DP支路連接儀表、電機控制保護單元(采用西門(mén)子SIMOCODE直接安裝在MCC柜內)、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、磷酸根測量?jì)x等儀表采用PROFIBUS PA總線(xiàn)，因此所有的現場(chǎng)儀表和執行器都將通過(guò)DP/PA耦合器連接到總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )上。氣動(dòng)閥門(mén)定位器也采用PA總線(xiàn)，實(shí)現了氣動(dòng)閥控制，每個(gè)電磁閥箱配一套閥島，模塊驅動(dòng)電磁閥，模塊采集閥位反饋，通過(guò)DP與PLC通訊?？傸c(diǎn)數為502點(diǎn)，其中486點(diǎn)以現場(chǎng)總線(xiàn)方式接入(有個(gè)別分析儀表不能提供Profibus標準接口)。
3.2 華能南京金陵電廠(chǎng)
華能南京金陵電廠(chǎng)2×1000MW燃煤機組，主輔機采用現場(chǎng)總線(xiàn)系統，主機部分各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)儀表及監控設備約960臺左右，目前總線(xiàn)覆蓋率40%左右。主要保護和DEH、SOE，重要調節回路、6KV電機采用常規方式?？偩€(xiàn)標準選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。
3.3 華能吉林九臺電廠(chǎng)
華能吉林九臺電廠(chǎng)2×600MW燃煤機組，主輔機采用現場(chǎng)總線(xiàn)系統，主機部分各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)儀表及監控設備約380臺左右，目前總線(xiàn)覆蓋率30%左右。主要保護和DEH、SOE，重要調節回路、6KV電機采用常規方式?？偩€(xiàn)標準選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)。
四、現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統選型配置分析及應用規劃
4.1 現場(chǎng)總線(xiàn)的選型配置方案
從現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的應用經(jīng)驗來(lái)看，PROFIBUS總線(xiàn)技術(shù)在國內外電廠(chǎng)中有較多成功的應用，如德國的Niederaussem電廠(chǎng)、陜西楊凌熱電廠(chǎng)、山東龍口電廠(chǎng)、河北三河電廠(chǎng)、廣安電廠(chǎng)、山東萊城電廠(chǎng)、江蘇夏港電廠(chǎng)、寧海電廠(chǎng)、華能巢湖電廠(chǎng)、華能金陵電廠(chǎng)、華能九臺電廠(chǎng)等。
眾所周知，目前國外幾大知名DCS系統基本上都能接受PROFIBUS和FF現場(chǎng)總線(xiàn)標準。如SIEMENS公司的T—3000系統能接受PROFIBUS現場(chǎng)總線(xiàn)標準，FOXBORO公司的I/A系統能接受PROFIBUS和FF現場(chǎng)總線(xiàn)標準，艾默生公司的OVATION系統能接受PROFIBUS和FF現場(chǎng)總線(xiàn)標準，ABB公司ABB symphony系統能接受PROFIBUS和FF現場(chǎng)總線(xiàn)標準。
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