現(xiàn)場總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應用范圍及投資分析

1、摘要數(shù)字化電廠是火力發(fā)電廠發(fā)展的熱點及趨勢,數(shù)字化電廠的本質(zhì)是信息化,現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化是實現(xiàn)數(shù)字化電廠的基礎(chǔ),現(xiàn)場總線技術(shù)是實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)字化的關(guān)鍵?，F(xiàn)場總線在火力發(fā)電廠的大范圍應用是必然的,但是目前由于各種原因,還需要在實際工程應用中進行慎重分析。主要論述了現(xiàn)場總線在數(shù)字化電廠中的應用范圍及投資分析。關(guān)鍵詞:現(xiàn)場總線,Profibus ,基金會現(xiàn)場總線,數(shù)字化電廠,應用范圍,投資分析AbstractE-power plant is a hot spot and the development trends of Thermal Power Plant.The essence of E-pow

2、er plant is in-formatization.Digital field devices is the basic of a E-power plant.Field Bus technology is the key of digital field devices.A wide range application of Field Bus technology is inevitable,but must make a careful analysis before use it in engineering applications.This paper mainly disc

3、ourses application rang and investment analysis of Fieldbus in E-power plant.Keywords :field bus,Profibus,FF,E-power plant,area of application Investment analysis數(shù)字化電廠目的是為了實現(xiàn)電廠的現(xiàn)代化運營和管理,而電廠的現(xiàn)代化運營和管理是要以大量的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)的,傳統(tǒng)的DCS 系統(tǒng)是模擬量、開關(guān)量、數(shù)字信號混合系統(tǒng)信號制,而且是單向的、一對一的,無法滿足實現(xiàn)數(shù)字化電廠的需求?，F(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展有望解決這一難題。目前,火電廠廠級和機組(

4、車間級這二級已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)字化(工業(yè)以太網(wǎng),但是現(xiàn)場控制設(shè)備級絕大部分尚未實現(xiàn)數(shù)字化,這是目前數(shù)字化電廠建設(shè)中的一個瓶頸?；痣姀S現(xiàn)場總線的應用將更側(cè)重于現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)字化及由此數(shù)字化而帶來的種種益處,而不在于純粹意義上的FCS 應用。智能現(xiàn)場設(shè)備是FCS 的硬件支持、雙向數(shù)字通信的基礎(chǔ)載體、設(shè)備狀態(tài)信息的來源,是現(xiàn)場控制設(shè)備級實現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)條件。由于現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn),推動了現(xiàn)場智能設(shè)備和智能儀表的發(fā)展,促進了傳統(tǒng)DCS 系統(tǒng)和PLC 系統(tǒng)的融合,并推動了FCS (以現(xiàn)場設(shè)備為基礎(chǔ)形成的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)的出現(xiàn)、發(fā)展和廣泛應用。1適用于過程控制的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS 現(xiàn)場總線的種類很多,

5、適用于電廠過程控制的現(xiàn)場總線(或稱之為主流產(chǎn)品有:1基金會(FF 現(xiàn)場總線(有帶控制功能的智能現(xiàn)場裝置2Profibus 現(xiàn)場總線(尚未開發(fā)用于閉環(huán)控制的功能塊3WorldFIP 現(xiàn)場總線(尚未開發(fā)相應的智能現(xiàn)場裝置目前火電廠較普遍應用的是基金會現(xiàn)場總線(FF 和Profibus 現(xiàn)場總線。2現(xiàn)場總線應用分析雖然FCS 系統(tǒng)現(xiàn)有的技術(shù)在大型火電機組上全面應用還存在一些難點,但是,利用FCS 系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù),積極開展FCS系統(tǒng)在大型火電機組局部控制領(lǐng)域的應用,不僅有可為,也是十分重要的。通過工程實踐可以讓我們更深入的認知和掌握FCS 系統(tǒng)技術(shù),這種深入的認知對于進一步開發(fā)、研究FCS 系統(tǒng)用于大

6、型火電機組的難點是十分重要的,也是必須的。另一方面,只有通過工程應用實例才能使人們深入了解和認識并且驗證FCS 的優(yōu)越性。電廠控制系統(tǒng)一貫以來都有對運行可靠性的“特殊要求”,對新技術(shù)、新裝置既渴望又保守的矛盾態(tài)度。電廠系統(tǒng)具有:I /O 測點密集、現(xiàn)場裝置密集、設(shè)備立體布置(廠域遠小于石油、化工企業(yè)、控制功能和控制策略復雜等特點。一些在安全系統(tǒng)中的核心技術(shù)(如冗余技術(shù)、三重化技術(shù)、四重化技術(shù)、高度自診斷技術(shù)等已被證明對提高安全性是卓有成效的?，F(xiàn)場總線采用冗余技術(shù)將使系統(tǒng)變得異常復雜,同時使成本大幅度提高,這有悖于開發(fā)現(xiàn)場總線的初衷。目前還未有任何一個FCS 可以應用于安全聯(lián)鎖及緊急停車系統(tǒng)。因

7、此,FCS 不能替代故障安全控制系統(tǒng)應用在安全聯(lián)鎖及緊急停車系統(tǒng)中。電廠控制系統(tǒng)還存在自動化監(jiān)控系統(tǒng)復雜(包括DAS 、FSSS 、MCS 、SCS 、DEH 、ECS 等六大系統(tǒng);機爐協(xié)調(diào)控制涉及設(shè)備多、信息量大、控制復雜;汽機控制、SOE 要求ms 級響應速度等等一系列要考慮的問題?；谝陨显?只有在充分理解FCS 的機理,與DCS 、PLC 的差異以及運用中可能存在的難題,充分協(xié)調(diào)考慮安全性和經(jīng)濟性的原則下,才能將現(xiàn)場總線技術(shù)真正運用于工程實踐,體現(xiàn)現(xiàn)場總線的優(yōu)越性。3現(xiàn)場總線應用范圍現(xiàn)場總線在火電廠的應用范圍,可以從構(gòu)成全電廠的工廠級自動化系統(tǒng)的整體來綜合考慮。面對火電廠多項實時性要

8、求高、系統(tǒng)復雜的過程監(jiān)視和控制任務,采取DCS 與FCS 共存,發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢,是現(xiàn)階段可選的方案?；谶@種想法,初步提出以下FCS 的應用范圍:1采用PLC 可編程控制器實現(xiàn)監(jiān)控的全廠輔助公用系統(tǒng),選用遵循現(xiàn)場總線通信協(xié)議的PLC 可編程控制器,對火電廠多個輔助公用系統(tǒng)實現(xiàn)監(jiān)控,通過現(xiàn)場總線通信技術(shù),建立全廠輔助公用系統(tǒng)PLC 網(wǎng)絡,提高電廠的監(jiān)控和管理水平。2地域分散的單沖量調(diào)節(jié)項目。3地域分散的獨立的電動閥或電動機。4電廠改造過程中新增的監(jiān)控區(qū)域,且DCS 已不便修改的項目,可按區(qū)域采用FCS 設(shè)備,實現(xiàn)現(xiàn)場控制。3.1輔助車間(系統(tǒng)全面推廣應用現(xiàn)場總線系統(tǒng)相對于機組級系統(tǒng)而言,輔助

9、車間(系統(tǒng)重要性及對整個電站安全性的影響程度相對弱一些,且有一定“時間段”的緩沖。另一方面輔助系統(tǒng)多為開關(guān)量順序控制,PLC 有優(yōu)勢,且主流PLC 均具有成熟的現(xiàn)場總線通訊能力。對于輔助車間(系統(tǒng)少量模擬量閉環(huán)控制,PLC 完全可以勝任。目前現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)燃煤電廠輔助車間系統(tǒng)已有大范圍應用的業(yè)績。通過在這些應用中得到的經(jīng)驗,我們得出在應用的過程中需要注意的一些問題。例如:由于新建電廠輔助車間系現(xiàn)場總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應用范圍及投資分析黃冬蘭吳國瑛(廣東省電力設(shè)計研究院,廣東廣州510663現(xiàn)場總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應用范圍及投資分析74統(tǒng)如輸煤系統(tǒng)、干灰輸送系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、凝結(jié)水精

10、處理系統(tǒng)、化學加藥系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、循環(huán)水加氯系統(tǒng)、污水處理系統(tǒng)等往往采用分島招標形式,分島招標中工藝設(shè)備與控制系統(tǒng)及儀表常又打捆供貨,造成控制系統(tǒng)及儀表由多個供貨商提供;另一方面,現(xiàn)場總線技術(shù)就目前而言還是較新的技術(shù),各輔助系統(tǒng)工藝設(shè)備供貨商對現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)還缺乏了解,業(yè)績較少,在這種情況下,如果由各輔助系統(tǒng)工藝設(shè)備供貨商提供現(xiàn)場總線設(shè)備及控制系統(tǒng)可能會對電廠輔助控制系統(tǒng)的質(zhì)量和建設(shè)工期有所影響。因此,現(xiàn)場總線技術(shù)在全廠輔助車間系統(tǒng)上的應用,必須采取工藝設(shè)備單獨分島招標、控制系統(tǒng)集中招標的形式才有可能實現(xiàn),根據(jù)單元機組現(xiàn)場總線方案設(shè)計原則,結(jié)合輔助車間工藝特點,全廠統(tǒng)一規(guī)劃技術(shù)要求

11、,盡早安排,確保輔助控制系統(tǒng)的質(zhì)量和建設(shè)工期滿足要求。鍋爐補給水處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、凈水站等輔助車間系統(tǒng)可優(yōu)先考慮采用現(xiàn)場總線技術(shù)。3.2FCS應用至大容量電廠機組級控制通過工程實踐,取得了開發(fā)、設(shè)計、調(diào)試、運行FCS的第一手經(jīng)驗(含教訓,之后,應將FCS應用延伸至大容量電廠機組級控制。機組級控制應用FCS要考慮的問題很多,諸如:現(xiàn)場總線標準選擇、重要控制與安全回路應用、馬達控制、DCS系統(tǒng)選擇、就地智能設(shè)備、就地智能設(shè)備控制功能的應用、設(shè)計確認、現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計、通訊、兼容試驗、通訊速率、工程時間網(wǎng)絡圖安排等等?；谀壳皣鴥?nèi)的應用情況,用于數(shù)據(jù)采集和簡單控制的對象完全可以納入現(xiàn)場總線控制

12、范圍。(1智能變送器用于數(shù)據(jù)采集和簡單模擬量控制的變送器選為帶FF或Profibus/PA的現(xiàn)場總線型變送器,通過總線接入DCS系統(tǒng);由于目前發(fā)電廠所配的智能變送器(如壓力、差壓變送器,都是帶有HART通訊功能的智能變送器,其它變送器可通過HART 總線送入DCS(帶HART協(xié)議的IO卡或HART協(xié)議多路轉(zhuǎn)換器,通過安裝于上位管理機的專用管理軟件可對設(shè)備進行監(jiān)視、管理和調(diào)整。采用專用管理系統(tǒng)在提高工作效率、增強機組安全經(jīng)濟性方面有很大作用。采用傳統(tǒng)方法在檢修或日常維護工作中,要對檢驗的壓力、差壓變送器進行解列/投運、停電/送電、拆線/接線、拆/裝等工作,檢驗一臺變送器需要使用中、高級檢修工1.

13、5個工作日。采用上述配置后,變送器檢驗工作全在電腦中完成,檢驗一臺變送器只需約15分鐘,大大提高了工作效率、充分利用智能變送器的功能,迅速查明故障原因,縮短故障排除時間。(2電動門現(xiàn)場總線電動門用于對安全特性無特殊要求的自動控制任務(如汽水循環(huán)、煙氣系統(tǒng)和機組協(xié)調(diào),對于對安全特性有特殊要求的自動控制任務(如鍋爐保護和燃燒器管理等及用于汽輪發(fā)電機的閉環(huán)控制設(shè)計(如DEH等不采用現(xiàn)場總線。實際工程中現(xiàn)場總線電動門的總線網(wǎng)絡可局部按等級考慮采用冗余通訊網(wǎng)絡,以確保控制網(wǎng)絡的可靠性。(3電動機從電廠電動機采用現(xiàn)場總線控制情況來看,電動機采用現(xiàn)場總線控制在電廠實際運行中已證明是可靠的,而且也已積累了一定

14、的經(jīng)驗。在工程中可根據(jù)電動機的電壓情況進行分別對待:400V及以下電機采用現(xiàn)場總線方式控制,所有信號都通過現(xiàn)場總線與分散控制系統(tǒng)連接,對于6kV電機,啟、停指令信號及電機已啟、已停信號可通過硬接線信號進入分散控制系統(tǒng),其它信號可通過總線方式進入分散控制系統(tǒng)。4技術(shù)經(jīng)濟分析4.1分散控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線方式后,對于分散控制系統(tǒng)(DCS而言,I/O 卡件可以減少,但通訊模件卻要大量增加,總體價格會增加15%左右。但隨著現(xiàn)場總線的推廣,應用的增加,卡件的價格也會相對降低。4.2現(xiàn)場設(shè)備(1電動門進口電動門:新建工程項目中,系統(tǒng)設(shè)計的電動門大多數(shù)已要求采用智能機電一體化產(chǎn)品,在這種情況下,通過進一步明

15、確現(xiàn)場設(shè)備應符合的總線標準,即可將設(shè)備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng),成本增加不大。平均每個進口現(xiàn)場總線電動門約比進口智能一體化電動門貴1萬元人民幣左右。數(shù)據(jù)為根據(jù)不同產(chǎn)品市面價格大概估計的平均值,以下同。國產(chǎn)電動門:目前國產(chǎn)電動門執(zhí)行機構(gòu)已具備支持現(xiàn)場總線功能,但國產(chǎn)電動門執(zhí)行機構(gòu)目前尚無現(xiàn)場總線應用業(yè)績,采用應謹慎。如果電動門執(zhí)行機構(gòu)全部采用進口設(shè)備,而進口現(xiàn)場總線電動門執(zhí)行機構(gòu)與國產(chǎn)的差價較大,平均每臺差價約為3萬元人民幣。(2電動機電動機控制單元大批量采用現(xiàn)場總線智能控制單元后,每臺電動機的現(xiàn)場總線智能控制單元,比常規(guī)控制單元貴5千元人民幣左右。(3現(xiàn)場變送器由于目前電廠采用的壓力、差壓變送器等基本

16、上都帶有HART總線協(xié)議接口,所以變送器采用HART協(xié)議進入分散控制系統(tǒng)對現(xiàn)場一次設(shè)備而言不增加任何費用。對于采用FF或PROFIBUS/PA的現(xiàn)場總線型變送器,每臺貴1千元人民幣左右。(4電纜采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以節(jié)約電纜、電纜橋架等安裝材料。常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案,每個電動調(diào)節(jié)閥與分散控制系統(tǒng)之間需敷設(shè)2根控制電纜,每個電動關(guān)斷門與分散控制系統(tǒng)之間一般需敷設(shè)1根控制電纜,每個電機與分散控制系統(tǒng)之間約需23根控制電纜,每根電纜平均長度約為120m。采用現(xiàn)場總線技術(shù)后只需少量的通訊電纜。電纜的投資變化視采用現(xiàn)場總線范圍而不同,全范圍采用時,電纜橋架、電纜保護管等材料和安裝可節(jié)省73%費用及工作量。

17、4.3輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線與采用可編程控制器(PLC相比,會減少一些I/O卡件,但同時也需增加一些通訊卡件,可以在一對雙絞線或一條電纜上就可以掛接多個設(shè)備,可以節(jié)約大量電纜,節(jié)約安裝費用,但同時由于要采用的儀表是數(shù)字化和智能化的現(xiàn)場總線儀表,目前其價格要比普通的儀表要貴,所以綜合比較下來,在經(jīng)濟上基本持平。綜合以上的經(jīng)濟比較,采用現(xiàn)場總線方案約比采用常規(guī)分散控制系統(tǒng)方案每臺機組需增加費用500萬元左右。5現(xiàn)場總線在數(shù)字化電廠中的應用效益5.1現(xiàn)場總線系統(tǒng)的真正效益很多人一提到現(xiàn)場總線,就會聯(lián)想到一根總線上可掛很多儀表,甚至是全系統(tǒng)的儀表。其實不然,在有本安要求時,每條現(xiàn)場總線上最多只能

18、掛接8臺現(xiàn)場總線儀表(除此之外還受供電限制、運行速度等限制?，F(xiàn)場總線也可作點對點的配置,即每條(下轉(zhuǎn)第77頁(上接第75頁總線掛2個節(jié)點的配置。在做一個具體的方案時,仍然可以按照風險分散的原則而并非省電纜的原則對現(xiàn)場總線進行配置,完全可以獲得一個安全性與傳統(tǒng)的420mA 方案一樣的FCS 。采用現(xiàn)場總線的目的不僅僅是為了節(jié)省電纜(節(jié)省電纜只不過是現(xiàn)場總線技術(shù)表層的優(yōu)點,采用DCS /PLC 的遠程I /O 也可達到類似效果,其真正意義在于它避免了智能現(xiàn)場儀表與智能控制室裝置之間的非智能連接,可以從現(xiàn)場設(shè)備獲得豐富的信息,這才是現(xiàn)場總線技術(shù)獨有的本質(zhì)優(yōu)越性。5.2電站整個生命周期的成本節(jié)約初期的

19、成本節(jié)約表現(xiàn)在較低的購買成本、工程設(shè)計與安裝費用。長期的成本節(jié)約則包括因有了網(wǎng)絡化的設(shè)備管理所帶來的較低的維護及運行成本,還有較低的擴建及改造費用。運行、維護成本節(jié)約表現(xiàn)在:1由于現(xiàn)場總線設(shè)備具有更多的故障自診斷能力,并通過數(shù)字通信方式將診斷維護信息送往控制器,管理人員通過控制器的資產(chǎn)管理系統(tǒng)(AMS 查詢所有儀表設(shè)備的運行情況,診斷維護信息,尋查故障,以便早期分析故障原因并快速排除,儀表設(shè)備狀況始終處于維護人員的遠程監(jiān)控之中。根據(jù)AMS 系統(tǒng)提供的信息準確地制定大修或搶修的作業(yè)計劃和備件儲備,不必進行現(xiàn)場設(shè)備的周期性輪流解體檢修,縮短停工維修時間,節(jié)約維修費用,降低生命周期成本。2實現(xiàn)包括基

20、礎(chǔ)自動化、管理自動化和決策自動化的高層次綜合自動化是電廠必然選擇。充分信息化是基礎(chǔ)。FCS 是消滅火電廠“信息孤島”的最好武器:FCS 的現(xiàn)場智能設(shè)備能將大量現(xiàn)場信息送上通信網(wǎng)絡,這是DCS 、PLC 無法實現(xiàn)的。這些實時信息為企業(yè)綜合自動化所必需。也是發(fā)電集團企業(yè)信息集成的基礎(chǔ)。3FCS 在提供高層次控制、管理性能的同時,使系統(tǒng)在其生命周期中的投資大大低于DCS 。電廠在重視長期的綜合經(jīng)濟性和效益時,FCS 的價格優(yōu)勢就會明顯的體現(xiàn)出來。4數(shù)字通信是一種趨勢,是技術(shù)發(fā)展的必然。另外,從理論分析的角度來看,就雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制技術(shù)本身,也必將會給火電廠安全經(jīng)濟運行及提高管理水平帶來實實

21、在在的效益。這一點是過去在電站使用過的任何控制系統(tǒng)無法與之相比擬的。參考文獻1周明.現(xiàn)場總線控制M .北京:中國電力出版社,20022劉宇穗,張振全,李軍,等.數(shù)字化電廠架構(gòu)及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計J .熱力發(fā)電,2008,37(123王忠.現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠的應用分析J .大眾科學·科學研究與實踐,2008(184周明.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在火電廠的應用與前景J .電力設(shè)備,2003,4(25胡蓉.現(xiàn)場總線在火電廠中的應用J .四川電力技術(shù),2003(6 別、偽峰剔除、基線跟蹤和結(jié)果顯示等問題。其它功能有自動進樣控制、流路控制及相應的控制模型,這些控制及模型均在PLC 系統(tǒng)中實現(xiàn)。2.4

22、質(zhì)譜檢測系統(tǒng)由色譜分離后的氣體組分自動導入質(zhì)譜系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過質(zhì)譜儀的RS232接口進行指令控制,數(shù)據(jù)傳輸則通過USB 接口。這兩個接口經(jīng)過接口模塊轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的RS485接口與PLC 或計算機相連。圖4質(zhì)譜檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3控制層及數(shù)據(jù)處理層3.1控制層鑒于本系統(tǒng)的需要具有一定的靈活性,控制層主要采用模塊化設(shè)計的S7-200系列PLC 系統(tǒng)。主要需實現(xiàn)3個功能:系統(tǒng)運行過程中各種參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)運行情況控制、設(shè)備監(jiān)視與故障報警;以及3個控制回路:自動取樣變頻控制、溫度控制、流路切換控制。由于色譜儀和質(zhì)譜儀均為自定義通信模式,所以PLC 采用RS485通信接口和自由編程通信協(xié)議。3.2數(shù)據(jù)處理層本工作站的核心技術(shù)就在于數(shù)據(jù)處理層,色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù),使氣象色譜