全面數(shù)字化電廠構(gòu)想

1、全面數(shù)字化電廠構(gòu)想發(fā)表時間:2008-10-16作者：劉宇穗摘要：一、全面數(shù)字化電廠概述    當今，大規(guī)模、大容量電廠不斷涌現(xiàn)，由于其設(shè)備和系統(tǒng)愈來愈多，所需操作、控制設(shè)備也愈來愈多，生產(chǎn)過程高度自動化，電力行業(yè)市場經(jīng)濟逐步形成，發(fā)電企業(yè)必將加速進入信息化時代。生產(chǎn)過程的高度自動化和管理現(xiàn)代化的實現(xiàn)，與企業(yè)先進的、強大的信息網(wǎng)絡分不開的，中央提出的"信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化"的方針指示具有深遠的指導意義。    一個企業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控和管理信息化的基礎(chǔ)是全面的電廠數(shù)字化，電廠的數(shù)字化、網(wǎng)絡化覆蓋的范圍、功

2、能應用、人員的依賴程度決定了其信息化水平，信息化高水平除了通過電廠的數(shù)字化、網(wǎng)絡化實現(xiàn)外，別無其他的途徑，可以想象，人工去采集成千上萬有效信息點，進行分揀、修正、分析，形成有效的信息系統(tǒng)是完全不可能的事情。近年來，數(shù)字化在廠級發(fā)展迅速，普遍建立了SIS/MIS網(wǎng)架，配置了實時數(shù)據(jù)庫、故障診斷、狀態(tài)檢修、性能優(yōu)化、設(shè)備管理等監(jiān)控和管理等軟件，苦于大量現(xiàn)場設(shè)備、元件、局部系統(tǒng)信息無法自動、實時、準確上傳，制約了企業(yè)信息化的發(fā)展，從而影響了企業(yè)過程監(jiān)控、管理現(xiàn)代化的實現(xiàn)，使其電力市場競爭中處于被動的局面。因此，實現(xiàn)全面數(shù)字化電廠是勢在必行，實現(xiàn)全面數(shù)字化電廠可進一步提高運行的安全可靠性，適應現(xiàn)代化管

3、理的要求，減少運行維護成本，降低工程造價。    有了全面數(shù)字化作基本保證，電廠的信息化、網(wǎng)絡化就得以迅速的發(fā)展，SIS/MIS數(shù)據(jù)庫得到充實;設(shè)備、元件的故障診斷及其壽命預測將會更加準確和有效;設(shè)備、機組、系統(tǒng)運行得到優(yōu)化;設(shè)備、人員的管理更加有序;各方面的信息的傳達更加暢通，從而使得企業(yè)更有活力，實現(xiàn)高度自動化和管理現(xiàn)代化，保證企業(yè)的安全、可靠性，大大提高其經(jīng)濟效益，在電力市場競爭中立于不敗之地。二、全面數(shù)字化電廠結(jié)構(gòu)    按2000年示范電廠的"先進、實用"原則，電廠自動化系統(tǒng)分為三個層次，最上層(第一層)

4、是監(jiān)控、信息管理層，第二層是過程控制層，第三層是設(shè)備、元件層。    第一層是監(jiān)控、信息管理層，功能包括廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)，廠級信息管理系統(tǒng)(MIS)，決策支持系統(tǒng)(DSS)，這是基于SIS、MIS之上功能軟件，包含于SIS、MIS之中。    SIS主要功能包括收集來源于過程級的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫;設(shè)備故障診斷;設(shè)備壽命預測;機組優(yōu)化監(jiān)控;廠級性能計算等，SIS為生產(chǎn)管理人員提供分析和決策，它能最大程度地獲得過程信息，有效地、經(jīng)濟地發(fā)揮設(shè)備、系統(tǒng)作用，使機組時刻貢獻最大的經(jīng)濟效益。    M

5、IS主要功能包括收集來源于過程級的實時和非實時數(shù)據(jù)庫，處理、積累相關(guān)信息，幫助進行綜合加工，幫助企業(yè)優(yōu)化資源配置，完成企業(yè)人事資源信息管理;完成企業(yè)財務信息管理;進行設(shè)備維護管理;基建及生產(chǎn)經(jīng)營管理;辦公室自動化。    第二層次是操作、監(jiān)視過程級，它包括鍋爐、汽機、發(fā)電機主廠房控制系統(tǒng)和輔助車間集中網(wǎng)絡化的輔助車間控制系統(tǒng)，主要完成對設(shè)備運行層實時數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲，監(jiān)視、操作系統(tǒng)及設(shè)備，這是一個實時性強;安全性、可靠性、準確性、穩(wěn)定性要求高;強調(diào)相對快速反應的控制系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)存儲和整飾是有局限的，它所側(cè)重的是監(jiān)視和操作。因此，形成SIS/MIS所需的數(shù)據(jù)信

6、息，通過這里上傳。    主廠房控制系統(tǒng)一般都采用分散控制系統(tǒng)(DCS)來實現(xiàn)，硬件包括操作員站、工程師站、打印機、歷史站、多功能處理器、通訊處理器、I/O卡件(遠程I/O)、現(xiàn)場總線等，功能包括數(shù)據(jù)采集(DAS)、模擬量控制(MCS)、開關(guān)量控制(SCS)、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、給水泵汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(MEH)等。    輔助車間控制系統(tǒng)是一個全廠小車間控制系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，可以采用DCS來實現(xiàn)，也可以采用程序控制器加個人計算機(PLC+PC)來實現(xiàn)，由于(PLC+PC)網(wǎng)絡公開

7、性較好，一般都采用(PLC+PC)來組成輔助車間控制系統(tǒng)。硬件包括操作員站、工程師站、打印機、歷史站、多功能處理器、可編程控制器、通訊處理器、I/O卡件(遠程I/O)、現(xiàn)場總線等，按2000年燃煤示范電廠以及新頒發(fā)火力發(fā)電廠設(shè)計技術(shù)規(guī)程對輔助車間控制方式的要求，按三個相對集中監(jiān)控點集中監(jiān)控，在水控點，設(shè)置過渡子控制室在化學補給水車間，范圍包括補給水車間控制、凝結(jié)水控制、全廠廢水處理控制、原水預處理控制等。在灰控點，設(shè)置過渡子控制室在電除塵綜合樓，范圍包括除灰、除渣控制系統(tǒng)，脫硫控制系統(tǒng)、電除塵控制系統(tǒng)等。在煤控制點，范圍包括輸煤控制系統(tǒng)、輸煤沖洗水控制系統(tǒng)等?？紤]到人員素質(zhì)和運行方式的現(xiàn)狀，設(shè)

8、置了過渡子控制室，一旦條件成熟，競價上網(wǎng)真正實行，減員增效，過渡子控制室將撤銷，全部集中到全廠集控室集中監(jiān)控。    第三層次是設(shè)備、元件級，它包括現(xiàn)場控制對象被控對象，如電動機開關(guān)柜、電動門配電箱、壓力、差壓變送器、溫度熱電阻、熱電偶、液位變送器、流量變送器、分析儀表變送器等，它們把過程參量轉(zhuǎn)換成國際標準電流、電壓信號送進DCS、PLC，或者采用標準數(shù)字總線方式直接把數(shù)字量信號送進DCS、PLC，從而滿足運行人員對機組的監(jiān)控要求和滿足廠級管理人員對全廠生產(chǎn)、行政管理要求。三、全面數(shù)字化電廠的構(gòu)想    從現(xiàn)在整個電廠的管理和監(jiān)控情況

9、來看，第二層次過程級已基木實現(xiàn)了智能化和數(shù)字化，這一級著重考慮的實時性和可靠安全性。在第一層次監(jiān)控、信息管理層和第三層設(shè)備、元件層數(shù)字化實現(xiàn)的深度、成效還很不夠，是大有文章可做的。3.1 監(jiān)控、管理層    SIS和MIS雖然都有不少的應用軟件，由于沒有適合時機，很多可用的軟件功能沒能發(fā)揮應有作用，如SIS功能中，機組自動優(yōu)化和調(diào)度;設(shè)備狀態(tài)檢測和分析;設(shè)備故障診斷及壽命預測，還有MIS的功能，包括設(shè)備維護管理、基建和生產(chǎn)經(jīng)營管理、人力資源管理、財物資源管理等，在現(xiàn)有項目中，應用情況都沒能達到設(shè)計要求，在監(jiān)控、管理層，要完善信息化及網(wǎng)絡化功能是需要時間和適合的機會

10、來臨，這不是現(xiàn)在某個工程和項目馬上能完成的事情，但在現(xiàn)階段切實可行的是工程引入三維技術(shù)手段應用于設(shè)計過程、施工和運行管理過程，這不但為電力設(shè)計注入新意，同時也給實現(xiàn)數(shù)字電廠提供技術(shù)保證。    (1)三維技術(shù)應用設(shè)計工作主要在以下幾方面體現(xiàn)其作用     建立三維模型，立體感強，優(yōu)化設(shè)計十分方便。     碰撞檢查，三維模型具有精確的立體坐標和屬性，能檢查出所有的碰撞，以前靠人工檢查，無法避免工程的"碰"、"漏"現(xiàn)象。  &#

11、160;  自動生成二維圖，在其設(shè)備、管道、管件均有與三維模型中相應部分相同的屬性。     材料匯總功能，由于有了屬性連接，可準確統(tǒng)計材料，特別是管材和電纜長度等，不會出現(xiàn)設(shè)計中少開或多開材料問題。    (2)三維技術(shù)應用于工程施工管理和電廠運行、維護主要在以下幾方面體現(xiàn)其作用     可協(xié)助施工及安裝單位制定正確的施工安裝程序。     安裝部分可使用自動配管程序進行最佳配管，提高施工效率。   &#

12、160; 有了三維模型，電廠管理人員對全廠的設(shè)備布置更直觀、更立體感，對設(shè)備、系統(tǒng)管理參數(shù)化維護檢修人員可使用三維功能指導，實現(xiàn)對設(shè)備無碰撞檢修，更有序、更方便設(shè)備及系統(tǒng)管理和維護。     三維設(shè)計技術(shù)的有效引入，方便了施工進度管理和安排，有效地消除或減少施工中返工和浪費，在電廠運行、維護管理也起到了有效作用，為保證全面數(shù)字化電廠實現(xiàn)，提供了科學、有效的手段。3.2 第三層設(shè)備、元件層    這是數(shù)字化電廠最基礎(chǔ)部分，大量的設(shè)備、元件乃至系統(tǒng)信息不能自動地、有效地上傳到監(jiān)控、管理層，導致所提到的監(jiān)控和管理軟件不能有效地應用

13、，嚴重制約了全面數(shù)字化電廠的實現(xiàn)，使得企業(yè)的信息化和管理現(xiàn)代化目標實現(xiàn)起來更顯得遙遙無期，要解決這一難題，根本方案是采用智能控制器+智能傳感器+數(shù)字現(xiàn)場總線通訊模式。最近幾年，很多電廠為最大可能獲得生產(chǎn)、管理信息，一直在努力推廣智能控制器+智能變送器+現(xiàn)場總線控制方式。取得很好的成效。3.2.1 現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品      現(xiàn)場總線技術(shù)和產(chǎn)品，以及由此組成的控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)是開放的、全數(shù)字化和雙向、多站的通訊網(wǎng)絡，與多功能的智能化現(xiàn)場數(shù)字儀表是FCS的主要特征，它將可降低設(shè)計、

14、施工、調(diào)試、運行、維護和系統(tǒng)擴展等方面的綜合費用。現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為一種新興技術(shù)，已成功應用在石化、化工、冶金、醫(yī)藥、市政 工程、樓宇、建材等多個行業(yè)，在一些電廠技改項目中如除灰、輸煤等控制中也開始嶄露頭角。    PROFIBUS總線技術(shù)在國內(nèi)外電廠中有過較多成功的應用，如德國的Niederaussem電廠、國內(nèi)陜西楊凌熱電廠、山東龍口電廠、河北三河電廠、廣安電廠等。其中Niederauceem應用在如汽水循環(huán)、煙氣系統(tǒng)和機組協(xié)調(diào)，陜西楊凌熱電廠用于余熱鍋爐及其輔助設(shè)備、燃氣輪機外圍系統(tǒng)、蒸汽輪機及其輔助設(shè)備，山東龍口電廠用于輸煤程控，浙江寧海電廠在汽機開、閉

15、式水系統(tǒng)中采用了現(xiàn)場總線技術(shù)。    FF現(xiàn)場總線的產(chǎn)品主要在化工、醫(yī)藥、冶金、水廠等方面應用業(yè)績較多，最近EMER-SON公司的Delta V系統(tǒng)在意大利的一家發(fā)電廠的水處理項目上也有應用。電廠輔助車間的控制對象類型與上述應用場合較為相似，具有一定的參考價值。    現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，使貫穿于控制系統(tǒng)的各個層次獲得了廣泛的新功能，例如在現(xiàn)場儀表中實現(xiàn)更多的控制、多變量的測量和傳輸、基于自查的現(xiàn)場設(shè)備維護和管理等等。這些新的功能將為系統(tǒng)生命周期內(nèi)各個階段帶來實際的效益和利益，從項目早期開始，到實際運行期間，利用現(xiàn)場總線技術(shù)所帶來的這些新

16、功能均可實現(xiàn)實質(zhì)性的成本節(jié)約，增加效益和收益，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)則不具備這種能力。3.2.2 更強大的系統(tǒng)功能    數(shù)字通訊最重要的好處之一也許就是能從一臺設(shè)備通過網(wǎng)絡訪問另一臺設(shè)備上所有的參數(shù)。因此，現(xiàn)場總線技術(shù)有可能到達過去現(xiàn)場設(shè)備和主站無法達到的系統(tǒng)功能水平。以前，一臺二線制變送器有一個42OmA的信號輸出，它只能代表一個測量結(jié)果。雖然二線制多變量變送器已出現(xiàn)幾年了，但從來沒有成為主流，原因是這種設(shè)備所采用的數(shù)字通訊太慢，結(jié)果只有一個測量值可供使用?，F(xiàn)場總線則有足夠的速度(如PROFIBUS最大可達12Mbps)使每臺設(shè)備能夠?qū)崟r地傳送多個測量值。在同一個雙絞線

17、網(wǎng)絡上，閥門定位器向主站傳送實際閥位的反饋及執(zhí)行器的壓力，同時也接受閥門的設(shè)定點，并不需要增加額外的電纜。3.2.3 網(wǎng)絡化設(shè)備管理    現(xiàn)場總線技術(shù)的一個重要的特點是不僅能夠傳送過程I/O信號，也能夠?qū)⒎沁^程數(shù)據(jù)送往總線進行輸送。此類數(shù)據(jù)包括組態(tài)下載、遠程操作和整定數(shù)據(jù)以及對設(shè)備進行管理所用的參數(shù)(如診斷數(shù)據(jù)和校驗數(shù)據(jù))。傳統(tǒng)的設(shè)備管理必須有單獨的一套軟件，并由人來輸入數(shù)據(jù)。現(xiàn)場總線通訊能使設(shè)備管理軟件從集中控制室直接與遍及全廠的設(shè)備進行對話。有關(guān)設(shè)備的全部信息都可以在控制室的主站上看到，包括位號及其它標識、測量范圍、結(jié)構(gòu)材料以及最近的校驗記錄等等。 

18、;   網(wǎng)絡化的設(shè)備管理功能對于運行和維護特別有幫助。在一個基于現(xiàn)場總線技術(shù)的系統(tǒng)中，操作員可以從工作站觀察到工廠內(nèi)每一臺現(xiàn)場總線設(shè)備的內(nèi)部運行情況。這在過去是很難想象的。數(shù)字通訊意味著所有設(shè)備的信息可以通過網(wǎng)絡進行訪問。不用離開工作站就可以檢查設(shè)備的校驗狀態(tài)，設(shè)定新的量程以及對設(shè)備進行重新組態(tài)和診斷。距離越遠，環(huán)境越復雜，數(shù)字通訊能夠體現(xiàn)的好處就越明顯。3.2.4 分散的功能    基于現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)備可執(zhí)行比單純的輸入輸出更多的功能。一臺變送器不僅能進行測量，而且還可以完成補償和累計功能;一臺閥門定位器不但能對閥門定位，而且還可以完成流量

19、的特性化與過程回路的控制等其它功能。3.2.5 更寬的診斷范圍    現(xiàn)場總線都可從現(xiàn)場設(shè)備和儀表取得更多的維護診斷數(shù)據(jù)。自診斷例行程序?qū)υO(shè)備的健康狀況進行檢查，并將該設(shè)備產(chǎn)生的信息是否準確可信告知系統(tǒng)的其余部分。通過先進的自檢查和診斷功能找出設(shè)備的故障是整個現(xiàn)場總線功能鏈中的第一步，它將為整個工廠在生命周期內(nèi)節(jié)約運行成本。    在現(xiàn)場總線中，診斷信息可以動態(tài)可見地表示為每個測量參數(shù)和操作參數(shù)狀態(tài)。狀態(tài)告訴操作員和工程師過程值的有效性，使他們更有自信地做出決定。在某些系統(tǒng)中，狀態(tài)還被用于控制策略。以便能在異常工況下采取特殊措施。3.2.6 運行統(tǒng)計    預見問題的到來比問題出現(xiàn)后立即被發(fā)現(xiàn)更好。利用對影響磨損的因素進行超前指示，預測將更加容易和精確。大