電廠架構(gòu)及現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)設(shè)計

目前，我國火電廠廠級和機組(車間)級已實現(xiàn)了數(shù)字化，但現(xiàn)場控制設(shè)備級大部分尚未實現(xiàn)數(shù)字化，這已成為現(xiàn)場總線技術(shù)需要解決的難題。建設(shè)數(shù)字化電廠的目的是使發(fā)電廠在整個服役期經(jīng)濟效益最大化。數(shù)字化電廠結(jié)構(gòu)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 個支持系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡支持系統(tǒng))，它們分別交叉和納人在 DCS (包括 FCS )、電站仿真系統(tǒng) ( SIMU )、火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、管理信息系統(tǒng)( MIS )及決策支持系統(tǒng)( DSS )中。

一、數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)條件

(1) MIS 是建設(shè)數(shù)字化電廠的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要為全廠運營、生產(chǎn)和管理服務，完成設(shè)備和維修管理、生產(chǎn)經(jīng)營管理(包含電力市場報價子系統(tǒng))、財務管理等功能。 MIS 具有 2 個層次的功能：自動傳遞和匯集數(shù)據(jù);以成本核算和資源集成為出發(fā)點，對管理數(shù)據(jù)進行加工、整理、發(fā)掘和分析。

(2) SIS為 MIS 的生產(chǎn)過程管理功能模塊。 SIS既是發(fā)電廠建立全廠生產(chǎn)過程實時/歷史數(shù)據(jù)庫的平臺，也是為全廠生產(chǎn)過程優(yōu)化服務的實時生產(chǎn)過程監(jiān)控和管理信息系統(tǒng)。SIS一端是控制系統(tǒng)( DCS / PLC / 機組仿真系統(tǒng))，另一端是 MIS ，其應用模塊主要有實時數(shù)據(jù)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(shù)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對實時性要求較高，其實時信息取自 DCSO由于 DCS 采用的模擬量、開關(guān)量、數(shù)字信號為混合系統(tǒng)信號制，而且為單向，不具有將設(shè)備狀態(tài)的實時信息上傳至控制器的功能，從而使SIS無法獲得這些信息，成為SIS進一步提高功效的瓶頸。

(3) FCS 應用于電廠機組級控制，其采用全數(shù)字、雙向通信的現(xiàn)場總線信號制，解決了智能現(xiàn)場儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接問題，為建設(shè)數(shù)字化電廠提供了基礎(chǔ)條件。

二、FCS的設(shè)計

(1) 現(xiàn)場總線標準 2000 年4月公布的國際現(xiàn)場總線標準 IEC61158 包括了 10 種類型，其中基金會現(xiàn)場總線(FF)和過程現(xiàn)場總線(Profibus)在過程控制領(lǐng)域有較廣泛的應用，F(xiàn)F 較適合模擬量控制，Profibus 較適合開關(guān)量控制。

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

(3)電動機控制 部分380V、6kV電動機采用現(xiàn)場總線控制方式。

(4)DCS為基本系統(tǒng) 由于有些DCS可與FCS無縫連接，因此采用以DCS為基礎(chǔ)利用 FCS 的信息處理、設(shè)備診斷和設(shè)備管理軟件進行設(shè)備級控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(5)就地智能設(shè)備控制功能 部分現(xiàn)場總線的就地智能設(shè)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(shè)備(變送器或執(zhí)行機構(gòu))中，由就地智能設(shè)備實現(xiàn)控制。機組級控制系統(tǒng)分級劃分及比率見表 1 。對于執(zhí)行級與簡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(shè)備中;在一般功能組級的控制系統(tǒng)中，有近50%-60%的控制回路可以下裝到就地智能設(shè)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%。控制回路分散下裝到就地智能設(shè)備之中，可減少中央控制器的配置及復雜程度，但會增加網(wǎng)段總線通訊負荷率?，F(xiàn)場總線的就地智能設(shè)備一般不采用冗余配置。

(6)輔助車間(系統(tǒng)) 輔助車間(系統(tǒng))全面采用FCS ，這是因為輔助車間(系統(tǒng))多為開關(guān)量順序控制，用于輔助車間(系統(tǒng))控制的PLC具有成熟的現(xiàn)場總線通訊能力。

(7)設(shè)計確認 常規(guī)DCS設(shè)計主要依據(jù)于I/O清單和工藝運行程序，并不考慮電纜或設(shè)備和接線盒的布置，而FCS設(shè)計需要考慮網(wǎng)段設(shè)計、設(shè)備選型試驗確認等。

(8)網(wǎng)段設(shè)計 在現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計中應考慮網(wǎng)段的總負載(風險管理、備用容量、網(wǎng)絡宏周期的空閑時間、電壓降和電流限制)、電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量、總線的拓撲結(jié)構(gòu)形式、中繼器配置、集線器(多路接線盒)數(shù)量和規(guī)格及配置等因素?？偩€網(wǎng)段上可掛的設(shè)備最大數(shù)量受到設(shè)備之間通信量、電源容量、總線可分配地址、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(shè)備采用遵循現(xiàn)場總線標準的現(xiàn)場總線智能設(shè)備，對于有些尚無現(xiàn)場總線標準的設(shè)備，可選用遵循 Hart 通訊協(xié)議的智能型現(xiàn)場設(shè)備。

(10)通訊、兼容試驗實踐證明，雖然遵循同一現(xiàn)場總線標準的設(shè)備在理論上均能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)、互操，但在實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(jié)、電氣兼容性等方面，存在一定差異，必須經(jīng)過通訊、兼容試驗。

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

三、結(jié)語

建設(shè)數(shù)字化電廠必須解決現(xiàn)場控制設(shè)備級數(shù)字化，目前只有 FCS 能夠完成現(xiàn)場控制設(shè)備級的數(shù)字化。FCS 的現(xiàn)場智能設(shè)備能將大量現(xiàn)場信息送入通信網(wǎng)絡，這是 DCS、PLC無法實現(xiàn)的。FCS 雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制技術(shù)，是建設(shè)數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)條件。　　目前，我國火電廠廠級和機組(車間)級已實現(xiàn)了數(shù)字化，但現(xiàn)場控制設(shè)備級大部分尚未實現(xiàn)數(shù)字化，這已成為現(xiàn)場總線技術(shù)需要解決的難題。建設(shè)數(shù)字化電廠的目的是使發(fā)電廠在整個服役期經(jīng)濟效益最大化。數(shù)字化電廠結(jié)構(gòu)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 個支持系統(tǒng)(數(shù)據(jù)庫支持系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡支持系統(tǒng))，它們分別交叉和納人在 DCS (包括 FCS )、電站仿真系統(tǒng) ( SIMU )、火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)、管理信息系統(tǒng)( MIS )及決策支持系統(tǒng)( DSS )中。

一、數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)條件

(1) MIS 是建設(shè)數(shù)字化電廠的關(guān)鍵系統(tǒng)，主要為全廠運營、生產(chǎn)和管理服務，完成設(shè)備和維修管理、生產(chǎn)經(jīng)營管理(包含電力市場報價子系統(tǒng))、財務管理等功能。 MIS 具有 2 個層次的功能：自動傳遞和匯集數(shù)據(jù);以成本核算和資源集成為出發(fā)點，對管理數(shù)據(jù)進行加工、整理、發(fā)掘和分析。[!--empirenews.page--]

(2) SIS為 MIS 的生產(chǎn)過程管理功能模塊。 SIS既是發(fā)電廠建立全廠生產(chǎn)過程實時/歷史數(shù)據(jù)庫的平臺，也是為全廠生產(chǎn)過程優(yōu)化服務的實時生產(chǎn)過程監(jiān)控和管理信息系統(tǒng)。SIS一端是控制系統(tǒng)( DCS / PLC / 機組仿真系統(tǒng))，另一端是 MIS ，其應用模塊主要有實時數(shù)據(jù)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(shù)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對實時性要求較高，其實時信息取自 DCSO由于 DCS 采用的模擬量、開關(guān)量、數(shù)字信號為混合系統(tǒng)信號制，而且為單向，不具有將設(shè)備狀態(tài)的實時信息上傳至控制器的功能，從而使SIS無法獲得這些信息，成為SIS進一步提高功效的瓶頸。

(3) FCS 應用于電廠機組級控制，其采用全數(shù)字、雙向通信的現(xiàn)場總線信號制，解決了智能現(xiàn)場儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接問題，為建設(shè)數(shù)字化電廠提供了基礎(chǔ)條件。

二、FCS的設(shè)計

(1) 現(xiàn)場總線標準 2000 年4月公布的國際現(xiàn)場總線標準 IEC61158 包括了 10 種類型，其中基金會現(xiàn)場總線(FF)和過程現(xiàn)場總線(Profibus)在過程控制領(lǐng)域有較廣泛的應用，F(xiàn)F 較適合模擬量控制，Profibus 較適合開關(guān)量控制。

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

(3)電動機控制 部分380V、6kV電動機采用現(xiàn)場總線控制方式。

(4)DCS為基本系統(tǒng) 由于有些DCS可與FCS無縫連接，因此采用以DCS為基礎(chǔ)利用 FCS 的信息處理、設(shè)備診斷和設(shè)備管理軟件進行設(shè)備級控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

(5)就地智能設(shè)備控制功能 部分現(xiàn)場總線的就地智能設(shè)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(shè)備(變送器或執(zhí)行機構(gòu))中，由就地智能設(shè)備實現(xiàn)控制。機組級控制系統(tǒng)分級劃分及比率見表 1 。對于執(zhí)行級與簡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(shè)備中;在一般功能組級的控制系統(tǒng)中，有近50%-60%的控制回路可以下裝到就地智能設(shè)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(shè)備之中，可減少中央控制器的配置及復雜程度，但會增加網(wǎng)段總線通訊負荷率?，F(xiàn)場總線的就地智能設(shè)備一般不采用冗余配置。

(6)輔助車間(系統(tǒng)) 輔助車間(系統(tǒng))全面采用FCS ，這是因為輔助車間(系統(tǒng))多為開關(guān)量順序控制，用于輔助車間(系統(tǒng))控制的PLC具有成熟的現(xiàn)場總線通訊能力。

(7)設(shè)計確認 常規(guī)DCS設(shè)計主要依據(jù)于I/O清單和工藝運行程序，并不考慮電纜或設(shè)備和接線盒的布置，而FCS設(shè)計需要考慮網(wǎng)段設(shè)計、設(shè)備選型試驗確認等。

(8)網(wǎng)段設(shè)計 在現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計中應考慮網(wǎng)段的總負載(風險管理、備用容量、網(wǎng)絡宏周期的空閑時間、電壓降和電流限制)、電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量、總線的拓撲結(jié)構(gòu)形式、中繼器配置、集線器(多路接線盒)數(shù)量和規(guī)格及配置等因素?？偩€網(wǎng)段上可掛的設(shè)備最大數(shù)量受到設(shè)備之間通信量、電源容量、總線可分配地址、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(shè)備采用遵循現(xiàn)場總線標準的現(xiàn)場總線智能設(shè)備，對于有些尚無現(xiàn)場總線標準的設(shè)備，可選用遵循 Hart 通訊協(xié)議的智能型現(xiàn)場設(shè)備。

(10)通訊、兼容試驗實踐證明，雖然遵循同一現(xiàn)場總線標準的設(shè)備在理論上均能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)、互操，但在實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(jié)、電氣兼容性等方面，存在一定差異，必須經(jīng)過通訊、兼容試驗。

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

三、結(jié)語

建設(shè)數(shù)字化電廠必須解決現(xiàn)場控制設(shè)備級數(shù)字化，目前只有 FCS 能夠完成現(xiàn)場控制設(shè)備級的數(shù)字化。FCS 的現(xiàn)場智能設(shè)備能將大量現(xiàn)場信息送入通信網(wǎng)絡，這是 DCS、PLC無法實現(xiàn)的。FCS 雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制技術(shù)，是建設(shè)數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)條件。