現(xiàn)場總線在發(fā)電廠機(jī)組控制應(yīng)用研究

　　現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為一門新興技術(shù)，已廣泛、成功地應(yīng)用在石化、化工、冶金、醫(yī)藥、市政工程、樓宇、建材等多個(gè)行業(yè)。與其形成鮮明對照的是現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠過程控制中的實(shí)質(zhì)性實(shí)施卻始終不多，究其原因主要有以下幾點(diǎn)[2]：

　?、?從2002年下半年開始，電力供應(yīng)缺口導(dǎo)致大量電廠項(xiàng)目工程建設(shè)的主要精力放在如何在最短時(shí)間內(nèi)完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)，常規(guī)技術(shù)方案自然成為首選;

　?、?工程技術(shù)人員對現(xiàn)場總線技術(shù)優(yōu)勢的理解僅局限于節(jié)省電纜、功能分散、設(shè)備信息數(shù)字化，缺乏應(yīng)用的積極性;

　?、?電廠過程控制回路具有相關(guān)度高、控制功能復(fù)雜、安全性和穩(wěn)定性要求高等特點(diǎn)，要求對現(xiàn)場總線技術(shù)的切實(shí)掌握和實(shí)踐驗(yàn)證;

　　④ 現(xiàn)場總線儀控設(shè)備比常規(guī)儀控設(shè)備價(jià)格高，總線型設(shè)備的選擇范圍還相對較小，也在一定程度上阻礙了現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠過程控制中的大量應(yīng)用。隨著認(rèn)識的提高和技術(shù)的發(fā)展，這樣的局面近期已有所改變。如在華能玉環(huán)電廠補(bǔ)給水、廢水系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)的全面應(yīng)用，化水控制系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)完成了安裝、調(diào)試，并很快投入運(yùn)行，由此說明了現(xiàn)場總線在電廠輔助生產(chǎn)控制系統(tǒng)中應(yīng)用是完全可行的。

　　1 國內(nèi)外現(xiàn)場總線火電廠應(yīng)用現(xiàn)狀

　　山東萊城電廠擴(kuò)建工程3#、4#機(jī)組采用西門子TELEPERM-XP分散控制系統(tǒng)，400V及以下的電動(dòng)機(jī)在開關(guān)柜中配套西門子公司的SIMOCODE電動(dòng)機(jī)控制保護(hù)設(shè)備，通過ProfibuS現(xiàn)場總線與TELEPERM-XP相連接。目前電廠已投入運(yùn)行，現(xiàn)場總線系統(tǒng)運(yùn)行基本穩(wěn)定。江陰夏港電廠5、6#機(jī)組(2×330MW)采用Fox-BORO公司的FA分散控制系統(tǒng)，380V開關(guān)柜采用西門子公司的SIMOCODE電動(dòng)機(jī)保護(hù)控制設(shè)備，通過Profibus-DP與FA分散控制系統(tǒng)相連接。6kV馬達(dá)采用WDZ400系列國產(chǎn)智能裝置，重要信號通過硬接線與分散控制系統(tǒng)相連，其它信號通過Modbus總線與FA分散控制系統(tǒng)連接。浙江國華寧海發(fā)電廠(4×600MW )控制系統(tǒng)采用西門子TELEPERM-XP分散控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的控制范圍為閉式水系統(tǒng)34個(gè)現(xiàn)場總線電動(dòng)門(現(xiàn)場總線電動(dòng)門配AUMA公司的AUMATIC電動(dòng)執(zhí)行器)，現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)為Profibus-DP，采用冗余總線接口與TELEPEM-XP連接。

　　華能玉環(huán)電廠(4×1000MW)在鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、廢水系統(tǒng)中完全采用Profibus現(xiàn)場總線技術(shù)通信的方式，將氣動(dòng)門電磁閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量變送器、壓力變送器、化學(xué)分析儀表、水泵電動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)、加藥變頻器等控制設(shè)備連在一起。所有的底層設(shè)備都具有數(shù)字通信接口，從控制室到現(xiàn)場之間除了工作電源外，沒有任何直接的控制硬接線，所有的控制室的指令和現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信息都通過現(xiàn)場總線進(jìn)行傳輸。目前已成功投入運(yùn)行[3]。

　　上世紀(jì)90年代末，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)就已經(jīng)在國外的電廠中得到應(yīng)用，如SMAR公司的systern302就曾先后在美國的 Seattle Steam、Mohave Generation Plant、Duke power Oconee Nuclear Power Plant、墨西哥的Mazatlan、Guaymas、巴西的CESE等6個(gè)電廠中的15臺鍋爐上得到的應(yīng)用。其中最大的鍋爐容量為600t/h, 最大的單元機(jī)組容量為158MW，這些現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)除了完成一般的數(shù)據(jù)采集功能之外，還實(shí)現(xiàn)了燃燒控制、給水控制、過熱汽溫控制、再熱汽溫控制、除氧器控制以及電機(jī)的啟?？刂?、聯(lián)鎖保護(hù)和報(bào)警等功能。

　　德國Niederaussem電廠較全面地使用了現(xiàn)場總線。該廠采用了Profibus-DP和HART兩種現(xiàn)場總線。整個(gè)系統(tǒng)包括900臺馬達(dá)、400個(gè)電磁閥、1000個(gè)閥門定位器和電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這些智能設(shè)備均通過Profibus-DP與DPU相連。通過采用Profibus 現(xiàn)場總線系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了全廠監(jiān)控，提供更加完善有效的設(shè)備診斷功能，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程編程和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了全廠數(shù)據(jù)的集中箕理，使設(shè)備的狀態(tài)檢修成為可能，提供更多的設(shè)備信息使操作和維護(hù)得到優(yōu)化。

　　2 現(xiàn)場總線火電廠控制關(guān)鍵問題技術(shù)分析

　　通過多年來現(xiàn)場總線在多個(gè)行業(yè)的成功應(yīng)用以及在電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)積累，特別是 Nieder - aussemK 機(jī)組及上海賽科項(xiàng)目中現(xiàn)場總線技術(shù)的全面成功運(yùn)用[4]，為我們在國內(nèi)火電機(jī)組控制上推廣現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用提供了有力的支持。推行現(xiàn)場總線在機(jī)組控制中的應(yīng)用，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面的問題。

　　2.1 可靠性和可用性

　　電廠發(fā)電機(jī)組連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行是至關(guān)重要的?？刂葡到y(tǒng)的可靠性是保證機(jī)組可用率的重要因素。為了提高系統(tǒng)的可靠性，現(xiàn)場總線技術(shù)(FF和Profibus)已經(jīng)采用了多項(xiàng)措施，常用的有分散和冗余二項(xiàng)。

　?、?分散方面。對FCS系統(tǒng)而言，主要通過網(wǎng)絡(luò)分散和控制分散來提高可用性。除去將一般控制功能下放到現(xiàn)場，設(shè)計(jì)中通過上層網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域劃分和下層網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)管理等，做到一個(gè)回路的故障不影響到另一個(gè)回路。在工程設(shè)計(jì)中，建議主要控制策略還是采用常規(guī)DCS應(yīng)用方式，按工藝系統(tǒng)分散在不同的控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)，功能分散能夠滿足要求?；痣姀S機(jī)組控制中存在大量控制回路之間的相互聯(lián)鎖、信號交換，當(dāng)不同檢測控制設(shè)備處在不同網(wǎng)絡(luò)分段時(shí)，如何確保它們之間聯(lián)鎖、交換信號的實(shí)時(shí)可靠性將是一個(gè)需要關(guān)注的問題。

　?、?冗余方面?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)通過主站網(wǎng)絡(luò)冗余、變送器冗余、總線電源冗余、鏈路設(shè)備冗余、控制器冗余、冗余分離等實(shí)現(xiàn)。其中鏈路設(shè)備、電源、主站網(wǎng)絡(luò)和操作員站冗余是現(xiàn)場總線系統(tǒng)常用的冗余措施。在工程設(shè)計(jì)中可以對所有具有冗余總線接口的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)控制裝置等設(shè)備考慮采用冗余總線連接;控制系統(tǒng)中所有總線電源也應(yīng)該冗余配置。目前FF的Hl和Profibus-DP已實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)段介質(zhì)冗余，但由于Prfibus-PA設(shè)備通常沒有冗余接口，PA網(wǎng)段還沒有實(shí)現(xiàn)冗余。對此，在工程設(shè)計(jì)中可通過將冗余配置的變送器等總線設(shè)備分散在不同網(wǎng)絡(luò)分段中來提高系統(tǒng)的可靠[5-6]。

　　通過診斷可以提高系統(tǒng)的可用性。如冗余的備用設(shè)備狀況和切換狀況，通過診斷，證明冗余的備用狀況和切換情況，從而警示操作員更換冗余設(shè)備組中故障部分，使其準(zhǔn)備好在下次故障發(fā)生時(shí)能正常投入。

　　另外，為提高系統(tǒng)的可靠性，整個(gè)現(xiàn)場范圍內(nèi)的通信光纜應(yīng)至少有50%的冗余量。同時(shí)為了在一路通信光纜發(fā)生損壞情況下不影響通信的正常進(jìn)行，應(yīng)使用兩種光纜路徑敷設(shè)。因?yàn)榛ヂ?lián)到現(xiàn)場總線的計(jì)算機(jī)或控制器可以方便地被其它計(jì)算機(jī)監(jiān)控，因此，現(xiàn)場總線技術(shù)的電廠應(yīng)用是可靠的。

　　2.2 實(shí)時(shí)性

　　在火電廠機(jī)組控制運(yùn)用現(xiàn)場總線控制技術(shù)，現(xiàn)場總線的實(shí)時(shí)性是一個(gè)需要關(guān)注的內(nèi)容。我們對一些潛在供貨商的控制系統(tǒng)進(jìn)行了了解。其中，Profibus總線的數(shù)據(jù)為：一個(gè)典型的通過Profibus-PA總線連接的智能儀表的響應(yīng)時(shí)間為10ms;一個(gè)典型的通過 Profibus-PA總線連接的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間為15ms;一個(gè)Profibus-DP從站的響應(yīng)時(shí)間<0.3m;Profibus總線系統(tǒng)中一條DP分支的查詢循環(huán)周期是2ms;一條PA分支的查詢循環(huán)周期是80ms。

　　在DCS技術(shù)規(guī)范中對現(xiàn)場信號的采集周期要求為：所有模擬量輸入每秒至少掃描和更新4次，所有數(shù)字量輸入每秒至少掃描和更新10次。為滿足某些需要快速處理的控制回路要求，其模擬量輸入信號應(yīng)達(dá)到每秒掃描8次，數(shù)字量輸入信號應(yīng)達(dá)到每秒掃描20次。由此可見，Profibus總線和FF總線完全能夠滿足機(jī)組控制對一般輸入、輸出信號處理的實(shí)時(shí)性的要求。鑒于目前FF總線宏周期一般在100ms-1s之間，這還無法滿足電廠機(jī)組控制中的快速處理回路的時(shí)間(50ms左右)要求。因此，系統(tǒng)中為安全或快速響應(yīng)而設(shè)置的開關(guān)量信號，我們還是考慮采用常規(guī)DCS的FO模塊來處理。

　　2.3 故障影響性

　　現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，不僅要根據(jù)系統(tǒng)I/O點(diǎn)的規(guī)模，而且要根據(jù)設(shè)備的地理分布、功能的相關(guān)性等因素。設(shè)計(jì)各層網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，支路的數(shù)量，支路及分支的長度、各分支的設(shè)備數(shù)量等，這些設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的性能、硬件配置等都有重要影響。因此，在工程應(yīng)用中各工藝子系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝相關(guān)性和現(xiàn)場布置位置情況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計(jì)。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則：每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場總線數(shù)量不超過6個(gè);冗余設(shè)置的現(xiàn)場儀表應(yīng)接入不同網(wǎng)段;工藝上并列運(yùn)行或冗余配置的設(shè)備其相關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置應(yīng)連接在不同的網(wǎng)段上?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)根據(jù)工藝流程合理配置總線數(shù)量和掛接的現(xiàn)場設(shè)備，確保任何一條總線故障時(shí)，只產(chǎn)生工藝系統(tǒng)的局部故障，不會(huì)引起機(jī)組的危急狀態(tài)，造成整個(gè)工藝系統(tǒng)停運(yùn)，并將這一影響限制到最小。

　　鑒于目前現(xiàn)場總線在機(jī)組控制中的應(yīng)用還處在起步階段，可能在具體工程實(shí)施中還會(huì)碰到一些意想不到的情況。為最大程度地降低現(xiàn)場總線的工程應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，確保機(jī)組安全順利投產(chǎn)，推薦對機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要的保護(hù)系統(tǒng)仍采用常規(guī) DCS 方式實(shí)現(xiàn)。

　　2.4 其它設(shè)計(jì)及安裝考慮

　　要使現(xiàn)場總線回路能夠正常運(yùn)行，總線回路的正確設(shè)計(jì)和組態(tài)非常重要。根據(jù)現(xiàn)場總線系統(tǒng)工程指南要求和其它工程使用經(jīng)驗(yàn)，需要考慮如下幾個(gè)方面：現(xiàn)場總線網(wǎng)段的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮網(wǎng)段總的電流負(fù)載、電纜型號、總線干線長度、總線支線長度、電壓降和現(xiàn)場設(shè)備數(shù)量、總線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式等?？偩€網(wǎng)段上可掛的設(shè)備最大數(shù)量受到設(shè)備之間的通信量、電源的容量、總線可分配的地址、每段電纜的阻抗等因素影響。

　　為提高總線工作效率，在設(shè)計(jì)和組態(tài)時(shí)應(yīng)盡量減少設(shè)備在總線上的通信量。具體應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　　對于簡單的單回路調(diào)節(jié)應(yīng)用，盡量將PID控制模塊放在現(xiàn)場閥門的智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，這樣可減少DCS控制與現(xiàn)場閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的通信量。