華能重慶兩江燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司 李 濤
現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠控制中的應(yīng)用簡介
華能重慶兩江燃機(jī)發(fā)電有限責(zé)任公司 李 濤
本文以某電廠現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用為例,對現(xiàn)場總線技術(shù)作了應(yīng)用以及經(jīng)濟(jì)性方面的分析,從現(xiàn)場總線技術(shù)的選取和技術(shù)特點(diǎn)的層面闡述了總線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)配置和應(yīng)用范圍,最后通過分析當(dāng)今現(xiàn)場總線存在的實(shí)際問題,提出具有一定指導(dǎo)意義的預(yù)防以及處理對策。
現(xiàn)場總線;采集控制;技術(shù)分析
現(xiàn)場總線控制技術(shù)作為一種新興技術(shù),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,不過隨著認(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。如某電廠在化水系統(tǒng)、尿素系統(tǒng)、鍋爐和汽機(jī)系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用。事實(shí)上,目前各大發(fā)電集團(tuán)都十分關(guān)注電廠熱控自動(dòng)化新技術(shù)的應(yīng)用和由此產(chǎn)生的巨大效益。著眼于領(lǐng)導(dǎo)先進(jìn)技術(shù)潮流、合理控制工程造價(jià)、全面提升電廠自動(dòng)化水平,華能確定了某工程在機(jī)組控制中大面積應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù),這在整個(gè)發(fā)電廠系統(tǒng)中是第一次。
這些年來,通過現(xiàn)場總線在不同行業(yè)中的逐步深入應(yīng)用,專業(yè)技術(shù)人員對各種總線標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用場合的認(rèn)識日益清晰。比較一致的結(jié)論是:對過程控制應(yīng)用來說,PROFIBUS和FF總線比較適合。兩種總線標(biāo)準(zhǔn)相比而言,F(xiàn)F較適用于連續(xù)量控制(取代4~20 mA模擬量),而PROFIBUS較適用于離散量控制[1]。
大量的工程實(shí)踐證明,PROFIBUS和FF現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)能夠滿足電廠過程控制的應(yīng)用要求。因此,某電廠控制系統(tǒng)原則上采用上述兩種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。
火電廠機(jī)組控制功能從簡單到復(fù)雜分布很廣,有單回路、串級調(diào)節(jié)回路,也有多輸入多輸出的交叉耦合控制系統(tǒng),還有可靠性要求很高的快速保護(hù)連鎖邏輯。FF現(xiàn)場總線設(shè)備具有一定的控制和運(yùn)算功能,能夠完成較單純的單回路或串級調(diào)節(jié)任務(wù),但是對于存在多回路耦合的復(fù)雜控制,需要在不同網(wǎng)段間傳輸數(shù)據(jù),就可能影響控制的實(shí)時(shí)性。Profibus現(xiàn)場總線的現(xiàn)場智能設(shè)備本身基本不具備控制功能。通過與Emerson公司的技術(shù)交流,某電廠最終確定在現(xiàn)場設(shè)備層全面采用現(xiàn)場總線技術(shù),調(diào)節(jié)回路控制策略和設(shè)備控制邏輯仍按照工藝系統(tǒng)劃分在不同DCS控制器中集中處理,基本不減少DCS控制器的配置[2]。
目前,國內(nèi)火電廠采用的主流DCS基本上都已提供了各自的現(xiàn)場總線解決方案。如Siemens公司的T-3000支持PROFIBUS現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn);Emerson公司的OVATION提供了FF和PROFIBUS-DP現(xiàn)場設(shè)備的接入。這些著名DCS品牌產(chǎn)品無一例外地均是在原有DCS的基礎(chǔ)上,提供對智能現(xiàn)場儀表和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場總線支持??梢赃@樣說,火電廠現(xiàn)場總線的應(yīng)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(yīng)用。
1.3.1 現(xiàn)場總線型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
現(xiàn)場總線型電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)品牌較多,其中主要為:恒春、科遠(yuǎn)、ROTORK、Siemens。這些品牌的產(chǎn)品基本上以支持PROFIBUS-DP總線標(biāo)準(zhǔn)為主。
1.3.2 現(xiàn)場總線型變送器。
目前,世界各大儀表生產(chǎn)廠都相繼推出了現(xiàn)場總線型變送器,目前,支持FF和PROFIBUS現(xiàn)場總線地變送器主要有Rosemount公司的3051系列、Siemens公司的SITRANS P系列、Yokogawa公司的EJA等等,上述產(chǎn)品在電廠過程控制中已廣泛使用。
表1 某廠FF網(wǎng)段設(shè)備配置
1.3.3 現(xiàn)場總線型執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
某電廠主要用到的總線型電動(dòng)執(zhí)行器有恒春、ROTORK、科遠(yuǎn)等電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電磁閥控制的氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
推行現(xiàn)場總線在機(jī)組控制中的應(yīng)用,應(yīng)重點(diǎn)考慮以幾個(gè)方面的問題:
2.1.1 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,而控制系統(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,常用的主要有分散和冗余二項(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。某電廠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),故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連鎖、信號交換。故在現(xiàn)場總線網(wǎng)段劃分設(shè)計(jì)時(shí),原則上工藝相關(guān)的設(shè)備掛接同一網(wǎng)段上,以確保該網(wǎng)段總線故障只影響局部工藝系統(tǒng)而不影響到機(jī)組整體的安全性。
冗余方面:現(xiàn)場總線系統(tǒng)通過主站網(wǎng)絡(luò)冗余、總線電源冗余、鏈路設(shè)備冗余、控制器冗余等實(shí)現(xiàn),其中鏈路設(shè)備冗余、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。某電廠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)備均采用冗余總線連接;控制系統(tǒng)中所有總線電源也冗余配置。目前PROFIBUS-DP已實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)段介質(zhì)冗余。
通過診斷可以提高系統(tǒng)的可用性。這是FF和PROFIBUS設(shè)備管理中對現(xiàn)場設(shè)備本身的基本管理,因?yàn)楝F(xiàn)場總線設(shè)備具備多種自診斷信息,有利于發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備本身及其它工藝設(shè)備的故障,從而確定其輕重級別和真實(shí)性[3]。
2.1.2 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。對此,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-DP總線的數(shù)據(jù)為:
PROFIBUS-DP總線的傳輸速率可達(dá)12Mbit/s。
一個(gè)PROFIBUS-DP從站的響應(yīng)時(shí)間<0.3 ms。
PROFIBUS總線系統(tǒng)中一條DP分支的查詢循環(huán)周期是2 ms。
對于FF總線,有關(guān)廠家技術(shù)人員提供了一個(gè)網(wǎng)段上配置不同數(shù)量設(shè)備及應(yīng)用情況下的執(zhí)行時(shí)間數(shù)據(jù),具體如表1所示。
常規(guī)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s至少掃描和更新4次,所有數(shù)字量輸入每s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s掃描8次,數(shù)字量輸入信號應(yīng)達(dá)到每s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PROFIBUS-PA及FF總線宏周期一般在100 ms至1 s之間,這還是無法滿足電廠機(jī)組控制中的快速處理回路的時(shí)間(50 ms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I/O模件來處理。
2.1.3 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[4]。因此,某電廠各工藝子系統(tǒng)將根據(jù)工藝相關(guān)性和現(xiàn)場布置位置進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分段設(shè)計(jì)。
某電廠中每個(gè)網(wǎng)段上掛接的現(xiàn)場總線數(shù)量以不超過該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大數(shù)量的40%~50%為宜;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;控制邏輯相關(guān)的儀表測點(diǎn)和控制對象原則上掛接在同一總線段上。控制系統(tǒng)將根據(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。
2.1.4 系統(tǒng)配置方案。
整個(gè)機(jī)組控制系統(tǒng)按照工藝過程劃分為多個(gè)子系統(tǒng),其中包括鍋爐汽水取樣系統(tǒng),鍋爐部分壓力、溫度及閥門,脫銷系統(tǒng),化學(xué)治水系統(tǒng),除鐵過濾器系統(tǒng),發(fā)電機(jī)溫度等,上述各子系統(tǒng)均采用現(xiàn)場總線技術(shù)。鑒于對機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要的系統(tǒng),回路處理速度要求高,某電廠還是采用成熟的常規(guī)控制方式。
某電廠變送器總體上均采用現(xiàn)場總線型智能變送器接入DCS,電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)總線主要用在脫銷、化學(xué)治水、鍋爐排空和疏水上。由于氣動(dòng)閥比較分散,不易管理。因此某電廠還是采用常規(guī)I/O方式接入DCS。
為充分發(fā)揮現(xiàn)場總線設(shè)備具有的故障自診斷和網(wǎng)絡(luò)化管理能力,DCS應(yīng)配套設(shè)置現(xiàn)場總線設(shè)備診斷和管理軟件。設(shè)備管理人員通過軟件查詢所有現(xiàn)場設(shè)備(儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等)的運(yùn)行情況,診斷維護(hù)信息,尋查故障,現(xiàn)場設(shè)備狀況始終處于維護(hù)人員的遠(yuǎn)程監(jiān)控之中。同時(shí),根據(jù)該軟件提供的信息準(zhǔn)確地制定大修或搶修的作業(yè)計(jì)劃和備件儲備,節(jié)約維修費(fèi)用,降低生命周期成本。
目前階段在機(jī)組控制中全面采用現(xiàn)場總線技術(shù),除了在技術(shù)上可行外,還必須對其設(shè)備投資與常規(guī)DCS控制方式進(jìn)行比較。為此,針對DCS本身以及涉及到的現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電纜及電纜橋架等,市場價(jià)格情況作了一個(gè)初步分析。
2.2.1 DCS。
某電廠調(diào)節(jié)回路控制策略和設(shè)備控制邏輯仍在DCS控制器中集中處理,故DCS控制器配置數(shù)量與常規(guī)機(jī)組相當(dāng)。
采用現(xiàn)場總線后,控制系統(tǒng)中多數(shù)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電動(dòng)機(jī),它們是以“對象”為單位掛接在總線上,某電廠應(yīng)用方案中總線接口卡件加常規(guī)的I/O卡件總數(shù)比常規(guī)DCS的I/O卡件大幅減少,DCS機(jī)柜數(shù)量也因此相應(yīng)削減,這是采用現(xiàn)場總線技術(shù)之后DCS硬件的主要節(jié)省部分。由于某電廠還保留了一定數(shù)量的常規(guī)控制應(yīng)用,而且采用現(xiàn)場總線之后,系統(tǒng)還需配置現(xiàn)場總線電源模塊、現(xiàn)場總線通訊柜、現(xiàn)場總線電纜(光纜)以及總線分線盒,采用現(xiàn)場總線后DCS價(jià)格與常規(guī)DCS持平。
2.2.2 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
近年來新建工程項(xiàng)目中的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多數(shù)已要求采用智能一體化產(chǎn)品,在這種情況下,通過進(jìn)一步明確現(xiàn)場設(shè)備應(yīng)符合的總線標(biāo)準(zhǔn),即可將設(shè)備接入現(xiàn)場總線系統(tǒng),成本增加不大。經(jīng)了解,平均每個(gè)現(xiàn)場總線電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)約比智能一體化執(zhí)行機(jī)構(gòu)貴5000元人民幣左右。
2.2.3 變送器。
目前帶現(xiàn)場總線接口的智能變送器較常規(guī)智能變送器貴出約500元人民幣。
2.2.4 電纜及電纜橋架。
采用現(xiàn)場總線技術(shù)可以較大程度上節(jié)約電纜、電纜橋架等安裝材料,當(dāng)然也相應(yīng)減少了施工工程量。根據(jù)某電廠現(xiàn)場總線控制對象數(shù)量估算,采用現(xiàn)場總線后計(jì)算機(jī)電纜和控制電纜約減少約30%。
為具體比較運(yùn)用現(xiàn)場總線與采用常規(guī)DCS在工程造價(jià)方面的差異,下面以某電廠工程量為例分析如表2所示,各類控制對象匯總(1號機(jī)組及鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng))。
通過分析,我們可以看到:采用現(xiàn)場總線之后,整個(gè)機(jī)組控制系統(tǒng)的投資費(fèi)用較采用常規(guī)DCS增加約50萬,但這一投資增加量占整個(gè)工程中熱控設(shè)備材料投資額的比例很小。此外,上述分析并未計(jì)及由于電纜、橋架減少以及雙絞線接線節(jié)省的現(xiàn)場安裝施工工程量??紤]到應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)將帶來全廠管控?cái)?shù)字化和全生命周期的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)成本節(jié)約等有利因素,如此程度的投資增加是可以接受的。
3.1.1 與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比現(xiàn)場總線系統(tǒng)優(yōu)勢的發(fā)揮。
以智能化現(xiàn)場儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用,其優(yōu)點(diǎn)不僅在節(jié)省電纜、安裝、調(diào)試等工程量,更多的在于維護(hù)簡單、具有自動(dòng)診斷、校正等管理功能。目前雖然國內(nèi)已開始把管理自動(dòng)化和遠(yuǎn)程診斷功能集成在一起納入監(jiān)控系統(tǒng),在一定程度上發(fā)揮現(xiàn)場總線系統(tǒng)降低運(yùn)行維修成本的優(yōu)勢,但還沒有達(dá)到期望的高性能和對火電機(jī)組的充分適應(yīng),有待進(jìn)一步提高。
3.1.2 工程安裝和調(diào)試技術(shù)要求提高。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)的安裝工作量減少,但技術(shù)要求提高。有的需要使用專用設(shè)備和工具,有的需要特殊的工藝和方法。此外,由于現(xiàn)場總線技術(shù)包含許多新的技術(shù)內(nèi)容,組態(tài)參數(shù)很多,不容易掌握,在工程調(diào)試和運(yùn)行時(shí)常會遇到困難,因此,需要有一支較強(qiáng)的技術(shù)隊(duì)伍來解決調(diào)試運(yùn)行中產(chǎn)生的技術(shù)難題。
3.1.3 現(xiàn)場總線產(chǎn)品可選范圍相對較小。
現(xiàn)場總線仍在發(fā)展過程中,其智能現(xiàn)場設(shè)備的規(guī)范和品種比起常規(guī)儀表來說,還是比較少,特別是針對電廠開發(fā)的現(xiàn)場總線高性能智能現(xiàn)場設(shè)備較少,因而在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)選擇的余地不大。
表2 工程量分析
3.1.4 工藝設(shè)備成套配供設(shè)備的協(xié)調(diào)較難。
國內(nèi)電廠設(shè)計(jì)中會碰到較多的工藝設(shè)備配供控制裝置,這些廠家長期形成的習(xí)慣做法對現(xiàn)場總線的實(shí)施將是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。他們的設(shè)計(jì)人員中對現(xiàn)場總線技術(shù)概念還很少接觸,這方面的困難尤為突出。
為了使工程設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期的目標(biāo),工程建設(shè)各方應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)儲備和廣泛開展多方位的技術(shù)交流。工程技術(shù)人員應(yīng)努力學(xué)習(xí)現(xiàn)場總線技術(shù)的有關(guān)知識,加深對現(xiàn)場總線的理解,逐步形成現(xiàn)場總線控制技術(shù)的工程應(yīng)用能力。
對于實(shí)際操作過程,應(yīng)從技術(shù)角度出發(fā),根據(jù)工程的特點(diǎn)和需要,對各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術(shù)性能、產(chǎn)品配套程度、國內(nèi)技術(shù)支持程度、供貨商信譽(yù)、售后服務(wù)、價(jià)格和兼容性以及與其他系統(tǒng)接口的難易程度等進(jìn)行綜合比較,從而選擇和確定現(xiàn)場總線系統(tǒng)的類型。采用產(chǎn)品性能優(yōu)越的現(xiàn)場總線產(chǎn)品,這類產(chǎn)品可以保證使用者的投資具有長期效益。
為確保工程的有效、順利實(shí)施,在工程設(shè)計(jì)之前應(yīng)積極開展與DCS廠家之間的技術(shù)交流,以便在技術(shù)上進(jìn)行充分的準(zhǔn)備。同時(shí),由于現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)應(yīng)用與現(xiàn)場儀表、控制設(shè)備的布置位置關(guān)系密切,在設(shè)計(jì)過程中要充分考慮設(shè)備的物理安裝位置和網(wǎng)絡(luò)分段對工藝系統(tǒng)運(yùn)行的影響。所以,設(shè)計(jì)工作一旦開展,DCS廠家與設(shè)計(jì)院應(yīng)緊密配合,相互協(xié)調(diào)。
DCS廠家應(yīng)按確定的總線標(biāo)準(zhǔn),提供他們在以往工程實(shí)踐具有良好應(yīng)用業(yè)績的變送器、分析儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)控制器等現(xiàn)場總線設(shè)備的廠商名單。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)技術(shù)極大地簡化了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)繁瑣且技術(shù)含量較低的布線工作量,使其系統(tǒng)檢測和控制單元的分布更趨合理。更重要的是從原來的面向設(shè)備選擇控制和通信設(shè)備轉(zhuǎn)變成為基于網(wǎng)絡(luò)選擇設(shè)備?,F(xiàn)場總線相比于傳統(tǒng)通訊更加穩(wěn)定,不易受干擾,在臺賬完善的情況下查詢更加直觀、便捷。事實(shí)上,目前各大發(fā)電集團(tuán)都十分關(guān)注電廠熱控自動(dòng)化新技術(shù)的應(yīng)用和由此產(chǎn)生的巨大效益。著眼于領(lǐng)導(dǎo)先進(jìn)技術(shù)潮流、全面提升電廠自動(dòng)化水平,現(xiàn)場總線的實(shí)施無疑是一個(gè)很好的平臺。
[1] 白焰、吳鴻、楊國田編著.分散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)——基礎(chǔ)、選評、設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].北京,中國電力出版社,2001年3月第一版、2004年3月第三次印刷
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