現(xiàn)場總線技術在數(shù)字化電廠中的應用
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從國內(nèi)行業(yè)內(nèi)的實際投用業(yè)績及使用經(jīng)驗來看，也以PROFIBUS和FF兩種現(xiàn)場總線為多。工程實踐證明，PROFIBUS和FF現(xiàn)場總線標準能夠滿足電廠過程控制的應用要求。
鑒于上述原因，從發(fā)展的角度，為謀取廣泛的國內(nèi)外生產(chǎn)廠商硬軟件產(chǎn)品支持，充分的工程經(jīng)驗、業(yè)績驗證，避免系統(tǒng)重構的風險，本工程推薦現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用符合市場應用主流的PROFIBUS、FF現(xiàn)場總線標準為宜。
4.2 現(xiàn)場總線的應用層面
火電廠機組控制功能從簡單到復雜，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聯(lián)鎖邏輯。FF現(xiàn)場總線設備具有一定的控制和運算功能，能夠完成較單純的單回路或串級調(diào)節(jié)任務，但是對于存在多回路耦合的復雜控制，需要在不同網(wǎng)段間傳輸數(shù)據(jù)，就可能影響控制的實時性。如網(wǎng)段、設備分布設計不當，就可能影響到工藝系統(tǒng)及設備的安全運行。Profibus現(xiàn)場總線的現(xiàn)場智能設備本身基本不具備控制功能。因此在大型火力發(fā)電廠燃煤機組主控系統(tǒng)中應用現(xiàn)場總線技術，目前基本還限于在現(xiàn)場設備層，基本不減少DCS控制器的配置，多數(shù)調(diào)節(jié)回路控制策略和設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，少數(shù)單回路調(diào)節(jié)任務下放到現(xiàn)場總線設備中(當DCS系統(tǒng)采用FF現(xiàn)場總線時)。
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。如西門子公司的T-3000支持PROFIBUS現(xiàn)場總線標準;艾默生公司的OVATION提供了FF和PROFIBUS-DP現(xiàn)場設備的接入;FOXBORO公司的I/A支持FF和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線標準;ABB公司的Symphony系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現(xiàn)場總線標準。這些著名DCS品牌產(chǎn)品無一例外地均是在原有DCS的基礎上，提供對智能現(xiàn)場儀表和控制執(zhí)行機構的現(xiàn)場總線支持?？梢赃@樣說，火電廠現(xiàn)場總線的應用將更側(cè)重于現(xiàn)場設備的數(shù)字化及由此帶來的種種益處，而不在于純粹意義上的FCS應用。通過華能巢湖電廠、華能金陵電廠實施現(xiàn)場總線設計的經(jīng)驗、了解其它電廠使用現(xiàn)場總線的方案以及與外方進行的技術交流和調(diào)研，西門子、EMERSON、FOXBORO三家公司、控制系統(tǒng)在現(xiàn)場總線方面的技術實力較為突出。
電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)(水、煤、灰 )的控制以開關量程序控制為主，此外還存在少量的簡單模擬量調(diào)節(jié)。而PLC具有邏輯處理功能強、環(huán)境適應性好、系統(tǒng)獨立性強、電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中有深厚應用基礎等特點。
近幾年來，相對進口PLC而言具有組態(tài)靈活方便、價格較低等優(yōu)勢的國產(chǎn)DCS在輔助車間的應用也已成熟，受到了電廠的信賴。如泰州2×1000MW機組輔助車間、大唐南京2×600MW機組輔助車間整套控制系統(tǒng)均采用國產(chǎn)DCS。
電廠大量使用的主流PLC品牌基本上都在現(xiàn)場設備層提供了現(xiàn)場總線接口。例如西門子公司的S7系列具有PROFIBUS總線接口;AB公司CONTROLGIX 產(chǎn)品提供了FF 和DEVICENET總線接口;GE的FAUNC產(chǎn)品提供了PROFIBUS總線接口;施耐德公司的MODICON QUANTUM產(chǎn)品也提供FF和PROFIBUS的總線接入。
國產(chǎn)DCS現(xiàn)場總線技術的應用目前尚處于起步階段，國電智深、和利時、南京科遠等國產(chǎn)DCS生產(chǎn)商正積極開發(fā)與推廣現(xiàn)場總線技術，覆蓋部分工藝系統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)已具有成功的運行業(yè)績。
追求全廠控制系統(tǒng)軟硬件設計一體化，是個難以抗拒的趨勢。因此在電廠輔助生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)設備選型時，將進行DCS與PLC的性能價格比選，最終確定電廠輔助生產(chǎn)車間控制系統(tǒng)是采用以PLC或DCS為基礎的現(xiàn)場總線。
五、現(xiàn)場總線實施中的問題和建議
5.1 存在的問題
5.1.1 現(xiàn)場總線系統(tǒng)遠程診斷優(yōu)勢的充分發(fā)揮
以智能化現(xiàn)場儀表為基礎的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比其優(yōu)點不僅在監(jiān)視控制方面，更多的在于維護簡單、具有自動診斷、校正等設備管理功能方面，而目前國內(nèi)現(xiàn)場總線應用業(yè)績尚未普遍，發(fā)揮現(xiàn)場總線管理自動化和遠程診斷功能從而降低運行維修成本的優(yōu)勢顯現(xiàn)不明顯。
5.1.2 現(xiàn)場總線系統(tǒng)經(jīng)驗不足
火電廠應用現(xiàn)場總線，在國內(nèi)還是較新的課題，包含許多新的技術內(nèi)容，無論在設計、采購供貨、安裝調(diào)試、運行維護方面都與常規(guī)系統(tǒng)有所不同，各方面的工程技術人員對現(xiàn)場總線的知識熟悉程度不夠，缺乏工程經(jīng)驗，增加了應用現(xiàn)場總線的難度。
5.1.3 現(xiàn)場總線產(chǎn)品的選擇范圍有所限制
現(xiàn)場總線是新的技術，其本身仍在發(fā)展過程中，目前智能現(xiàn)場設備的規(guī)范和品種相比常規(guī)儀表而言，尚缺少廣泛的國產(chǎn)現(xiàn)場總線設備的支撐，大多需要采用進口設備，因而在設計系統(tǒng)時帶來了設備價格偏高的問題。
針對控制器而言，當主廠房、輔助車間控制系統(tǒng)選擇采用進口DCS/PLC基本不存在技術上的問題，但當考慮采用國產(chǎn)DCS實施現(xiàn)場總線方案時，選擇成熟的系統(tǒng)尚有些問題。根據(jù)目前所了解的情況，北京和利時、國電智深、浙大中控、南京科遠等國產(chǎn)DCS生產(chǎn)商都在積極開發(fā)、應用現(xiàn)場總線，有些系統(tǒng)已經(jīng)投入運行，但總體來看，均是用于輔助車間或局部工藝系統(tǒng)，火電廠機爐工藝系統(tǒng)成規(guī)模的應用上尚無案例。因此目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品無論現(xiàn)場設備還是控制器選擇范圍均受到一定的限制。故本工程推薦基于PLC的現(xiàn)場總線方案。
5.2 對策和建議
為了使工程設計達到預期的目標，工程建設各方應加強技術儲備和廣泛開展多方位的技術交流。工程技術人員應努力學習現(xiàn)場總線技術的有關知識，加深對現(xiàn)場總線的理解，逐步形成現(xiàn)場總線控制技術的工程應用能力。根據(jù)工程的經(jīng)驗，需采取必要的對策，提出如下建議：
5.2.1 盡早確定應用的總線標準及應用范圍
應從技術角度出發(fā)，根據(jù)工程的特點和需要，對各種現(xiàn)場總線系統(tǒng)的技術性能、市場占有率(包括國內(nèi)、外)、產(chǎn)品配套程度、國內(nèi)技術支持程度、供貨商信譽、售后服務、價格和兼容性以及與其它系統(tǒng)接口的難易程度等進行綜合比較，從而選擇和確定現(xiàn)場總線標準。采用國際知名度高、信譽好、用戶多、配套廠商多、產(chǎn)品性能優(yōu)越的現(xiàn)場總線產(chǎn)品，這類產(chǎn)品將來成為行業(yè)性標準和國家、國際標準的可能性最大，從而可以保證使用者的投資具有長期效益。
按國內(nèi)火電廠建設的慣例，尤其大型機組數(shù)量較多的熱控設備隨工藝設備配套供貨，因此也需要盡早確定應用的總線標準及應用范圍，統(tǒng)一對智能設備提出技術要求。
5.2.2 工藝設備與控制系統(tǒng)及設備宜分島招標
工藝設備制造商的關注重點在工藝設備的性能保證上，對控制設備的配套關注往往不夠。由于現(xiàn)場總線技術在國內(nèi)電廠應用的時間和范圍，使得工藝設備制造商的設計人員中對現(xiàn)場總線技術接觸不多，對于現(xiàn)場總線技術了解較少。因此主廠房DCS、輔助車間控制系統(tǒng)選擇，必須采取工藝設備單獨分島招標、控制系統(tǒng)集中招標的形式予以實施，根據(jù)單元機組、輔助車間現(xiàn)場總線方案設計原則，結(jié)合工藝特點，統(tǒng)一規(guī)劃現(xiàn)場總線技術要求，盡早安排，確?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的質(zhì)量和建設工期滿足要求。對于必須隨工藝設備配套供貨的總線控制設備，要重視輔機招標中的工藝設備配供控制裝置現(xiàn)場總線技術要求，督促輔機廠家嚴格按照選定的總線設備清單供貨，防止產(chǎn)生與設計技術要求不符的問題。
5.2.3 重視人員的技術培訓工作
現(xiàn)場總線技術包含許多新的內(nèi)容，因此技術要求較高，必須要加強業(yè)主、設計單位、設備安裝、組態(tài)調(diào)試單位人員的培訓，培訓要深入貫穿全過程，業(yè)主在工程設計初始階段就要積極介入。為確保工程的有效、順利實施，在工程設計之前積極開展與控制工程公司之間的有關方案設計、設備安裝、組態(tài)調(diào)試、管理維護方面的技術交流。通過技術交流，使控制工程公司預先了解本工程期望達到的目標，工程有關各方了解應用現(xiàn)場總線技術要點和難點，以便在技術上做好充分的準備。
由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)在設計、安裝和調(diào)試上同傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)有許多不同，要求我們從基建開始就要探索一種全新的現(xiàn)場總線設備管理模式，適應現(xiàn)場總線技術在機組控制及輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中的全面應用，要重視智能設備管理軟件在調(diào)試和運行中的應用，使得以預測性設備維護和設備管理為預期目標的目的能夠?qū)崿F(xiàn)，做到操作人員和維護人員能夠及時獲取相關的信息，并進行最合適的操作或者維護工作，從而避免災難性的設備故障，并且可以減少設備非故障停機，提高系統(tǒng)的可用率水平。
現(xiàn)場總線設備系統(tǒng)的出廠驗收要比普通PLC出廠驗收時間長，由于工廠測試中就要將每個智能設備的ID進行設置，總線通訊要全部調(diào)試正常，因此要安排充裕的調(diào)試時間。
5.2.4 選擇現(xiàn)場總線技術支撐伙伴
盡管國際上現(xiàn)場總線技術標準已經(jīng)公布，但由于不同供貨商智能儀表參數(shù)組態(tài)描述可能有所不同，微小的差異將帶來總線通訊存在問題。在確定應用總線標準以后，各種帶有總線接口的智能設備如變送器、分析儀表、執(zhí)行機構、馬達控制器、斷路器、變頻器等必須進行兼容性性能測試，測試內(nèi)容包括連接方式、設備組態(tài)、在線數(shù)據(jù)、設備管理等項目，提供諸如軟硬件版本、接口版本、系統(tǒng)版本、主站及總線通訊卡件型號版本、總線規(guī)約、GSD等重要信息，搭建試驗臺實施總線電纜、總線電源、接線盒、終端器、中繼器、轉(zhuǎn)換適配器、總線連接部件等互連測試，盡可能模擬現(xiàn)場的實際構成情況，并出具專題報告，以確保帶有總線接口的智能設備系統(tǒng)構成和性能參數(shù)基本符合今后的實際使用情況，確保整個控制系統(tǒng)能達到良好的實用效果。因此必須選擇具備具有現(xiàn)場總線良好應用業(yè)績的技術支撐合作方，實施現(xiàn)場總線技術的應用。這一點實踐證明非常是必要的。另一方面，也為業(yè)主培訓提供技術支持，負責解決現(xiàn)場總線實施過程中產(chǎn)生的技術問題。積極配合系統(tǒng)及現(xiàn)場總線設備供貨商，在電建公司及調(diào)試單位進行現(xiàn)場安裝、現(xiàn)場單體調(diào)試、現(xiàn)場網(wǎng)絡及設備通信調(diào)試過程中，向電建公司和調(diào)試單位提供技術咨詢和技術支持。
六、總結(jié)
建設數(shù)字化電廠必須解決現(xiàn)場控制設備級數(shù)字化,目前只有FCS 能夠完成現(xiàn)場控制設備級的數(shù)字化。FCS 的現(xiàn)場智能設備能將大量現(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,是建設數(shù)字化電廠的基礎條件。
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