數字化電廠架構及現場總線控制系統設計

　    摘要：信息化是現代發電廠的發展趨勢，其基礎是數字化，但現場總線控制系統（FCS）是建設數字化電廠的基礎條件。基于數字化電廠架構，從現場總線標準、控制與安全回路、輔助車間控制、就地智能設備控制功能等方面介紹了FCS的設計原則。
　　
　　背景：目前，我國火電廠廠級和機組（車間）級已實現了數字化，但現場控制設備級大部分尚未實現數字化，這已成為現場總線技術需要解決的難題。建設數字化電廠的目的是使發電廠在整個服役期經濟效益zui大化。數字化電廠結構模型可劃分為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（數據庫支持系統和計算機網絡支持系統），它們分別交叉和納人在DCS（包括FCS）、電站仿真系統（SIMU）、火電廠廠級監控信息系統（SIS）、管理信息系統（MIS）及決策支持系統（DSS）中。
　　
　　一、數字化電廠的基礎條件
　　
　　（1）MIS是建設數字化電廠的關鍵系統，主要為全廠運營、生產和管理服務，完成設備和維修管理、生產經營管理（包含電力市場報價子系統）、財務管理等功能。MIS具有2個層次的功能：自動傳遞和匯集數據；以成本核算和資源集成為出發點，對管理數據進行加工、整理、發掘和分析。
　　
　　（2）SIS為MIS的生產過程管理功能模塊。SIS既是發電廠建立全廠生產過程實時／歷史數據庫的平臺，也是為全廠生產過程優化服務的實時生產過程監控和管理信息系統。SIS一端是控制系統（DCS/PLC/機組仿真系統），另一端是MIS，其應用模塊主要有實時數據分析與處理模塊、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、吹灰優化模塊、參數劣化分析模塊、機組負荷優化分配模塊及機組運行狀態評估模塊。
　　
　　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、開關量、數字信號為混合系統信號制，而且為單向，不具有將設備狀態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，其采用全數字、雙向通信的現場總線信號制，解決了智能現場儀表與智能控制室儀表之間的非智能連接問題，為建設數字化電廠提供了基礎條件。
　　
　　二、FCS的設計
　　
　　（1）現場總線標準2000年4月公布的現場總線標準IEC61158包括了10種類型，其中基金會現場總線（FF）和過程現場總線（Profibus）在過程控制領域有較廣泛的應用，FF較適合模擬量控制，Profibus較適合開關量控制。
　　
　　（2）重要控制與安全回路現場總線技術在國內大型機組的主控制系統上應用還處于起步階段，為了保證機組安全穩定運行，爐膛安全監控系統（FSSS）、數字式電液控制系統（DEH）、汽輪機緊急跳閘系統（ETS）、給水泵汽輪機電液控制系統（MEH）和給水泵汽輪機緊急跳閘系統（METS）等不采用現場總線控制方式。
　　
　　（3）電動機控制部分380V、6kV電動機采用現場總線控制方式。
　　
　　（4）DCS為基本系統由于有些DCS可與FCS無縫連接，因此采用以DCS為基礎利用FCS的信息處理、設備診斷和設備管理軟件進行設備級控制的系統結構。
　　
　　（5）就地智能設備控制功能部分現場總線的就地智能設備具備控制功能。如遵循FF協議的50多種算法（控制策略）可下裝至就地智能設備（變送器或執行機構）中，由就地智能設備實現控制。機組級控制系統分級劃分及比率見表1。對于執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備中；在一般功能組級的控制系統中，有近50％－60％的控制回路可以下裝到就地智能設備之中。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備之中，可減少中央控制器的配置及復雜程度，但會增加網段總線通訊負荷率。現場總線的就地智能設備一般不采用冗余配置。
　　
　　（6）輔助車間（系統）輔助車間（系統）全面采用FCS，這是因為輔助車間（系統）多為開關量順序控制，用于輔助車間（系統）控制的PLC具有成熟的現場總線通訊能力。
　　
　　（7）設計確認常規DCS設計主要依據于I/O清單和工藝運行程序，并不考慮電纜或設備和接線盒的布置，而FCS設計需要考慮網段設計、設備選型試驗確認等。　　
　　（8）網段設計在現場總線網段設計中應考慮網段的總負載（風險管理、備用容量、網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、現場設備數量、總線的拓撲結構形式、中繼器配置、集線器（多路接線盒）數量和規格及配置等因素。總線網段上可掛的設備zui大數量受到設備之間通信量、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）就地智能設備采用遵循現場總線標準的現場總線智能設備，對于有些尚無現場總線標準的設備，可選用遵循Hart通訊協議的智能型現場設備。
　　
　　（10）通訊、兼容試驗實踐證明，雖然遵循同一現場總線標準的設備在理論上均能夠實現互聯、互操，但在實際工程應用中并不能即接即用。不同公司生產的產品在軟件版本、通信協議細節、電氣兼容性等方面，存在一定差異，必須經過通訊、兼容試驗。
　　
　　（11）通訊速率在確定總線通訊速率時發現通訊速率越高越易受干擾，以滿足工程需要為宜，也應兼顧配置的經濟性。
　　
　　三、結語
　　
　　建設數字化電廠必須解決現場控制設備級數字化，目前只有FCS能夠完成現場控制設備級的數字化。FCS的現場智能設備能將大量現場信息送入通信網絡，這是DCS、PLC無法實現的。FCS雙向數字通信現場總線信號制技術，是建設數字化電廠的基礎條件。