現場總線技術在數字化電廠中的應用
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何為數字化電廠，這個問題近幾年來在業(yè)界得到了廣泛的討論。隨著計算機技術和通信技術在電力行業(yè)的廣泛應用，數字化已普遍應用于電力生產過程的決策層、管理層和監(jiān)控層，數字化電廠也逐步成為現代化發(fā)電企業(yè)發(fā)展的方向，從目前對數字化電廠的認識來看，數字化電廠的網絡結構可以劃分為三個層次,即直接控制層(包括數據采集)、管控一體化層、管理決策層，而將三個層次連接起來的就是數據庫和計算機網絡。
管理決策層：MIS
管控一體化層：SIS AMS智能設備管理系統(tǒng)
現場控制層：DCS等
目前SIS是一個準實時監(jiān)控系統(tǒng)，SIS側重點是實時生產過程管理和監(jiān)控，對實時性要求高，SIS的實時性要求比MIS高，比DCS略低。對實時性要求之所以比DCS略低，其原因是SIS應用功能目前大多數是開環(huán)的，如負荷分配功能，電廠負荷非直調方式-中調把全廠負荷發(fā)給電廠，電廠按優(yōu)化分配算法把負荷分配給每臺機組。如果SIS中的這一功能真正實現閉環(huán)，將取得明顯的經濟效益。如SIS實施閉環(huán)，其對實時性的要求將與DCS相當。
數字化電廠很重要的組成部分是上層SIS等應用軟件，SIS需要的實時信息取自于DCS和輔助車間監(jiān)控系統(tǒng)等，由于DCS采用的是模擬量、開關量，不具備將設備狀態(tài)的實時信息上傳至控制器的功能，SIS也就無法獲得這些有用信息，這就是SIS進一步提髙功效的瓶頸，也是建設真正意義上的數字化電廠的瓶頸。
而FCS系統(tǒng)采用的是全數字、雙向通信現場總線信號制，完全解決了智能現場儀表與智能控制室儀表之間的連接問題，解決了瓶頸，滿足SIS需求，也為現場控制設備級實現數字化、建設真正意義上的數字化電廠提供了基礎條件。要建設真正意義上的數字化電廠，必須解決現場控制設備級數字化，目前現場總線能完成這一使命。FCS是消滅火電廠“信息孤島”的最好武器：FCS的現場智能設備能將大量現場信息送上通信網絡，這是DCS、PLC無法實現的。
二、現場總線技術介紹
現場總線(field bus)，按其國際電工委員會IEC61158的定義為：“安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線稱為現場總線”;按歐洲標準EN50170的描述為“通用現場通信系統(tǒng)”。故可將以現場總線和現場智能裝置為基礎的、全數字控制的系統(tǒng)統(tǒng)稱為FCS。而衡量一個控制系統(tǒng)是否為真正的現場總線控制系統(tǒng)FCS有三個關鍵要點，即：核心、基礎和本質。FCS的核心是總線協(xié)議，只有遵循現場總線協(xié)議的控制系統(tǒng)，才能稱為現場總線控制系統(tǒng);FCS的基礎是數字智能現場儀表，它是FCS的硬件支撐;FCS的本質是信息處理現場化，這是FCS的系統(tǒng)效能體現。
目前主要有以下8種現場總線作為IEC61158現場總線的標準，即：FF H1、Control Net、PROFIBUS、INTERBUS、P-Net、World FIP、Swift Net和FF之高速Ethernet即HSE。以上8種國際標準總線中，P-Net和SwiftNet是用于有限領域的專用現場總線，考慮到所適用應用對象的指定要求，這兩種類型總線的功能相對比較簡單;contro1Net 、Profibus 、World FIP 和Interbus現場總線是由PLC為基礎的控制系統(tǒng)發(fā)展而來的現場總線，從本質上講它們以遠程I/O總線技術為基礎，通常不具備通過總線向現場裝置供電和本質安全性能。如果進一步劃分，Control Net只是監(jiān)控級總線，Profibus和WorldFIP則包括兩個層次的總線;FF H1總線和HSE總線是由傳統(tǒng)DCS控制系統(tǒng)發(fā)展而來現場總線，充分考慮向現場儀表兩線制供電和本質安全要求，功能較為復雜。
目前用于火電廠過程控制的現場總線，在技術和市場占有率均較領先的有基金會(Foundation Fieldbus-FF)現場總線和PROFIBUS(Process Fieldbus)現場總線兩種。
下面對FF和PROFIBUS現場總線控制系統(tǒng)分別進行簡要介紹：
2.1 FF現場總線系統(tǒng)
FF由低速H1總線和高速以太網H2(現在發(fā)展為HSE-High Speed Ethernet)總線組成。其傳輸介質是雙絞線。H1總線主要用于生產現場，速率為31.25Kbps，兩線制信號傳輸并同時向現場設備供電，具備本質安全特征(防爆場合)。H2總線主要面向過程控制級、遠程I/O和高速工廠自動化的應用，采用100Mbps高速以太網協(xié)議(HSE)。
2.2 PROFIBUS現場總線系統(tǒng)
PROFIBUS現場總線系統(tǒng)由傳輸技術 (RS485、RS485-IS、光纖、MBP、MBP-IS、MBP-LP等)、通訊技術協(xié)議(PROFIBUS-DP)、通用行規(guī)(PROFIsafe、PROFIdrive等)、專用行規(guī)(如PA devices)組成。通訊技術協(xié)議PROFIBUS DP的發(fā)展從DPV0(循環(huán)數據交換)到DPV1(循環(huán)和非循環(huán)數據交換、報警與狀態(tài)信息處理)，直至DPV2(運動控制、交叉通訊、時間同步等)。正因為PROFIBUS 擁有統(tǒng)一的通信協(xié)議(PROFIBUS DP), 并在此基礎上發(fā)展了不同的通用應用行規(guī)和專用應用行規(guī)，使得PROFIBUS可以廣泛地應用工業(yè)自動化的各個領域。以下對有關的部分作簡要介紹：
1) PROFIBUS-DP：是一種高速低成本的用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O的通訊技術。協(xié)議結構是以開放式系統(tǒng)互聯標準(OSI — Open System Interconnection )為參考模型，定義了第一、二層(物理層、數據鏈路層)和第七層(應用層);傳輸技術采用RS-485雙絞線電纜和光纜，波特率從9.6kbps到12Mbps;支持單主或多主系統(tǒng)令牌傳輸方式，總線上最大站點數為126個。
2) DP V1專為過程自動化設計，通過DP/PA Link可實現儀器儀表、執(zhí)行器到控制器的數字通訊連接。在協(xié)議上定義了第一、二、七層(物理層、數據鏈路層、應用層)。其中的應用層包含了現場總線的信息規(guī)范和通訊接口規(guī)范;數據傳輸技術采用MBP、MBP-IS等，通訊介質采用雙絞線，傳輸率為31.25kbps，可實現總線供電，本質安全規(guī)范，采用FISCO模型，每段最多32個站點。
3) PROFIsafe：PROFIBUS技術的最新進展之一，在PROFIBUS總線技術的基礎上，實現了安全通訊指標SIL3以上。
4) PROFINET實現了現場總線與以太網的最佳結合，不僅實現了對用戶先前投資的保護，而且還通過PROXY和OPC DADX同其它的總線相連以及對IT技術的集成，并可實現分布式自動化和縱、橫向立體集成;此外，通過國際Internet網和Web網，也可對現場設備進行訪問和控制，其實時通訊的循環(huán)時間(確定性)可在1ms以下，抖動1us以下。
5) PROFIBUS 的標準產品超過2100多種，分別來自世界250多個生產廠商。PROFIBUS在全球各行各業(yè)所占市場份額超過了20%，應用實例約100萬個，據PROFIBUS國際組織宣布，基于PROFIBUS接口的設備節(jié)點應用在2003年底突破了1000萬個。
三、現場總線技術在國內電廠的應用
目前火電機組向高參數、大容量方向發(fā)展，一方面渴望采用新技術、新系統(tǒng);另一方面由于機組本身的熱力特性和電力生產的特點所決定，對安全性和可靠性有特殊要求，因而對新技術、新系統(tǒng)的應用十分謹慎，甚至持保守態(tài)度。FCS是新技術、新裝備，目前還處在發(fā)展和完善過程中，為研究和應用FCS，一些科研院所積極進行試驗和開發(fā)。國電熱工研究院于1998年購進一套FF現場總線系統(tǒng)(Delta V系統(tǒng))，包括2臺監(jiān)控計算機、5個H1I/O卡、10路H1總線、100多臺高精度智能變送器(壓力和溫度)。該套系統(tǒng)已在多個電廠的性能考核和運行調整中發(fā)揮作用，并積累了FCS的配置和安裝經驗。
近幾年現場總線技術和設備正逐步應用到國內一些電廠的外圍輔助系統(tǒng)中。例如山東萊城電廠、江陰夏港電廠、華能玉環(huán)電廠、吉林九臺電廠、華能金陵電廠、國華寧海電廠等。下面就華能的幾個電廠做簡單介紹：
3.1 現場總線技術在華能玉環(huán)電廠的應用
華能玉環(huán)電廠在鍋爐補給水控制系統(tǒng)、電廠化學凈水及廢水控制系統(tǒng)中采用了現場總線儀表設備，作為FCS在電廠中的應用嘗試，該控制系統(tǒng)包括了人機界面、控制站(西門子PCS7 417H)、Profibus-DP和PA通訊網絡、現場總線儀表和設備。DP支路連接儀表、電機控制保護單元(采用西門子SIMOCODE直接安裝在MCC柜內)、I/O單元、變頻器等。壓力及差壓變送器(ABB產品)、磁翻板液位(國產產品，通過加裝PA通訊模塊完成)、PH值、硅酸根、磷酸根測量儀等儀表采用PROFIBUS PA總線，因此所有的現場儀表和執(zhí)行器都將通過DP/PA耦合器連接到總線網絡上。氣動閥門定位器也采用PA總線，實現了氣動閥控制，每個電磁閥箱配一套閥島，模塊驅動電磁閥，模塊采集閥位反饋，通過DP與PLC通訊?？傸c數為502點，其中486點以現場總線方式接入(有個別分析儀表不能提供Profibus標準接口)。
3.2 華能南京金陵電廠
華能南京金陵電廠2×1000MW燃煤機組，主輔機采用現場總線系統(tǒng)，主機部分各類現場總線儀表及監(jiān)控設備約960臺左右，目前總線覆蓋率40%左右。主要保護和DEH、SOE，重要調節(jié)回路、6KV電機采用常規(guī)方式?？偩€標準選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現場總線技術。
3.3 華能吉林九臺電廠
華能吉林九臺電廠2×600MW燃煤機組，主輔機采用現場總線系統(tǒng)，主機部分各類現場總線儀表及監(jiān)控設備約380臺左右，目前總線覆蓋率30%左右。主要保護和DEH、SOE，重要調節(jié)回路、6KV電機采用常規(guī)方式?？偩€標準選用PROFIBUS，水、煤、灰輔控全部采用現場總線技術。
四、現場總線控制系統(tǒng)選型配置分析及應用規(guī)劃
4.1 現場總線的選型配置方案
從現場總線技術的應用經驗來看，PROFIBUS總線技術在國內外電廠中有較多成功的應用，如德國的Niederaussem電廠、陜西楊凌熱電廠、山東龍口電廠、河北三河電廠、廣安電廠、山東萊城電廠、江蘇夏港電廠、寧海電廠、華能巢湖電廠、華能金陵電廠、華能九臺電廠等。
眾所周知，目前國外幾大知名DCS系統(tǒng)基本上都能接受PROFIBUS和FF現場總線標準。如SIEMENS公司的T—3000系統(tǒng)能接受PROFIBUS現場總線標準，FOXBORO公司的I/A系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現場總線標準，艾默生公司的OVATION系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現場總線標準，ABB公司ABB symphony系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現場總線標準。
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