現(xiàn)場總線技術(shù)在數(shù)字化電廠中的應(yīng)用
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從國內(nèi)行業(yè)內(nèi)的實(shí)際投用業(yè)績及使用經(jīng)驗(yàn)來看，也以PROFIBUS和FF兩種現(xiàn)場總線為多。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。
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(yàn)、業(yè)績驗(yàn)證，避免系統(tǒng)重構(gòu)的風(fēng)險，本工程推薦現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用符合市場應(yīng)用主流的PROFIBUS、FF現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)為宜。
4.2 現(xiàn)場總線的應(yīng)用層面
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)聯(lián)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)時性。如網(wǎng)段、設(shè)備分布設(shè)計(jì)不當(dāng)，就可能影響到工藝系統(tǒng)及設(shè)備的安全運(yùn)行。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。因此在大型火力發(fā)電廠燃煤機(jī)組主控系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)，目前基本還限于在現(xiàn)場設(shè)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(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，少數(shù)單回路調(diào)節(jié)任務(wù)下放到現(xiàn)場總線設(shè)備中(當(dāng)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(biāo)準(zhǔn);艾默生公司的OVATION提供了FF和PROFIBUS-DP現(xiàn)場設(shè)備的接入;FOXBORO公司的I/A支持FF和PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn);ABB公司的Symphony系統(tǒng)能接受PROFIBUS和FF現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。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)字化及由此帶來的種種益處，而不在于純粹意義上的FCS應(yīng)用。通過華能巢湖電廠、華能金陵電廠實(shí)施現(xiàn)場總線設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)、了解其它電廠使用現(xiàn)場總線的方案以及與外方進(jìn)行的技術(shù)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(shù)實(shí)力較為突出。
電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)(水、煤、灰 )的控制以開關(guān)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(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)、電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中有深厚應(yīng)用基礎(chǔ)等特點(diǎn)。
近幾年來，相對進(jìn)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(yīng)用也已成熟，受到了電廠的信賴。如泰州2×1000MW機(jī)組輔助車間、大唐南京2×600MW機(jī)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(shè)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(shù)的應(yīng)用目前尚處于起步階段，國電智深、和利時、南京科遠(yuǎn)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(shù)，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(yùn)行業(yè)績。
追求全廠控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)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(shè)備選型時，將進(jìn)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(chǔ)的現(xiàn)場總線。
五、現(xiàn)場總線實(shí)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(yuǎn)程診斷優(yōu)勢的充分發(fā)揮
以智能化現(xiàn)場儀表為基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比其優(yōu)點(diǎn)不僅在監(jiān)視控制方面，更多的在于維護(hù)簡單、具有自動診斷、校正等設(shè)備管理功能方面，而目前國內(nèi)現(xiàn)場總線應(yīng)用業(yè)績尚未普遍，發(fā)揮現(xiàn)場總線管理自動化和遠(yuǎn)程診斷功能從而降低運(yùn)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(yàn)不足
火電廠應(yīng)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(shù)內(nèi)容，無論在設(shè)計(jì)、采購供貨、安裝調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)方面都與常規(guī)系統(tǒng)有所不同，各方面的工程技術(shù)人員對現(xiàn)場總線的知識熟悉程度不夠，缺乏工程經(jīng)驗(yàn)，增加了應(yīng)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(shù)，其本身仍在發(fā)展過程中，目前智能現(xiàn)場設(shè)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(shè)備的支撐，大多需要采用進(jìn)口設(shè)備，因而在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時帶來了設(shè)備價格偏高的問題。
針對控制器而言，當(dāng)主廠房、輔助車間控制系統(tǒng)選擇采用進(jìn)口DCS/PLC基本不存在技術(shù)上的問題，但當(dāng)考慮采用國產(chǎn)DCS實(shí)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(yuǎn)等國產(chǎn)DCS生產(chǎn)商都在積極開發(fā)、應(yīng)用現(xiàn)場總線，有些系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)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(jī)爐工藝系統(tǒng)成規(guī)模的應(yīng)用上尚無案例。因此目前現(xiàn)場總線產(chǎn)品無論現(xiàn)場設(shè)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(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。根據(jù)工程的經(jīng)驗(yàn)，需采取必要的對策，提出如下建議：
5.2.1 盡早確定應(yīng)用的總線標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用范圍
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、市場占有率(包括國內(nèi)、外)、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)、價格和兼容性以及與其它系統(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)場總線標(biāo)準(zhǔn)。采用國際知名度高、信譽(yù)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(biāo)準(zhǔn)和國家、國際標(biāo)準(zhǔn)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(shè)的慣例，尤其大型機(jī)組數(shù)量較多的熱控設(shè)備隨工藝設(shè)備配套供貨，因此也需要盡早確定應(yīng)用的總線標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用范圍，統(tǒng)一對智能設(shè)備提出技術(shù)要求。
5.2.2 工藝設(shè)備與控制系統(tǒng)及設(shè)備宜分島招標(biāo)
工藝設(shè)備制造商的關(guān)注重點(diǎn)在工藝設(shè)備的性能保證上，對控制設(shè)備的配套關(guān)注往往不夠。由于現(xiàn)場總線技術(shù)在國內(nèi)電廠應(yīng)用的時間和范圍，使得工藝設(shè)備制造商的設(shè)計(jì)人員中對現(xiàn)場總線技術(shù)接觸不多，對于現(xiàn)場總線技術(shù)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(shè)備單獨(dú)分島招標(biāo)、控制系統(tǒng)集中招標(biāo)的形式予以實(shí)施，根據(jù)單元機(jī)組、輔助車間現(xiàn)場總線方案設(shè)計(jì)原則，結(jié)合工藝特點(diǎn)，統(tǒng)一規(guī)劃現(xiàn)場總線技術(shù)要求，盡早安排，確?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的質(zhì)量和建設(shè)工期滿足要求。對于必須隨工藝設(shè)備配套供貨的總線控制設(shè)備，要重視輔機(jī)招標(biāo)中的工藝設(shè)備配供控制裝置現(xiàn)場總線技術(shù)要求，督促輔機(jī)廠家嚴(yán)格按照選定的總線設(shè)備清單供貨，防止產(chǎn)生與設(shè)計(jì)技術(shù)要求不符的問題。
5.2.3 重視人員的技術(shù)培訓(xùn)工作
現(xiàn)場總線技術(shù)包含許多新的內(nèi)容，因此技術(shù)要求較高，必須要加強(qiáng)業(yè)主、設(shè)計(jì)單位、設(shè)備安裝、組態(tài)調(diào)試單位人員的培訓(xùn)，培訓(xùn)要深入貫穿全過程，業(yè)主在工程設(shè)計(jì)初始階段就要積極介入。為確保工程的有效、順利實(shí)施，在工程設(shè)計(jì)之前積極開展與控制工程公司之間的有關(guān)方案設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、組態(tài)調(diào)試、管理維護(hù)方面的技術(shù)交流。通過技術(shù)交流，使控制工程公司預(yù)先了解本工程期望達(dá)到的目標(biāo)，工程有關(guān)各方了解應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)要點(diǎn)和難點(diǎn)，以便在技術(shù)上做好充分的準(zhǔn)備。
由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、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(shè)備管理模式，適應(yīng)現(xiàn)場總線技術(shù)在機(jī)組控制及輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中的全面應(yīng)用，要重視智能設(shè)備管理軟件在調(diào)試和運(yùn)行中的應(yīng)用，使得以預(yù)測性設(shè)備維護(hù)和設(shè)備管理為預(yù)期目標(biāo)的目的能夠?qū)崿F(xiàn)，做到操作人員和維護(hù)人員能夠及時獲取相關(guān)的信息，并進(jìn)行最合適的操作或者維護(hù)工作，從而避免災(zāi)難性的設(shè)備故障，并且可以減少設(shè)備非故障停機(jī)，提高系統(tǒng)的可用率水平。
現(xiàn)場總線設(shè)備系統(tǒng)的出廠驗(yàn)收要比普通PLC出廠驗(yàn)收時間長，由于工廠測試中就要將每個智能設(shè)備的ID進(jìn)行設(shè)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(shù)支撐伙伴
盡管國際上現(xiàn)場總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用總線標(biāo)準(zhǔn)以后，各種帶有總線接口的智能設(shè)備如變送器、分析儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)控制器、斷路器、變頻器等必須進(jìn)行兼容性性能測試，測試內(nèi)容包括連接方式、設(shè)備組態(tài)、在線數(shù)據(jù)、設(shè)備管理等項(xiàng)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(yàn)臺實(shí)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(shí)際構(gòu)成情況，并出具專題報告，以確保帶有總線接口的智能設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成和性能參數(shù)基本符合今后的實(shí)際使用情況，確保整個控制系統(tǒng)能達(dá)到良好的實(shí)用效果。因此必須選擇具備具有現(xiàn)場總線良好應(yīng)用業(yè)績的技術(shù)支撐合作方，實(shí)施現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用。這一點(diǎn)實(shí)踐證明非常是必要的。另一方面，也為業(yè)主培訓(xùn)提供技術(shù)支持，負(fù)責(zé)解決現(xiàn)場總線實(shí)施過程中產(chǎn)生的技術(shù)問題。積極配合系統(tǒng)及現(xiàn)場總線設(shè)備供貨商，在電建公司及調(diào)試單位進(jìn)行現(xiàn)場安裝、現(xiàn)場單體調(diào)試、現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備通信調(diào)試過程中，向電建公司和調(diào)試單位提供技術(shù)咨詢和技術(shù)支持。
六、總結(jié)
建設(shè)數(shù)字化電廠必須解決現(xiàn)場控制設(shè)備級數(shù)字化,目前只有FCS 能夠完成現(xiàn)場控制設(shè)備級的數(shù)字化。FCS 的現(xiàn)場智能設(shè)備能將大量現(xiàn)場信息送入通信網(wǎng)絡(luò),這是DCS、PLC 無法實(shí)現(xiàn)的。FCS 雙向數(shù)字通信現(xiàn)場總線信號制技術(shù),是建設(shè)數(shù)字化電廠的基礎(chǔ)條件。
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