近年来,随着控制技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展,数字化控制已从工业生产过程中的决策层、管理层、监视层和控制层一直渗透到了现场设备层级,传统的模拟量信号传输方式正逐渐被现场总线(field bus)代替。随着火电机组对自动化、智能化、数字化、集约化水平的要求越来越高,现场总线的应用范围将越来越广。与传统的DCS技术相比,现场总线在经济性、可靠性、设备互操作性等方面具有明显优势^[1]。北方联合电力有限责任公司和林发电厂(以下简称和林发电厂)2×660 MW超临界间接空冷机组在蒙西地区首次大规模应用了现场总线技术,使用范围涵盖近20个工艺系统,共涉及现场设备约2700台,现场总线技术的应用大大提高了电厂的数字化、智能化水平。1 现场总线介绍1.1 现场总线含义

现场总线是指工业自动化系统中,实现智能化现场设备(如变送器、液位计、执行器等)与高层设备(如主机、人机接口设备)之间互连的全数字、串行、双向的通信系统。国际电工委员会的定义为:现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络^[2]。

现场总线是在20世纪80年代中期发展起来的1项综合技术,以数字通信、计算机网络、自动控制为主要内容^{[1, 2, 3]}。现场总线控制系统(FCS)是基于分布式控制系统(DCS)和可编程控制系统(PLC)发展起来的新一代控制系统。1.2 现场总线设备的类型

现场总线最先在美国、欧洲开始应用,许多国外生产商都研发了自己的总线类型,形成了CIP、Profibus、P-NET、WordFIP、Interbus,以及FF H1等许多不同标准^{[1, 2, 3]}。基于现场总线使用的稳定性、可扩展性,目前国内电厂主要采用了Profibus和FF H1 2种现场总线类型。现场总线设备是指连接在现场总线上的各种仪表、设备,这些设备都需经过现场总线国际组织授权部门认证,主要包括变送器、电动执行机构、气动定位器、液位计、分析仪表、变频器、吹灰器、电气系统等。

和林发电厂主、辅网系统的电动执行机构、变频器采用Profibus-DP V1标准,变送器、液位计采用Profibus-PA标准。Profibus-DP V1版本中,不仅能够在人机界面上对设备进行操作,而且能够实现对设备的智能开发。2 现场总线使用原则及应用范围

现场总线传输信号全部是数字量,网络结构简单、独立,已在新建电厂中被大量使用。和林发电厂从工艺系统特点、主设备安全性、控制系统配置、经济运行等方面综合考虑,确定了统一的现场总线应用区域划分原则,大规模应用了现场总线技术。2.1 应用区域划分主要原则

(1) 用于数据采集的变送器,用于单回路调节系统的压力、差压、液位等智能变送器,采用现场总线接入DCS。

(2) 用于非重要调节回路的调节型电动、气动执行机构,采用现场总线。

(3) 开关型阀门电动装置采用现场总线。2.2 使用范围

应用现场总线的主要设备有压力、差压、流量变送器,电动执行机构,气动定位器,液位计,分析仪表及吹灰器等,主要分布在以下系统。2.2.1 主机部分

锅炉吹灰器系统;锅炉二次风系统;锅炉疏放气系统电动门;高、低压加热器系统;除氧器系统;闭式水系统;间接空冷系统;辅机间冷塔系统;低压厂用电系统。2.2.2 辅助车间

锅炉补给水系统;生活污水、工业废水系统;汽水取样系统;凝结水精处理系统。3 现场总线使用效果3.1 电缆使用量大幅减少

在传统的DCS控制中,都是通过屏蔽电缆一对一连接现场设备,因此每个信号都需要1对电缆。而采用现场总线后,仅需1根总线电缆接到就地总线通信箱,再通过总线接线箱与就地设备进行连接即可^{[4, 5, 6]}。

和林发电厂中以下设备采用了现场总线:每个间接空冷塔上的百叶窗执行机构共96台;机力通风塔百叶窗的执行机构共20台,入口电动门、出口电动门共38台;每台锅炉吹灰器共100台。经初步估算,这些系统共可节约43 km左右的电缆(见表 1),大大降低了电缆及电缆桥架附属设备的投资成本。

表 1(Table 1)

表 1 DCS与FCS使用电缆数量比较

表 1 DCS与FCS使用电缆数量比较

现场总线采用数字传输技术,实现了高精度的信息处理,提高了控制品质,机组能够更加快速、准确地响应电网调度要求;同时为数字化电厂的建设搭建了平台,有效提高了电厂综合自动化水平^{[7, 8]}。3.3 仪表和设备的可操作性及透明化程度更高

现场设备整定和维护信息可通过数字化的现场总线网络送入控制系统,从而使现场仪表和设备的状态变得透明化,便于监护和维修^[9]。利用优化管理软件对工艺设备的运行状态进行监测(见图 1),使维护人员能够准确、方便地预知设备状态,对设备进行预测性维护;利用优化控制软件对工艺系统和设备进行优化,可以提高系统、设备运行效率、降低能耗,使发电企业的效益最大化。

图 1(Figure 1)

图 1 设备运行状态监测画面截图

从图 1可以看到,采用现场总线技术能够综合反映设备的当前状态,信息量远大于常规监视仪表。通过管理软件能够实时监视电动机温度和力矩、电子电路等重要部位的状态和参数,比常规DCS控制设备更加直观、透明。同时,可根据设备状态信息及时掌握设备状况,提前消除隐患,提高机组运行的安全水平。3.4 设备信息综合化程度高

采用现场总线通信后,分析仪表、电动执行机构、变送器等不同种类的设备都可以在同1个网段上连接,实现了测量仪表、电气仪表、分析仪表资源信息的共享化、综合化^[10]。3.5 诊断、检修方便

现场总线设备在工程师站就能显示常规DCS控制无法显示的参数信息,电厂维护人员不需要去就地就可以完成变送器量程校验,定位器的零位调整、满刻度标定等工作;如果能够在电动执行机构上查看到设备内部的一级、二级菜单,就可以通过远方操作实现参数(如力矩、反馈等)调整^{[11, 12]}。通过现场总线管理软件可以记录电动机、开关等设备的动作次数(见图 2),显示出设备的使用寿命等,便于对设备进行在线评估。

图 2(Figure 2)

图 2 现场总线设备诊断内容截图

现场总线采用数字化传输、数字化管理,组态更加模块化,不同种类的总线设备通过统一的总线设备管理软件平台来实现智能化、数字化管理。因此在组态方面能够节省大量的程序编制时间,有效提高工程设备调试进度^{[12, 13, 14]}。4 可靠性、安全性与经济性分析4.1 可靠性

任何控制系统的升级、更新都必须首先保证系统自身的可靠性、稳定性,对于电厂用户来说,不论是现场总线,还是常规结构都需要同时满足现场和电网调度的要求,如可靠性、稳定性、可操作性等。系统的可靠性不仅取决于介质的可靠性,同时也取决于电源、变送器、控制器、通信调度和执行器等设备本身的可靠性^[15]。在这些可能的故障点中,导线的复杂程度最低,因而它的故障率也最低。现场总线采用了比传统控制系统更为广泛的冗余方式,由基本的变送器冗余,直至先进的、使用专用分布式功能块的系统级冗余。

和林发电厂主、辅网控制系统的冗余具有以下特点。

(1) 电动执行器全部采用双重冗余接口,保证通信时单一通信接口故障不会引起设备误动。

(2) 现场总线供电电源冗余。在现场总线电磁阀岛控制中,设置了冗余的供电电源模块,保证任意1路电源故障均不会引起设备离线。

(3) 控制器冗余。

(4) 电源阻抗器冗余。

(5) 现场总线故障隔离。主要是通过中继器或安全栅将1个总线段分成若干个相对独立部分。

依据《防止电力生产事故的二十五项重点要求》^[7]的规定,可靠性冗余配置必须达到100%且应做到无扰切换。和林发电厂遵循的设计原则为:凡是不能做到冗余的现场总线设备,在网段划分、连接上必须做到100%冗余,系统的可靠性得到保证。4.2 安全性

采集控制系统中的现场总线设备数据,使用防火墙和网闸进行隔离,确保管理系统与控制系统完全隔离;在整个控制系统中装有安全的防病毒软件,与SIS的通信采用双向通信方式,且内置专用防火墙,保证对控制网的零干扰。4.3 经济性

与传统DCS比较,FCS不仅减少了I/O模件及机柜、MCC配电柜的数量,而且减少了电缆、桥架及安装材料的使用量,进而减少了材料安装及电缆敷设的工作量,减少了设备维护工作量。通过现场调研华能陕西秦岭发电有限公司以及山西省电力设计院,初步测算和林发电厂FCS Profibus与传统DCS的经济性比较如图 3所示。

图 3(Figure 3)

图 3 FCS Profibus与传统DCS的经济性比较

从图 3可以看出,使用现场总线结构后,控制系统总投资减少了43%,其中,硬件费用降低28%,安装费用降低5%,工程费用降低10%,可见采用现场总线的经济性相当可观。5 结束语

基于现场总线技术的众多优势,在工业领域将得到越来越广泛的应用,逐步取代传统DCS控制^[16]。经过严格论证,和林发电厂在蒙西电网发电厂中首次大范围应用现场总线技术。现场总线的成功投运,为建立节能环保型数字化电厂奠定了良好基础,为现场总线技术在发电厂的推广应用提供了宝贵经验。