現(xiàn)場(chǎng)總線在電廠輔助系統(tǒng)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

陳若春

(浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310012)

0 引言

根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)IEC 61158標(biāo)準(zhǔn)的定義，安裝在制造或生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、雙向、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場(chǎng)總線。基于現(xiàn)場(chǎng)總線的控制系統(tǒng)即為現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(fieldbus control system，F(xiàn)CS)。這種控制系統(tǒng)將通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的智能儀表和控制器掛在總線上，通過(guò)數(shù)字量的雙向傳遞來(lái)完成顯示、調(diào)節(jié)、邏輯運(yùn)算和保護(hù)等功能。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的建立應(yīng)具備兩個(gè)前提：①工業(yè)級(jí)的現(xiàn)場(chǎng)總線;②現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)一旦被選定，所有測(cè)控設(shè)備都應(yīng)具有遵循該通信總協(xié)議的能力。

1 電廠輔助系統(tǒng)的控制特點(diǎn)

燃煤電廠的輔助系統(tǒng)主要具有以下特點(diǎn)[1]。

①重要性，它關(guān)系到各輔助系統(tǒng)以及整個(gè)電廠的運(yùn)行狀況。各系統(tǒng)一旦出現(xiàn)問(wèn)題，必須及時(shí)處理，否則將影響全廠的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

②分散性，電廠水處理系統(tǒng)、灰系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)等遍布于全廠。

③非連續(xù)性，除凝結(jié)水精處理高速混床、汽水取樣和加藥系統(tǒng)外，其余各系統(tǒng)幾乎都是采用間歇式運(yùn)行方式。

④開關(guān)量控制為主，開關(guān)量控制是輔助系統(tǒng)控制的核心，大量的閥門、電磁閥、電動(dòng)機(jī)等要受聯(lián)鎖條件的邏輯控制，以設(shè)備的狀態(tài)、閥門的開關(guān)、電機(jī)的啟停、壓力流量和料液位的限值等條件進(jìn)行控制。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用策略

大型電廠輔助系統(tǒng)已基本實(shí)現(xiàn)了基于DCS或PLC的集中控制。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在電廠輔助系統(tǒng)的應(yīng)用采用的是集成的方式，包括現(xiàn)場(chǎng)總線與DCS的集成、現(xiàn)場(chǎng)總線與PLC的集成和現(xiàn)場(chǎng)總線與信息網(wǎng)絡(luò)的集成。

現(xiàn)場(chǎng)總線和DCS的集成一般有兩種方式：①現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與現(xiàn)場(chǎng)總線接口單元通信，現(xiàn)場(chǎng)總線接口單元再通過(guò)I/O總線與DCS通信;②現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)總線與服務(wù)器通信，現(xiàn)場(chǎng)總線服務(wù)器直接掛在DCS網(wǎng)絡(luò)上。如今，PLC已廣泛應(yīng)用于電廠輔助系統(tǒng)控制，現(xiàn)場(chǎng)總線中，像 ControlNet、Modbus、Profibus等都是PLC的主要供貨商所支持的。這些現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和產(chǎn)品已集成到PLC系統(tǒng)中，成為PLC系統(tǒng)中的一部分或者成為PLC的延伸部分。隨著以太網(wǎng)通信速率的不斷提高和全雙工交換式以太網(wǎng)的誕生，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線與信息網(wǎng)的集成。

現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)有十余種，要在電廠輔助系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，必須在總線選擇和工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面考慮實(shí)時(shí)性和適用性因素。

實(shí)時(shí)性方面，包括快速性和確定性。對(duì)于快速性，總線主要用于過(guò)程自動(dòng)化的信號(hào)采集及控制，滿足用戶快速通信的方案;對(duì)于確定性，包含了對(duì)特定對(duì)象的現(xiàn)場(chǎng)I/O級(jí)和控制級(jí)指令操作、反饋信息的傳輸和信息管理功能[2]。

適用性方面，現(xiàn)場(chǎng)總線采用數(shù)字信號(hào)取代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的常規(guī)信號(hào)傳遞方式，但是目前并非所有的測(cè)控設(shè)備都具有總線接口，或由于某些設(shè)備的局限，對(duì)這些設(shè)備的信號(hào)傳送仍采用常規(guī)的電纜連接方式。例如，在全面使用現(xiàn)場(chǎng)總線的德國(guó)Niederaussem電廠和我國(guó)華能玉環(huán)電廠水處理系統(tǒng)中，都是按這一方式處理的。

在電廠某一個(gè)輔助系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線，應(yīng)遵循同一種總線協(xié)議，并且要充分利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。如水處理系統(tǒng)和灰系統(tǒng)，測(cè)控設(shè)備包括變送器、分析儀表、液位、溫度變送器、總線電磁閥島、執(zhí)行器、智能馬達(dá)等，采用Profibus總線協(xié)議尤為合適。

對(duì)于電廠某一個(gè)范圍較大且又比較分散的輔助車間系統(tǒng)，各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備距離相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，如輸煤系統(tǒng)等，盡管采用現(xiàn)場(chǎng)總線原則上要求現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備盡量是總線智能型，但在此系統(tǒng)中，拉繩開關(guān)、跑偏開關(guān)、速度開關(guān)、過(guò)程行程開關(guān)、限位開關(guān)和電機(jī)溫度信號(hào)等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控設(shè)備大都難以提供標(biāo)準(zhǔn)的總線接口。這時(shí)，采用非標(biāo)準(zhǔn)或非主流的總線協(xié)議(如ControlNet、Modubs)等現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議支持的總線接口模塊接收現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)，再以總線方式進(jìn)行傳送至控制室，也是可選的方案。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性分析

3.1 水處理控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1.1 配置說(shuō)明

電廠水處理、灰系統(tǒng)的工藝過(guò)程和信號(hào)特點(diǎn)具有相對(duì)的一致性。為便于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，以電廠化學(xué)水系統(tǒng)采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)為代表，首先確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與常規(guī)控制系統(tǒng)在配置上的差異性，再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)上的比較。

現(xiàn)場(chǎng)總線與常規(guī)控制系統(tǒng)在配置上的差異主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

①常規(guī)控制系統(tǒng)配置采用本地I/O，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)采用總線智能I/O;

②現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)需要配置偶合器，常規(guī)配置則不需要;

③常規(guī)配置的現(xiàn)場(chǎng)儀表均為非智能型，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)需要配置基于Profibus-PA協(xié)議的智能型儀表;

④根據(jù)電纜量的不同，敷設(shè)工作量也不同;

⑤常規(guī)配置的電磁閥采用單個(gè)控制，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)需要配置基于Profibus-DP協(xié)議的電磁閥島;

⑥現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)需要配置基于Profibus-DP協(xié)議的智能MCC;

⑦對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中配置的非智能型儀表，以常規(guī)連接方式接入系統(tǒng)。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異Tab.1 Configuration difference between fieldbus control system(FCS)and conventional system

同樣，電廠灰系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與采用常規(guī)控制系統(tǒng)配置方案經(jīng)濟(jì)性比較也可以參照上述方式獲得。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的投資費(fèi)用增加部分主要集中在現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備;而投資費(fèi)用減少主要集中在電纜和橋架的設(shè)備及安裝成本。通過(guò)上述比較可知，Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與常規(guī)配置的方案在投資上總體持平。

3.1.2 應(yīng)用實(shí)例

華能玉環(huán)電廠(4×1 000 MW)在鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、凈水系統(tǒng)和廢水系統(tǒng)中采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[3]，構(gòu)建了監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)(冗余工業(yè)以太網(wǎng))、控制層網(wǎng)絡(luò)(冗余工業(yè)以太網(wǎng))、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)(Profibus-DP/PA)。系統(tǒng)采用了多種現(xiàn)場(chǎng)總線智能儀表和設(shè)備(流量、溫度、壓力、分析儀表、閥島、執(zhí)行器、智能MCC)，集成了不同公司的Profibus產(chǎn)品，已于2006年3月投入商業(yè)運(yùn)行。玉環(huán)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析如表2所示。

表2 玉環(huán)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析Tab.2 Economic analysis on FCS of Yuhuan power plant

目前，新疆華電昌吉新熱電(2×330 MW)工程在水處理系統(tǒng)采用基于Profibus的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，工程正在實(shí)施過(guò)程中。而建設(shè)中的華能金陵電廠(2×1 000 MW)及華能九臺(tái)電廠(2×600 MW)，除了安全保護(hù)系統(tǒng)和對(duì)安全特性有特殊要求的自動(dòng)控制任務(wù)(FSSS、DEH等)外，全廠均采用Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)總線在輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.2.1 輸煤程控系統(tǒng)常規(guī)方案

電廠輸煤程控系統(tǒng)的常規(guī)控制方案即采用硬接線將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)連接到中控室的控制機(jī)柜或者轉(zhuǎn)運(yùn)樓的遠(yuǎn)程站，程控系統(tǒng)的通信總線延伸至各個(gè)遠(yuǎn)程站所在的區(qū)域。通過(guò)合理配置采集信號(hào)和控制的遠(yuǎn)程站，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備以標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA模擬量信號(hào)和24 VDC開關(guān)量信號(hào)就近接入相應(yīng)的遠(yuǎn)程站，而并非是將現(xiàn)場(chǎng)所有信號(hào)簡(jiǎn)單的接入中控室。常規(guī)連接方案示意圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)連接方案示意圖Fig.1 Diagram of conventional connection scheme

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)總線方案

電廠輸煤系統(tǒng)包括從碼頭卸船機(jī)(或火車卸煤)經(jīng)皮帶和轉(zhuǎn)運(yùn)站，到煤場(chǎng)堆取料機(jī)分流，再到電廠煤倉(cāng)間進(jìn)行配煤的全過(guò)程。其設(shè)備運(yùn)行條件差且系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)距離長(zhǎng)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)經(jīng)過(guò)這幾年的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。本方案考慮輸煤系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)級(jí)智能I/O模塊、現(xiàn)場(chǎng)傳輸總線以及相關(guān)的控制網(wǎng)絡(luò)組成。

Modbus總線是一種安裝在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備儀表與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置系統(tǒng)之間的串行通信數(shù)據(jù)總線，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備數(shù)字化通信的一種工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[4]。各節(jié)點(diǎn)經(jīng)其接口通過(guò)通信鏈路與公共總線連接。任何節(jié)點(diǎn)的信息都可以沿總線傳輸，主機(jī)通過(guò)輪詢，向各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送或接收信息，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展靈活。該方案有效地提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的精度，以及信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。

工業(yè)級(jí)智能模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口模塊實(shí)現(xiàn)主機(jī)和各個(gè)前端I/O模塊之間的數(shù)據(jù)通信。智能模塊具有高精度、高抗干擾能力、高可靠性和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，并配置有微處理器，具有可編程能力，支持高級(jí)語(yǔ)言開發(fā)。工業(yè)級(jí)智能模塊具有良好的防塵、防潮、防震性能，適宜現(xiàn)場(chǎng)布置。現(xiàn)場(chǎng)總線方案示意圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)總線方案示意圖Fig.2 Diagram of fieldbus scheme

3.2.3 方案經(jīng)濟(jì)性分析

在對(duì)電廠輸煤控制系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析前，確認(rèn)采用Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異，具體信息如表3所示。

表3 Modbus現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)的配置差異Tab.3 Configuration difference between Modbus FCS and conventional control system

表3僅對(duì)兩個(gè)配置方案的主要差異進(jìn)行了比較和價(jià)格分析，并不說(shuō)明整個(gè)控制系統(tǒng)的全面配置。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的投資費(fèi)用增加部分主要集中在現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的通信單元和通信電纜上;而投資費(fèi)用減少用主要是大量采用智能模塊后，節(jié)省了電纜和橋架的設(shè)備及安裝材料。通過(guò)上述比較可見，輸煤系統(tǒng)控制方案中現(xiàn)場(chǎng)總線較常規(guī)配置方案在投資上的優(yōu)勢(shì)。

3.2.4 現(xiàn)場(chǎng)總線在輸煤控制系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例

在舟山六橫煤電基地項(xiàng)目中，輸煤系統(tǒng)皮帶有28條，皮帶沿線的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)均由皮帶沿線智能I/O設(shè)備讀取，通過(guò)Modbus總線送到控制系統(tǒng)。六橫煤電基地現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析如表4所示。

表4 六橫煤電基地現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析Tab.4 Economic analysis on FCS of Liuheng coal-fired power generation base

在鳳臺(tái)電廠(2×600MW)輸煤程控系統(tǒng)中，部分采用了安裝在現(xiàn)場(chǎng)的工業(yè)級(jí)現(xiàn)場(chǎng)總線智能模塊和智能設(shè)備，以主從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過(guò)接口界面與監(jiān)控層進(jìn)行通信。鳳臺(tái)電廠于2008年投入商業(yè)運(yùn)行。

4 應(yīng)用前景分析

通過(guò)配置比較和經(jīng)濟(jì)性分析，采用現(xiàn)場(chǎng)總線投資費(fèi)用的增加主要在現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的安裝上，但電纜和橋架的設(shè)備及安裝敷設(shè)成本會(huì)大幅下降，總體不會(huì)增加基建階段的投資。

電廠主要輔助系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息量大大增加[5]。智能設(shè)備提供給控制系統(tǒng)的信息不僅是實(shí)時(shí)的工程值，還包括智能設(shè)備附屬信息，以及制造商、設(shè)定值、故障狀態(tài)等信息，還可通過(guò)總線系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程整定。也許是受限于電廠的運(yùn)行水平、管理體制或設(shè)備維護(hù)模式，目前，多數(shù)電廠僅停留在“可用”的初期階段，尚不能充分發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的智能化與功能自治性。

利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能自檢和通信功能實(shí)現(xiàn)預(yù)維護(hù)和前瞻性維護(hù)[6]，可以大大提高設(shè)備的可利用率和運(yùn)行效能。由于設(shè)備原因的非計(jì)劃性停運(yùn)和傳統(tǒng)的低效率維護(hù)方式都帶來(lái)電廠效益的降低，而利用預(yù)維護(hù)方式可以極大地改善以下狀況：①大修周期內(nèi)的儀表校驗(yàn)維護(hù)工作;②頻繁而低效率的現(xiàn)場(chǎng)巡檢;③儀表技術(shù)人員花費(fèi)在書面記錄和文檔整理上大量的工作時(shí)間。

為滿足對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(智能儀表，智能馬達(dá)等)的管理，以監(jiān)控層為平臺(tái)，建立相匹配的設(shè)備維護(hù)管理系統(tǒng)，且與運(yùn)行人員的MMI相互隔離。同時(shí)，應(yīng)配置專門的人員，運(yùn)用新技術(shù)帶來(lái)的數(shù)字化和信息化，針對(duì)智能測(cè)控設(shè)備做好二次開發(fā)和應(yīng)用工作，為生產(chǎn)維護(hù)帶來(lái)革命性的改變。

這種改變主要體現(xiàn)在：①通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)智能測(cè)控設(shè)備的健康狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題所在，從而避免由于故障不能及時(shí)排除造成損失;②進(jìn)行在線組態(tài)、校驗(yàn)管理、診斷及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作;③減少維修人員從維修車間到現(xiàn)場(chǎng)的往返次數(shù)，減少大量的巡檢時(shí)間，使維修人員有更多的時(shí)間用于處理預(yù)測(cè)性維護(hù)事件;④提供設(shè)備故障判斷依據(jù)，從而減少備品備件投入;⑤建立維護(hù)與診斷工作站，在工作站實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的檢查，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的設(shè)置通過(guò)網(wǎng)絡(luò)直接下載到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中，并通過(guò)定期對(duì)參數(shù)的檢查間接確定設(shè)備是否故障，建立檢查記錄。

5 結(jié)束語(yǔ)

在電廠投產(chǎn)后若能真正建立基于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的二次開發(fā)平臺(tái)，處理好現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用過(guò)程中諸如接口穩(wěn)定性、測(cè)控設(shè)備的局限性、總線可靠性等問(wèn)題，利用總線控制系統(tǒng)的豐富參數(shù)和診斷信息進(jìn)行設(shè)備診斷，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行、維護(hù)，發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸分層次、多變量的特點(diǎn)，將設(shè)備管理自動(dòng)化和遠(yuǎn)程診斷功能納入系統(tǒng)，指導(dǎo)電廠的生產(chǎn)管理，貫穿于電廠的全壽命周期，其潛在的經(jīng)濟(jì)性將十分巨大。

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