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現(xiàn)場總線在火電機組輔助控制系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用

   2011年12月06日 11:40  
  摘要現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是一種全開放、全數(shù)字、全分散的新型控制系統(tǒng),其zui顯著的特點是設(shè)備級數(shù)字化。設(shè)備狀態(tài)信號傳輸至集控室不會造成成本和通訊負荷的增加,并使得設(shè)備故障檢修變?yōu)樵O(shè)備狀態(tài)維修。FCS具有投資少,設(shè)計、安裝、調(diào)試和運行維護工作量小,易于系統(tǒng)擴展等優(yōu)點。
  
  一、現(xiàn)場總線技術(shù)
  
  根據(jù)電工委員會IECl158定義,安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。目前現(xiàn)場總線還未形成統(tǒng)一的標準,應(yīng)用較廣泛的現(xiàn)場總線主要有Profibus總線和基金會現(xiàn)場總線(FF)。
  
  (l)FCS突破了傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器(PLC)、DCS信號"點對點"傳輸?shù)氖`,通過FCS通訊傳輸除對實時性數(shù)據(jù)有一定限制外,對于非實時性的狀態(tài)、診斷、參數(shù)化的數(shù)據(jù)沒有限制。如對于Profibus總線的ProfibuS-DP支路,為了保證控制和過程測量數(shù)據(jù)的實時性,對循環(huán)周期數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)設(shè)置時限制輸入和輸出均在244個字節(jié)內(nèi),這對于絕大多數(shù)的DP設(shè)備是足夠的(如電動機控制模塊(SIMOCODE)的輸入、輸出各4個字節(jié),已包含較多的狀態(tài)信息),而非循環(huán)周期數(shù)據(jù)通訊則根據(jù)設(shè)備的不同,能夠傳送幾十到二百多個字節(jié),并且不影響系統(tǒng)的實時性。如SIMOCODE可組態(tài)20個字節(jié)的非循環(huán)周期數(shù)據(jù)采集。
  
 ?。?)FCS的應(yīng)用將促進信息管理、設(shè)備管理、優(yōu)化控制等軟件的發(fā)展。FCS建立了全面、實時的數(shù)據(jù)信息平臺,通過現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸,在生產(chǎn)過程中獲得的過程信息量遠遠大于常規(guī)控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息量,為實現(xiàn)狀態(tài)檢修、性能優(yōu)化控制和管理奠定了更加可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
  
  (3)系統(tǒng)成本低。采用現(xiàn)場總線后,可節(jié)省大量傳統(tǒng)的I/0卡件、隔離器、控制柜、信號電纜及設(shè)備間連接電纜,降低了設(shè)備采購及安裝、調(diào)試費用。如1臺電動機控制,在傳統(tǒng)的PLC設(shè)計中有6個開關(guān)量和1個模擬量,需要7條電纜,采用SIMOCIDE-DP后,每一條DP支路上至少可以掛接10臺電動機控制和保護單元,則布線數(shù)量是傳統(tǒng)PLC布線數(shù)量的1/70。以1個電磁閥箱裝有2個雙電控、6個單電控的電磁閥計算,傳統(tǒng)PLC設(shè)計需要1O個DO及16個DI信號,采用DP遠程I/0和閥島后,l條DP支路按掛接4個電磁閥箱計算(實際可掛接8~10個),則布線數(shù)量只有傳統(tǒng)PLC布線數(shù)量的1/104。
  
  二、工程應(yīng)用
  
  2.1控制系統(tǒng)組成
  
  廣東河源電廠水網(wǎng)控制系統(tǒng)(主要包括凈水站和工業(yè)廢水2個系統(tǒng)的控制)采用德國西門子公司的Profibus現(xiàn)場總線技術(shù),設(shè)計了由人機界面、PLC、現(xiàn)場總線儀表、現(xiàn)場總線控制設(shè)備和驅(qū)動設(shè)備等組成的控制系統(tǒng)。建立了工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus-DP、Profi-bus-PA完整的通訊網(wǎng)絡(luò),集成了符合Profibus標準的不同公司的產(chǎn)品,實現(xiàn)互聯(lián)互操作。經(jīng)工業(yè)以太網(wǎng)交換機接口接入水網(wǎng)控制系統(tǒng)后,再接入全廠輔助車間控制網(wǎng),zui終可以實現(xiàn)在中央控制室進行控制。該系統(tǒng)配置見圖1。
  
  2.2設(shè)計中應(yīng)考慮的問題
  
  通過廣東河源電廠水網(wǎng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的設(shè)計和實施,有以下問題需要考慮。
  
 ?。?)就地設(shè)備的選型選用何種形式的總線應(yīng)充分考慮支持現(xiàn)場總線協(xié)議的設(shè)備種類。上一直沒有將總線的標準統(tǒng)一,造成了儀表行業(yè)的開發(fā)成本高,種類少,可選擇面比較狹窄。進口品牌設(shè)備也只有一部分具有現(xiàn)場總線接口,國產(chǎn)設(shè)備則很少預(yù)留現(xiàn)場總線接口。由于缺少相應(yīng)的實踐經(jīng)驗,理論上可以接入現(xiàn)場總線系統(tǒng)的就地設(shè)備在實際接入過程中存在諸多問題。對此,廣東河源電廠現(xiàn)場總線實施中對所有就地設(shè)備選項均預(yù)先經(jīng)過了試驗室檢驗,在設(shè)備安裝之前就解決了所有通訊匹配問題,保證了設(shè)備安裝就位后的順利調(diào)試。
  
 ?。?)網(wǎng)絡(luò)電纜的走向及橋架的設(shè)計采用現(xiàn)場總線后,電氣和熱工的控制電纜將大幅減少。由于現(xiàn)場總線的技術(shù)特點,必須根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的類型、安裝位置、支持何種總線接口、工藝系統(tǒng)的歸屬等,對通訊鏈路及通訊電纜的走向進行細致規(guī)劃,如測點位置的設(shè)計、通訊電纜的三維走向、通訊鏈路的長度、每鏈路掛接設(shè)備數(shù)量和種類。通訊速率是總線方式能否滿足工藝要求的重要指標。ProfibuS-PA總線的傳輸距離zui大為19OOm,傳輸介質(zhì)為雙絞線。以冗余DP光環(huán)連接主站(即PLC)與各DP支路鏈路器從站作為系統(tǒng)主控通信網(wǎng),速率可達12Mbit/s;DP支路鏈路器分布在現(xiàn)場,其連接DP咬路,DP支路的速率可達187.2kbit/s~1.5MbMs,用于連接DP現(xiàn)場儀表、設(shè)備和PA儀表,構(gòu)成設(shè)備級通訊網(wǎng)??偩€通訊速率和通訊電纜長度成反比(同一頻率),為了提高通訊速率,必須盡可能將通訊電纜長度縮短。通訊電纜長度又取決于每條總線掛接設(shè)備的數(shù)量和位序,掛接設(shè)備的位序和數(shù)量要滿足整個工藝流程的要求,并使通訊中斷后的工藝風(fēng)險降到zui低。
  
 ?。?)龐大的現(xiàn)場設(shè)備信息的管理現(xiàn)場總線的顯著優(yōu)勢是信息量巨大,可將單純輸入/輸出概念淡化,如每一只變送器都可以給出很多個傳統(tǒng)意義上的I/O信息:差壓變送器中傳送的信息既有介質(zhì)差壓和流量,也有介質(zhì)溫度以及變送器自身故障信息;SIMOCODE的信息更加豐富,其包括起動次數(shù)、電阻值、運行小時數(shù)及zui后一次過載值等。龐大的現(xiàn)場設(shè)備信息對運行狀態(tài)分析和設(shè)備壽命管理提供了很大幫助,在設(shè)計階段,應(yīng)該確定設(shè)備信息的分級,如運行監(jiān)控級、設(shè)備維護級等。
  
 ?。?)過程設(shè)備管理軟件的國產(chǎn)化利用過程設(shè)備管理軟件(PDM)可實現(xiàn)現(xiàn)場總線儀表和設(shè)備的實時信息管理和診斷。廣東河源電廠水網(wǎng)控制系統(tǒng)由國內(nèi)系統(tǒng)成套單位自主開發(fā)的中文界面信息管理和診斷軟件,實現(xiàn)了自動周期采集、分析和歸納儀表、設(shè)備的診斷及狀態(tài)信息,并與上位機雙向通訊。開發(fā)了遠程參數(shù)設(shè)定和調(diào)整功能,以適應(yīng)國內(nèi)發(fā)電廠生產(chǎn)運行的需要。
  
  三、結(jié)語
  
  應(yīng)用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)提高了現(xiàn)場設(shè)備級信息化水平,尤其在設(shè)備診斷和運行維護方面具有明顯優(yōu)勢。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比,縮短了工期,節(jié)省了建設(shè)費用。廣東河源電廠水網(wǎng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用,在國內(nèi)處于水平,具有在發(fā)電廠輔助車間控制系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的廣闊前景,并為單元機組控制系統(tǒng)中應(yīng)用現(xiàn)場總線控制技術(shù)積累了寶貴經(jīng)驗。

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