全球第一個(gè)大型數(shù)字化電廠技術(shù)簡介

1、全球第一個(gè)大型數(shù)字化電廠技術(shù)簡介發(fā)表時(shí)間:2006-4-13作者：張志峰，李利摘要：本文介紹了全球第一個(gè)真正意義上的大型數(shù)字化電廠-德國尼德蒙受森電廠的控制系統(tǒng)配置及其應(yīng)用情況,并對(duì)建設(shè)數(shù)字化電廠進(jìn)行了初步探討。引言    現(xiàn)代火力發(fā)電機(jī)組，特別是大容量、高參數(shù)機(jī)組，其復(fù)雜程度越來越高，對(duì)這樣的機(jī)組的操作、控制和檢修的要求也越來越高。傳統(tǒng)的DCS 由于其信息只限于過程測點(diǎn)，造成大量設(shè)備管理信息和維修信息的缺失，因此很難對(duì)機(jī)組的優(yōu)化操作、優(yōu)化檢修起到有效的指導(dǎo)作用。    基于數(shù)字化電廠技術(shù)的儀控系統(tǒng)，憑借其強(qiáng)大的現(xiàn)場總線支持功能和日益

2、豐富的智能現(xiàn)場儀表和設(shè)備，將傳統(tǒng)DCS 信息采集、診斷監(jiān)控范圍大大擴(kuò)展，從而可以有效的獲取現(xiàn)場設(shè)備的設(shè)備管理和設(shè)備維修信息，通過高速通信網(wǎng)絡(luò)，這些信息可以送到SIS 等上層軟件，對(duì)機(jī)組的優(yōu)化操作和優(yōu)化維修進(jìn)行進(jìn)一步的指導(dǎo)。    本文將重點(diǎn)介紹全球第一個(gè)真正意義上的大型數(shù)字化電廠- 德國尼德豪森電廠，并結(jié)合尼德豪森電廠的應(yīng)用，對(duì)數(shù)字化電廠技術(shù)做初步探討。一、尼德豪森電廠簡介    位于德國西部的尼德豪森電廠隸屬于德國RWE電力公司，該電廠K號(hào)機(jī)組采用了熱電聯(lián)產(chǎn)方式，總出力達(dá)到1012MW，該機(jī)組為超超臨界機(jī)組，主汽溫度為580，主汽壓

3、力27 MPa。由于采用了過程優(yōu)化技術(shù)，整個(gè)機(jī)組的效率達(dá)到了45%。    西門子公司為該機(jī)組提供了基于數(shù)字化電廠技術(shù)的儀控系統(tǒng)，系統(tǒng)供貨范圍涵蓋傳統(tǒng)意義上的 DCS、DEH、變送器、智能高中壓配電系統(tǒng)、智能低壓配電系統(tǒng)、電磁閥、閥門定位器、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、MIS、SIS及主控室設(shè)計(jì)。    儀控系統(tǒng)中DCS系統(tǒng)大量采用了 PROFIBUS 現(xiàn)場總線技術(shù)，通過現(xiàn)場總線，將智能儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、高低壓智能保護(hù)裝置及電磁閥等接入主 DCS，同時(shí)現(xiàn)場設(shè)備的管理信息、設(shè)備維修信息等通過現(xiàn)場總線進(jìn)入DCS和上層SIS/MIS軟件，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的優(yōu)

4、化操作及優(yōu)化維修管理，使整臺(tái)機(jī)組僅配備一名操作員。尼德豪森電 K號(hào)機(jī)組于2002年12月投入商業(yè)運(yùn)行，是目前全球范圍全面采用數(shù)字化電廠技術(shù)的單機(jī)容量最大的機(jī)組。二、系統(tǒng)配置    K號(hào)機(jī)組DCS配置系統(tǒng)配置如圖1所示。系統(tǒng)共分三個(gè)層次，即：操作管理層、過程控制層和現(xiàn)場設(shè)備層。操作管理層集成了SIS、MIS和ERP功能，能實(shí)時(shí)監(jiān)控整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行狀況和設(shè)備的狀態(tài)，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔管理、設(shè)備狀態(tài)檢修管理、報(bào)表管理等。過程控制層包括多對(duì)冗余的控制單元DPU、工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)等，DPU實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的控制和協(xié)調(diào)，并提供與管理層和現(xiàn)場智能設(shè)備層的接口。現(xiàn)場設(shè)備層包括遠(yuǎn)程智能I/O、帶P

5、ROFIBUS總線接口的智能設(shè)備，如：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變送器、智能馬達(dá)控制器等。操作管理層與過程控制層通過高速工業(yè)以太網(wǎng)相連，過程控制層與現(xiàn)場設(shè)備層通過PROFIBUS現(xiàn)場總線相連，通訊速率可達(dá)12M（見圖2）。                                  

6、60;                                         圖1系統(tǒng)配置圖        &

7、#160;                                 圖2 過程控制層與現(xiàn)場設(shè)備層連接圖2.1系統(tǒng)配置特點(diǎn)    DCS系統(tǒng)包括2700個(gè)模擬量輸入、模擬量輸出點(diǎn)3個(gè)、流量計(jì)輸入點(diǎn)63個(gè)、開關(guān)量輸入3798個(gè)、開關(guān)量輸出67個(gè)，這些信號(hào)中

8、采用常規(guī)信號(hào)的，通過ET200遠(yuǎn)程I/O進(jìn)行采集并通過PROFIBUS-DP與DPU相連；采用HART協(xié)議的儀表通過HART協(xié)議與遠(yuǎn)程I/O ET200通訊。除此而外，整個(gè)系統(tǒng)包括721臺(tái)智能馬達(dá)保護(hù)裝置(SIMOCODE)、670個(gè)電磁閥、957個(gè)閥門定位器、698臺(tái)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，這些智能設(shè)備均通過PROFIBUS-DP與DPU相連。                      

9、;                           圖3 現(xiàn)場智能設(shè)備和儀表與DPU相連     DCS與現(xiàn)場設(shè)備的連接方式根據(jù)距離和環(huán)境有兩種，即光纖電纜連接和屏蔽雙絞線連接。對(duì)本身具有兩個(gè) PROFIBUS 端口的智能設(shè)備（如SIPOS 電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)），DCS可直接通過冗余PROFIBUS

10、與智能設(shè)備相連；對(duì)于本身只有一個(gè)PROFIBUS端口的智能設(shè)備，DCS冗余PROFIBUS現(xiàn)場總線先連接到該智能設(shè)備就地安裝機(jī)柜內(nèi)（如開關(guān)柜）的Y 型轉(zhuǎn)換器，再由Y型轉(zhuǎn)換器（已轉(zhuǎn)換成一條PROFIBUS現(xiàn)場總線）在就地柜內(nèi)與智能設(shè)備相連。這樣就能保證從DCS電子間到就地智能設(shè)備安裝柜為雙重化冗余PROFIBUS現(xiàn)場總線連接。2.2 使用數(shù)字化電廠技術(shù)帶來的好處    尼德豪森電K號(hào)機(jī)組使用數(shù)字化電廠技術(shù)帶來的好處可以歸納如下：    在技術(shù)層面上，由于在DCS系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線PROFIBUS，PROFIBUS的屏蔽雙絞線和光纖大大提

11、高了系統(tǒng)信號(hào)的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)整體可靠性；同時(shí)現(xiàn)場總線的使用，也使得從熱工過程到系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)減少，系統(tǒng)整體精度提高；另外現(xiàn)場總線預(yù)制電纜的使用，大大減少了傳統(tǒng)手工作業(yè)的鏍釘端子數(shù)量，從而提高了系統(tǒng)的整體安全性。    在運(yùn)行層面上，由于采用PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)，系統(tǒng)的監(jiān)控范圍從傳統(tǒng)的系統(tǒng)端子排擴(kuò)展到全廠，真正實(shí)現(xiàn)了全廠監(jiān)控；同時(shí)由于可方便采集設(shè)備的管理、診斷及維修信息，使系統(tǒng)具有完善有效的設(shè)備診斷功能，真正實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程編程和維護(hù)，真正實(shí)現(xiàn)了全廠數(shù)據(jù)的集中管理，使設(shè)備的狀態(tài)檢修成為可能，提供更多的設(shè)備信息使操作和維護(hù)得到優(yōu)化。在投資層面上，

12、由于采用PROFIBUS現(xiàn)場總線，大幅減少了控制柜的數(shù)量，大幅減少了電纜數(shù)量和電纜橋架的數(shù)量，從而大幅減少了施工和工程的費(fèi)用。同時(shí)縮短了工程調(diào)試周期并減少了維護(hù)量，因此減少了項(xiàng)目的綜合投資。三、小結(jié)    使用數(shù)字化電廠技術(shù)后，由于大量設(shè)備管理信息（如設(shè)備KKS編號(hào)、設(shè)備版本號(hào)等）及設(shè)備診斷維修信息（如設(shè)備故障狀態(tài)、設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、設(shè)備累計(jì)啟停次數(shù)等）通過現(xiàn)場總線進(jìn)入DCS并進(jìn)一步到上層SIS等軟件，因此DCS處理信息量將比傳統(tǒng)過程測點(diǎn)大大增加（10倍以上），因此對(duì)DCS提出了新的要求?；诂F(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)，因其在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面重點(diǎn)考慮了對(duì)現(xiàn)場總線的支持（如集成接口等）和更多信息的處理（如1000M網(wǎng)絡(luò)、大容量冗余服務(wù)器技術(shù)等），能夠滿足數(shù)字化電廠技術(shù)上的要求。    數(shù)字化電廠，其核心是現(xiàn)場總線技術(shù)。PROFIBUS以其開放性、寬廣的應(yīng)用適應(yīng)性（適合智能儀表