現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在火電機(jī)組上的規(guī)模性應(yīng)用201401----華電天仁

1、 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在火電機(jī)組上的 規(guī)模性應(yīng)用 北京華電天仁電力控制技術(shù)有限公司 2014年2月概述 現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備和高級(jí)控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。 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)的控制系統(tǒng)信息只限于單一過程測(cè)點(diǎn)，造成了大量設(shè)備管理信息和有效維修信息的缺失，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。概述概述 基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的儀控系統(tǒng)，憑借其強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)總線

2、支持功能和日益豐富的智能現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備，將傳統(tǒng)控制系統(tǒng)信息采集、診斷監(jiān)控范圍大大擴(kuò)展，從而可以有效地獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的管理和維修信息。通過高速通信網(wǎng)絡(luò)，可以將這些信息送到SIS 等上層信息系統(tǒng)，通過分析診斷幫助機(jī)組優(yōu)化控制，為機(jī)組狀態(tài)檢修奠定基礎(chǔ)，從而解決電廠的“信息盲區(qū)”。現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)1999年，國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）決定，將以下八種現(xiàn)場(chǎng)總線作為IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)：FF H1、ControlNet、Profibus、Interbus、P-Net、WorldFIP、SwiftNet、FF HSE，從而形

3、成了多種現(xiàn)場(chǎng)總線共存的局面。 八種現(xiàn)場(chǎng)總線類型中適合過程自動(dòng)化的有三種即Profibus、FF(基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線)和WorldFIP。除WorldFIP外，前兩者均在大型電廠過程控制中有了廣泛應(yīng)用。國電肇慶項(xiàng)目采用Profibus總線標(biāo)準(zhǔn)。 技術(shù)發(fā)展 4-20mA HART Fieldbus4.20 mAProfibus 在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中的應(yīng)用光纜光纜DCS就地就地Profibus PA (1900 m, 31.25 kbps)Profibus DP (400 m, 500 kbps)現(xiàn)場(chǎng)通訊柜現(xiàn)場(chǎng)通訊柜現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)ADADCPUCPUCPUCPU0-6553510-38-10+38DAAD1

4、、數(shù)值傳輸精確、控制穩(wěn)定開關(guān)狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)設(shè)備的資源信息與維護(hù)信息、零點(diǎn)量程調(diào)校信息系統(tǒng)組態(tài)、參數(shù)修改信息等2、數(shù)據(jù)信息豐富現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì) 現(xiàn)場(chǎng)總線僅依靠?jī)尚倦娎|以數(shù)字信號(hào)方式與鏈路上所有的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,替代傳統(tǒng)硬接線點(diǎn)到點(diǎn)以模擬信號(hào)方式(4-20 mA / 0-10V / DC24V) 監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備3、電纜減少、接線簡(jiǎn)化、施工方便Profibus DCSDP傳統(tǒng)傳統(tǒng) DCS傳統(tǒng)傳統(tǒng)IO模件模件 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)接線盒現(xiàn)場(chǎng)接線盒傳統(tǒng)接線端子塊傳統(tǒng)接線端子塊端子柜端子柜/繼電器柜繼電器柜區(qū)別區(qū)別?現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì) 現(xiàn)場(chǎng)線技術(shù)的一個(gè)重要的特點(diǎn)是不僅能夠傳送過程I/O信號(hào)，也能

5、夠?qū)⒎沁^程數(shù)據(jù)通過總線進(jìn)行傳送。通過設(shè)備管理軟件可以直接與遍及全廠的設(shè)備進(jìn)行對(duì)話。 現(xiàn)場(chǎng)總線可從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和儀表取得更多的維護(hù)診斷數(shù)據(jù)。自診斷例行程序?qū)υO(shè)備的健康狀況進(jìn)行檢查。通過先進(jìn)的自診斷功能找出設(shè)備的故障，可以方便工作人員對(duì)設(shè)備的故障分析及維修管理，并制定科學(xué)詳細(xì)的作業(yè)計(jì)劃，縮短維修時(shí)間，降低維修成本等。它將為整個(gè)工廠在生命周期內(nèi)節(jié)約設(shè)備運(yùn)行及維護(hù)成本。4、網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)備管理與診斷現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用現(xiàn)狀 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)自上世紀(jì)80年代年被提出以來，已經(jīng)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)已經(jīng)在全世界包括石油、化工、冶金、制造、醫(yī)藥、樓宇、物流等多種行業(yè)內(nèi)取得了廣泛應(yīng)用。國外電廠現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展情況

6、德國尼德豪森電廠（2900MW級(jí)），被控對(duì)象采用了Profibus-DP協(xié)議，儀表也全部采用了Profibus-PA協(xié)議，每臺(tái)單元機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)總線儀表與控制設(shè)備數(shù)量約有6700個(gè)，兩臺(tái)機(jī)組已經(jīng)在2011年6月和12月分別投產(chǎn)。國內(nèi)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展情況 近幾年，國內(nèi)已有相當(dāng)一部分燃煤電廠在輔助車間和主控系統(tǒng)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，目前均已投產(chǎn)，運(yùn)行良好。 華能玉環(huán)電廠（21000MW）化學(xué)水處理、工業(yè)廢水系統(tǒng)；廣東河源電廠（2 600MW）凈廢水處理系統(tǒng)；華能巢湖電廠（2 600MW）化學(xué)水處理系統(tǒng)；華能九臺(tái)電廠（2 600MW）水、煤、灰、全廠輔助車間系統(tǒng)；國華寧海電廠（21000MW）的脫硫系統(tǒng)；

7、河北三河電廠（2 350MW）的熱網(wǎng)系統(tǒng)；天津北疆電廠（21000MW）的熱網(wǎng)系統(tǒng)等；國內(nèi)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展情況目前全廠范圍運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線的有：華能九臺(tái)電廠（2600MW超臨界機(jī)組）；華能金陵電廠（21000MW超超臨界機(jī)組）；國電肇慶熱電有限公司（ 2350MW超臨界機(jī)組）。國電肇慶現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用情況 國電肇慶熱電有限公司（2*350MW超臨界火電機(jī)組）是國電集團(tuán)公司在國內(nèi)建設(shè)的第一個(gè)綠色示范性電站，也是國電科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司多種科技創(chuàng)新技術(shù)運(yùn)用到該電站的項(xiàng)目。該項(xiàng)目是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)規(guī)模性國產(chǎn)化解決方案在國內(nèi)電廠的首次應(yīng)用。北京華電天仁電力控制技術(shù)公司是此次現(xiàn)場(chǎng)總線項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)單位 。 國電

8、肇慶熱電有限公司#1、#2機(jī)組分別于2013年9月3日和2013年10月 1日順利通過了168小時(shí)滿負(fù)荷試運(yùn)行。國電肇慶現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用情況 國電肇慶熱電有限公司是國電集團(tuán)第一個(gè)全廠采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分層分級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的數(shù)字化電站。全廠網(wǎng)絡(luò)由廠級(jí)管理信息系統(tǒng)（MIS）、廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）、分散控制系統(tǒng)（DCS）、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電廠管理，機(jī)組主控的機(jī)、爐、電以及其輔助系統(tǒng)均采用現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)方案。國電肇慶數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)配置圖國電肇慶現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用情況 DCS系統(tǒng)采用國電智深基于PR0FIBUS總線技術(shù)的EDPF-NT+控制系統(tǒng)，兩臺(tái)機(jī)組共使用了59對(duì)冗余控制器(不包含D

9、EH控制器)，連接了81對(duì)PB卡，用作現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的PROFIBUS主站。 單元機(jī)組鍋爐側(cè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜24面，汽機(jī)側(cè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜19面，電氣側(cè)現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜3面。公用系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜6面（包括循環(huán)水泵房、供熱系統(tǒng)、空壓機(jī)房、氨區(qū)等系統(tǒng)），水島現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜18面。兩臺(tái)機(jī)組共116面總線控制柜。 全廠的總線對(duì)象共計(jì)2412個(gè)Profibus-DP和Profibus-PA設(shè)備，其中DP設(shè)備包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)控制器、分析儀表、變頻器、電磁流量計(jì)等。PA設(shè)備包括壓力、差壓變送器、溫度變送器、流量計(jì)、定位器及液位計(jì)等。為了提高總線控制的可靠性，我們采取了DP冗余總線配置方案，現(xiàn)場(chǎng)DP設(shè)備選用D

10、P雙冗余接口。冗余PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)單元機(jī)組的鍋爐房、汽機(jī)房及電氣MMC間。國電肇慶總線設(shè)備占系統(tǒng)設(shè)備的比例現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)組成配置 全廠范圍采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。DCS要求實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)總線Profibus DP的無縫結(jié)合?，F(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備與智能儀表采用支持Profibus DP/PA協(xié)議的設(shè)備。PB卡端子接口作為FCS與DCS分界現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜及系統(tǒng)回路 現(xiàn)場(chǎng)總線通信箱分布在就地設(shè)備附近，電子間控制柜引出的光纖在通信箱中經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為DP電纜去就地連接DP從站設(shè)備或在通信箱中經(jīng)耦合器轉(zhuǎn)為PA電纜去就地連接PA設(shè)備。每個(gè)網(wǎng)段在連接完就地總線設(shè)備后都要回到通信柜中連接有源終端電阻，

11、確保網(wǎng)段的通信質(zhì)量。國電肇慶現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用情況現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)構(gòu)成：上位機(jī)、控制器及系統(tǒng)軟件（包括設(shè)備管理和故障診斷軟件） 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備日常操作，在線狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備故障報(bào)警及維護(hù)等?？偩€控制站（包括光電轉(zhuǎn)換器、終端電阻及耦合器等） 控制站以光纖和總線電纜傳輸數(shù)據(jù)，主站與從站的通訊冗余，系統(tǒng)能安全可靠的運(yùn)行?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（總線型執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變送器等） 智能型數(shù)字設(shè)備，高可靠性、高穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)原則 全廠范圍各子系統(tǒng)均采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，以下除外： FSSS；DEH； ETS；MEH、METS等。 總線網(wǎng)段上可掛載的的設(shè)備最大數(shù)量受到設(shè)備通訊量、設(shè)備之間的距離、總線可分配的地址以及環(huán)境因素等影響。具體的網(wǎng)段設(shè)計(jì)原則如

12、下：（1）每個(gè)雙Porfibus-DP總線網(wǎng)段，所有數(shù)量不超過12個(gè)。（2） 每個(gè)單Porfibus-DP總線網(wǎng)段，所有設(shè)備數(shù)量不超過12個(gè)。（3）每個(gè)Porfibus-PA總線網(wǎng)段，可接入的總線分支數(shù)為兩個(gè)，每個(gè)PA分支的設(shè)備 數(shù)量不超過6個(gè)，總數(shù)量不超過12個(gè)。PROFIBUS-DP傳輸速率與電纜長度波特率(kb/s)9.6 19.245.4593.75187.550015003000600012000距離/段(m)12001000400200100肇慶現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DProfibus-DP協(xié)議，周期的和非周期的Profibus-DP協(xié)議，周期的和非周期的1、DP-V0 提供DP基本功能

13、，包括循環(huán)的數(shù)據(jù)交換，以及站診斷、模塊診斷和特定通道的診斷。2、DP-V1 包含依據(jù)過程自動(dòng)化的需求而增加的功能，特別是用于參數(shù)賦值、操作、智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的可視化和報(bào)警處理等（類似于循環(huán)的用戶數(shù)據(jù)通信）的非循環(huán)的數(shù)據(jù)通信。這樣就允許用工程工具在線訪問站。此外，DP-V1有三種附加的報(bào)警類型：狀態(tài)報(bào)警，刷新報(bào)警和制造商專用的報(bào)警。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹PB卡 本項(xiàng)目使用的PB卡是國電智深公司研發(fā)的Profibus主站卡，PB卡作為現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的主站，完成和總線網(wǎng)絡(luò)從站的數(shù)據(jù)交換，并將采集的數(shù)據(jù)映射到DCS系統(tǒng)的以太網(wǎng)絡(luò)中，起到協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。且PB卡集成了一類主站和二類主站的功能，使得從站設(shè)備的控制和管

14、理功能都能通過PB卡得以實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹現(xiàn)場(chǎng)總線控制柜DP/PA耦合器終端電阻光端盒光電轉(zhuǎn)換器電源模塊光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹光電轉(zhuǎn)換器 由于電子間到就地通訊箱的距離比較遠(yuǎn)，Profibus-DP電纜在500Kbit/s的通訊速率下的最大傳輸距離只有400m（在沒有使用中繼器的情況下），因此需要使用光電轉(zhuǎn)換器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，延長傳輸距離，使用多模光纖，有效通信距離長達(dá)2km?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹DP/PA耦合器 DP/PA耦合器是Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中Profibus-DP和 Profibus-PA 之間的物理連接器，可以將Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為Profi

15、bus-PA網(wǎng)絡(luò)。該耦合器為一分二模式，可以將單路DP網(wǎng)轉(zhuǎn)為雙路PA網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要使用PA網(wǎng)段的數(shù)量?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹VeScon-YLink VeScon-Ylink是Profibus現(xiàn)場(chǎng)總線的專用設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)冗余Profibus- DP網(wǎng)段轉(zhuǎn)單 DP（二合一）“Y-LINK”功能。非冗余Profibus-DP 從站可以通過YLink 模塊轉(zhuǎn)化為冗余接口的Profibus-DP 從站接入Profibus 冗余網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹終端電阻 為了減少信號(hào)反射，保障通訊質(zhì)量，一般在網(wǎng)段的末端位置需要加設(shè)終端電阻。信號(hào)傳輸電路由于各種傳輸線都有其特性阻抗約220。當(dāng)信號(hào)在傳輸線中傳輸至終端時(shí)，

16、如果它的終端阻抗和特性阻抗不同時(shí)，將會(huì)造成反射，而使信號(hào)波形失真（凹陷或凸出）。該失真的現(xiàn)象在傳輸線短時(shí)并不明顯，但隨著傳輸線的加長會(huì)更加嚴(yán)重，致使無法正確傳輸， 這時(shí)就必須加裝終端電（Terminator），同時(shí)終端電阻還可以確保在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)總線上的電壓是收發(fā)器認(rèn)可的零信號(hào)電壓。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹PA分配盒 將單根PA信號(hào)拆分為多根PA信號(hào)，用于從主干線上連接現(xiàn)場(chǎng)儀表，有1個(gè)到8個(gè)分支可選。多數(shù)接線箱帶短路保護(hù)和過載保護(hù)，可提高通訊可靠性。為了最大限度的降低成本，選擇現(xiàn)場(chǎng)接線箱并將其靠近現(xiàn)場(chǎng)儀表安裝，以減少分支電纜長度。現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)：ROTORK 、EMG

17、、SIPOS FLash5、AUMA、上儀閥門定位器：西門子壓力、差壓變送器：Rosemount、 ABB、橫河EJA溫度變送器和磁翻板液位計(jì)：西門子現(xiàn)場(chǎng)總線變送器。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)：E+H 分析儀表：哈希儀表馬達(dá)控制器：四方、 西門子變頻器：施耐德超聲波液位計(jì)：西門子電磁流量計(jì)：E+H 閥島：Numatics現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備介紹PA設(shè)備類型為:1）變送器（壓力和差壓） 2）溫度變送器 3）閥門定器4）電磁流量計(jì) 5）質(zhì)量流量計(jì) 6）導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì) 7）超聲波液位計(jì) 8）磁翻板液位計(jì)DP設(shè)備類型為： 1）電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 2）馬達(dá)控制器 3）化學(xué)分析儀表（硅表，鈉表，濁度計(jì)，PH計(jì)，電導(dǎo)計(jì)等） 4）閥島

18、 5）變頻器現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理VeScon-AMS VeScon-AMS現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理系統(tǒng)（Asset Management System）是一個(gè)成熟穩(wěn)定、功能齊全的FDT容器應(yīng)用程序，支持FDT V1.2和FDT V1.2.1，標(biāo)準(zhǔn)化了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備同主機(jī)系統(tǒng)之間的軟件接口，提供從工程，配置到維護(hù)等任務(wù)的獨(dú)立于系統(tǒng)的統(tǒng)一的解決方案，簡(jiǎn)單實(shí)用、統(tǒng)一的用戶操作、易學(xué)易用，不依賴于通信協(xié)議和通信硬件，可以訪問所有設(shè)備和過程參數(shù)，從而使得產(chǎn)品的維護(hù)成本更低，設(shè)備集成問題大量減少?，F(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理VeScon-AMS 在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中，二類主站可以作為設(shè)備管理站來對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的智能控制儀表進(jìn)行管理，本項(xiàng)目采用支持

19、FDT/DTM技術(shù)的fdtCONTAINER軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)視、修改、標(biāo)定、診斷等?，F(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)視診斷系統(tǒng)VeScon-SDS 通過現(xiàn)場(chǎng)總線監(jiān)視診斷系統(tǒng)（VeScon-SDS），來獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的健康狀況信息，直觀反映不同現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備的故障原因。 國電肇慶現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施與運(yùn)行效果（1）縮短了安裝及調(diào)試時(shí)間：大大縮短了接線的時(shí)間及設(shè)備單體調(diào)試的時(shí) 間，也節(jié)省了人力資源。常規(guī)DCS控制調(diào)試時(shí)間總線控制調(diào)試時(shí)間縮短時(shí)間4個(gè)月2個(gè)月2個(gè)月國電肇慶現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)施與運(yùn)行效果常規(guī)DCS控制電纜總線及控制電纜造價(jià)節(jié)省650萬控制電纜300萬122.2萬總線通訊電纜227.8萬常規(guī)用工總線用工人力節(jié)省300萬225萬75萬（2）節(jié)省了大量的電纜與安裝費(fèi)用及今后的維護(hù)開銷，共節(jié)?。?69.2萬。常規(guī)DCS控制電纜總線控制電纜造價(jià)節(jié)省350萬控制電纜220萬30萬總線通訊電纜100萬常規(guī)用工總線用工人力節(jié)省170萬128萬42萬#1機(jī)