毕业论文（设计）现场总线的发电厂机组控制应用研究.doc

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1、现场总线的发电厂机组控制应用研究作者：张翼1, 2韩兵1摘要：论述了国内外火电厂目前现场总线的应用状况，并针对机组控制特点，对火电厂在现场设备层采用现场总线系统的配置、设计原则、注意事项进行了分析。通过技术及经济上的比较得出，应用现场总线技术将带来全厂管控数字化和全生命周期的设计、安装、调试、运行维护成本节省等有利因素，可在机组现场设备层面逐步推广采用现场总线技术。0 引言 现场总线控制技术作为一门新兴技术，已广泛、成功地应用在石化、化工、冶金、医药、市政工程、楼宇、建材等多个行业。与其形成鲜明对照的是现场总线技术在电厂过程控制中的实质性实施却始终不多，究其原因主要有以下几点： 从2002年下

2、半年开始，电力供应缺口导致大量电厂项目工程建设的主要精力放在如何在最短时间内完成项目设计任务，常规技术方案自然成为首选； 工程技术人员对现场总线技术优势的理解仅局限于节省电缆、功能分散、设备信息数字化，缺乏应用的积极性； 电厂过程控制回路具有相关度高、控制功能复杂、安全性和稳定性要求高等特点，要求对现场总线技术的切实掌握和实践验证； 现场总线仪控设备比常规仪控设备价格高，总线型设备的选择范围还相对较小，也在一定程度上阻碍了现场总线技术在电厂过程控制中的大量应用。随着认识的提高和技术的发展，这样的局面近期已有所改变。如在华能玉环电厂补给水、废水系统中成功实现了现场总线技术的全面应用，化水控制系统

3、在较短时间内完成了安装、调试，并很快投入运行，由此说明了现场总线在电厂辅助生产控制系统中应用是完全可行的。1 国内外现场总线火电厂应用现状 山东莱城电厂扩建工程3、4机组采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统，400V及以下的电动机在开关柜中配套西门子公司的SIMOCODE电动机控制保护设备，通过ProfibuS现场总线与TELEPERM-XP相连接。目前电厂已投入运行，现场总线系统运行基本稳定。江阴夏港电厂5、6机组(2330MW)采用Fox-BORO公司的FA分散控制系统，380V开关柜采用西门子公司的SIMOCODE电动机保护控制设备，通过Profibus-DP与FA分散控制系统相

4、连接。6kV马达采用WDZ400系列国产智能装置，重要信号通过硬接线与分散控制系统相连，其它信号通过Modbus总线与FA分散控制系统连接。浙江国华宁海发电厂(4600MW )控制系统采用西门子TELEPERM-XP分散控制系统。现场总线控制系统的控制范围为闭式水系统34个现场总线电动门(现场总线电动门配AUMA公司的AUMATIC电动执行器)，现场总线标准为Profibus-DP，采用冗余总线接口与TELEPEM-XP连接。 华能玉环电厂(41000MW)在锅炉补给水系统、废水系统中完全采用Profibus现场总线技术通信的方式，将气动门电磁阀、气动调节阀、流量变送器、压力变送器、化学分析仪

5、表、水泵电动机、风机电动机、加药变频器等控制设备连在一起。所有的底层设备都具有数字通信接口，从控制室到现场之间除了工作电源外，没有任何直接的控制硬接线，所有的控制室的指令和现场设备的状态信息都通过现场总线进行传输。目前已成功投入运行3。 上世纪90年代末，现场总线控制系统就已经在国外的电厂中得到应用，如SMAR公司的systern302就曾先后在美国的 Seattle Steam、Mohave Generation Plant、Duke power Oconee Nuclear Power Plant、墨西哥的Mazatlan、Guaymas、巴西的CESE等6个电厂中的15台锅炉上得到的应用

6、。其中最大的锅炉容量为600t/h, 最大的单元机组容量为158MW，这些现场总线控制系统除了完成一般的数据采集功能之外，还实现了燃烧控制、给水控制、过热汽温控制、再热汽温控制、除氧器控制以及电机的启停控制、联锁保护和报警等功能。 德国Niederaussem电厂较全面地使用了现场总线。该厂采用了Profibus-DP和HART两种现场总线。整个系统包括900台马达、400个电磁阀、1000个阀门定位器和电动执行机构。这些智能设备均通过Profibus-DP与DPU相连。通过采用Profibus 现场总线系统，真正实现了全厂监控，提供更加完善有效的设备诊断功能，实现现场设备的远程编程和维护，实

7、现了全厂数据的集中箕理，使设备的状态检修成为可能，提供更多的设备信息使操作和维护得到优化。2 现场总线火电厂控制关键问题技术分析 通过多年来现场总线在多个行业的成功应用以及在电厂辅助生产系统的实施经验积累，特别是 Nieder - aussemK 机组及上海赛科项目中现场总线技术的全面成功运用4，为我们在国内火电机组控制上推广现场总线技术应用提供了有力的支持。推行现场总线在机组控制中的应用，应重点考虑以下几个方面的问题。 2.1 可靠性和可用性 电厂发电机组连续安全稳定运行是至关重要的。控制系统的可靠性是保证机组可用率的重要因素。为了提高系统的可靠性，现场总线技术(FF和Profibus)已经

8、采用了多项措施，常用的有分散和冗余二项。 分散方面。对FCS系统而言，主要通过网络分散和控制分散来提高可用性。除去将一般控制功能下放到现场，设计中通过上层网络的区域划分和下层网络的风险管理等，做到一个回路的故障不影响到另一个回路。在工程设计中，建议主要控制策略还是采用常规DCS应用方式，按工艺系统分散在不同的控制器内实现，功能分散能够满足要求。火电厂机组控制中存在大量控制回路之间的相互联锁、信号交换，当不同检测控制设备处在不同网络分段时，如何确保它们之间联锁、交换信号的实时可靠性将是一个需要关注的问题。 冗余方面。现场总线系统通过主站网络冗余、变送器冗余、总线电源冗余、链路设备冗余、控制器冗余

9、、冗余分离等实现。其中链路设备、电源、主站网络和操作员站冗余是现场总线系统常用的冗余措施。在工程设计中可以对所有具有冗余总线接口的电动执行机构、马达驱动控制装置等设备考虑采用冗余总线连接；控制系统中所有总线电源也应该冗余配置。目前FF的Hl和Profibus-DP已实现了网段介质冗余，但由于Prfibus-PA设备通常没有冗余接口，PA网段还没有实现冗余。对此，在工程设计中可通过将冗余配置的变送器等总线设备分散在不同网络分段中来提高系统的可靠5-6。 通过诊断可以提高系统的可用性。如冗余的备用设备状况和切换状况，通过诊断，证明冗余的备用状况和切换情况，从而警示操作员更换冗余设备组中故障部分，使

10、其准备好在下次故障发生时能正常投入。 另外，为提高系统的可靠性，整个现场范围内的通信光缆应至少有50的冗余量。同时为了在一路通信光缆发生损坏情况下不影响通信的正常进行，应使用两种光缆路径敷设。因为互联到现场总线的计算机或控制器可以方便地被其它计算机监控，因此，现场总线技术的电厂应用是可靠的。 2.2 实时性 在火电厂机组控制运用现场总线控制技术，现场总线的实时性是一个需要关注的内容。我们对一些潜在供货商的控制系统进行了了解。其中，Profibus总线的数据为：一个典型的通过Profibus-PA总线连接的智能仪表的响应时间为10ms；一个典型的通过 Profibus-PA总线连接的执行机构的响

11、应时间为15ms；一个Profibus-DP从站的响应时间0.3m；Profibus总线系统中一条DP分支的查询循环周期是2ms；一条PA分支的查询循环周期是80ms。 在DCS技术规范中对现场信号的采集周期要求为：所有模拟量输入每秒至少扫描和更新4次，所有数字量输入每秒至少扫描和更新10次。为满足某些需要快速处理的控制回路要求，其模拟量输入信号应达到每秒扫描8次，数字量输入信号应达到每秒扫描20次。由此可见，Profibus总线和FF总线完全能够满足机组控制对一般输入、输出信号处理的实时性的要求。鉴于目前FF总线宏周期一般在100ms-1s之间，这还无法满足电厂机组控制中的快速处理回路的时间

12、(50ms左右)要求。因此，系统中为安全或快速响应而设置的开关量信号，我们还是考虑采用常规DCS的FO模块来处理。 2.3 故障影响性 现场总线控制系统的网络设计至关重要，不仅要根据系统I/O点的规模，而且要根据设备的地理分布、功能的相关性等因素。设计各层网络的覆盖范围，支路的数量，支路及分支的长度、各分支的设备数量等，这些设计对系统的性能、硬件配置等都有重要影响。因此，在工程应用中各工艺子系统应根据工艺相关性和现场布置位置情况进行网络分段设计。进行网络分段设计时应遵循以下原则：每个网段上挂接的现场总线数量不超过6个；冗余设置的现场仪表应接入不同网段；工艺上并列运行或冗余配置的设备其相关驱动装

13、置应连接在不同的网段上。控制系统应根据工艺流程合理配置总线数量和挂接的现场设备，确保任何一条总线故障时，只产生工艺系统的局部故障，不会引起机组的危急状态，造成整个工艺系统停运，并将这一影响限制到最小。 鉴于目前现场总线在机组控制中的应用还处在起步阶段，可能在具体工程实施中还会碰到一些意想不到的情况。为最大程度地降低现场总线的工程应用风险，确保机组安全顺利投产，推荐对机组安全运行至关重要的保护系统仍采用常规 DCS 方式实现。 2.4 其它设计及安装考虑 要使现场总线回路能够正常运行，总线回路的正确设计和组态非常重要。根据现场总线系统工程指南要求和其它工程使用经验，需要考虑如下几个方面：现场总线

14、网段的设计应考虑网段总的电流负载、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、电压降和现场设备数量、总线的拓扑结构形式等。总线网段上可挂的设备最大数量受到设备之间的通信量、电源的容量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗等因素影响。 为提高总线工作效率，在设计和组态时应尽量减少设备在总线上的通信量。具体应注意以下几点： 对于简单的单回路调节应用，尽量将PID控制模块放在现场阀门的智能执行机构中，这样可减少DCS控制与现场阀门执行机构之间的通信量。 在控制回路中应尽量减少该回路之外的参数引入到该回路的现场总线设备中，因为跨功能块、跨网段的引用数据会增加通信量。而低速的总线传输速率(31.25 kbps)在

15、周期性信息传输量较大时会导致宏周期增大，使回路的相应时间随之增大。现场总线使用的经验表明现场总线回路故障的主要原因之一是来自网段上的干扰，而干扰的主要原因是现场总线网段和总线设备的不良安装。 2.5 工程造价分析 在机组控制中全面采用现场总线技术，除了在技术上可行外，还必须对其设备投资与常规DCS控制方式进行比较。为此，针对DCS本身以及涉及到的现场仪表、执行机构、电缆及电缆桥架、接线箱等，市场价格情况作了一个初步的调查，具体如下： DCS。从控制器配置数量来看，采用FF现场总线时，以Emerson公司的OVATION系统为例，每对DPU下可连接16个GTEWAY ，每个CATEWAY可连接4

16、条Hl总线，按照每条总线挂接6台设备考虑，每对DPU接入设备接近1646=384台，与目前常规DCS 控制器中每对DPU处理400-500点的FO数量相当；采用Profibus现场总线时，以西门子公司的TXP-3000为例，每对DPU下通常可挂接4个DP主站，一个DP主站考虑接入16个DP从站，若连接DP/PA作为DP从站，每个DP/PA按接入18台PA设备考虑，每对 DPU接入设备为41618=1152台。由此可见采用现场总线之后 DPU 数量只会减少，不会增加，当然最终的控制器数量还是应该考虑负荷率的要求。 进口电动执行机构。近年来新建工程项目中的电动执行机构(包括调节和二位式)大多数已要

17、求采用智能一体化产品，在这种情况下，通过进一步明确现场设备应符合的总线标准，即可将设备接入现场总线系统，成本增加不大。 气动调节阀定位器。方案中所有气动调节阀的阀门定位器采用现场总线型产品，每台总线型智能阀门定位器较普通阀门定位器贵5000元左右。 变送器。目前带现场总线接口的智能变送器较常规智能变送器贵出约1500元人民币。 接线箱。现场总线控制系统设计中涉及到大量的接线箱，接线箱内设置现场总线设备连接的专用端子。每只IP66的12口接线箱价格在500美元左右。 电缆及电缆桥架。采用现场总线技术可以较大程度上节省电缆、电缆桥架等安装材料，也相应减少了施工工程量。根据在玉环电厂工程中对补给水、

18、废水现场总线应用的情况的了解，实际现场控制电缆可减少60% ，电缆桥架减少50。虽然采用现场总线控制方式，系统将运用大量光纤，但目前光纤的价格已十分低廉，与常规控制电缆的相差无几。 3 系统配置方案 整个机组控制系统按照工艺过程划分为多个子系统。根据上述技术分析，我们给出机组控制的参考配置方案。 锅炉启动系统、锅炉汽水本体系统、锅炉烟厂风系统、燃油制粉系统、凝结水系统、加热器疏水系统、汽机抽真空系统、汽机润滑油EH油系统等，均考虑采用现场总线技术。其中对于工艺系统中的单回路（单冲量）调节，如汽机润滑油温度调节、辅助蒸汽温度压力调节、汽机轴封压力温度调节等可放在现场执行机构的阀门定位器中实现（也

19、可仍在 DCS控制器中控制）。鉴于炉膛安全监控系统（FSSS）、汽机数字电液控制系统（DEH）、汽机本体紧急跳闸系统（ETS ）对机组安全运行至关重要，而且汽机DEH（包括ETS）与汽机本体控制和保护相关性大、回路处理速度要求高，FSSS、DEH 和 ETs 还是推荐采用成熟的常规控制方式。 机组厂用电动机和厂用电监控系统虽然采用现场总线(CAN、LONWORKS、Modbus等标准)，大多数并非采用FF、Profibus 等现场总线。该系统可通过与机组DCS的通信接口相互传输信号。出于机组安全考虑，所有机组电动机及主厂房内重要电源开关的分乒合指令信号、状态反馈信号还是通过硬接线方式进入DCS

20、, 其它信号通过通信接口接入机组DCS。条件允许的情况下，也可对厂用电动及考虑采用具有Profibus-DP接口的智能马达控制器（类似西门子公司的SIMOCODE产品）。 机组SOE 要求有lms的分辨率，目前设计中接入SOE的多为主、辅机的跳闸接点信号和电气开关量，主、辅机跳闸首出原因由控制器逻辑判断。为保证SOE的分辨率，建议仍采用常规班卡或专用SOE卡5。 方案中变送器均采用现场总线型智能变送器接入DCS，以便在机组DCS中利用现场总线设备诊断和管理软件，实现设备管理和故障诊断。方案中电动执行机构均考虑采用具有现场总线接口的设备，气动调节阀执行机构采用带现场总线接口的智能定位器。由于主厂

21、房内电磁阀控制的二位式气动阀门布置较为分散，如采用带总线接口的阀岛进行控制不太合适，故还是推荐采用常规I/O方式接入DCS。由于目前国产现场总线电动执行机构尚未有成熟的应用业绩，而进口现场总线电动执行机构与国产电动执行机构的差价较大。为从根本上降低工程造价，方案中国产电动执行机构还是采用常规FO方式接入 DCS。采用现场总线技术之后，对于现场相对集中的温度测点，考虑采用现场总线型智能变送单元（如EMERSON的848T型8通道温度变送器）或沿用目前常规的远程I/O方式接入DCS。由于目前带总线接口的智能温度变送器价格仍较贵，如在工程中对全部温度测点采用总线方式接入将会增加较大工程投资7。且对温

22、度信号而言，采用总线方式接入增加的信息内容也不明显。因此对于现场分散的温度测点还是考虑采用常规方式接入控制系统。图1所示是典型的1000MW火电超超临界机组现场设备层采用现场总线技术的控制系统结构图。 4 结束语 火电厂现场控制应用和当前状况表明，应用现场总线技术将带来全厂管控数字化和全生命周期的设计、安装、调试、运行维护成本节省等有利因素，由此引起的投资增加是应该可以接受的，可在机组分散控制系统现场设备层面逐步推广采用现场总线技术。参考文献 l 阳宪惠现场总线技术及其应用M北京：清华大学出版社，1999. 2 赵瑞阳现场总线技术在电厂的应用J发电设备，2006(1):63-66. 3 金黔军

23、现场总线技术在电厂辅助系统中的应用研究J电力建设，2006(2):33-36. 4 侯子良推广应用现场总线全面实现火电厂数字化J中国电力，2004(3):72-75. 5 夏德海应用现场总线需注意的若干问题J电厂自动化，2(X)3(3):3-7. 6 孟丽现场总线技术在电厂中的应用J自动化仪表，2(X)5(3):33-35. 7 李子连现场总线技术在火电厂自动化系统的应用意见J中国电力，2003(3):49-53.本文摘自自动化仪表 Editors note: Judson Jones is a meteorologist, journalist and photographer. He ha

24、s freelanced with CNN for four years, covering severe weather from tornadoes to typhoons. Follow him on Twitter: jnjonesjr (CNN) - I will always wonder what it was like to huddle around a shortwave radio and through the crackling static from space hear the faint beeps of the worlds first satellite -

25、 Sputnik. I also missed watching Neil Armstrong step foot on the moon and the first space shuttle take off for the stars. Those events were way before my time.As a kid, I was fascinated with what goes on in the sky, and when NASA pulled the plug on the shuttle program I was heartbroken. Yet the priv

26、atized space race has renewed my childhood dreams to reach for the stars.As a meteorologist, Ive still seen many important weather and space events, but right now, if you were sitting next to me, youd hear my foot tapping rapidly under my desk. Im anxious for the next one: a space capsule hanging fr

27、om a crane in the New Mexico desert.Its like the set for a George Lucas movie floating to the edge of space.You and I will have the chance to watch a man take a leap into an unimaginable free fall from the edge of space - live.The (lack of) air up there Watch man jump from 96,000 feet Tuesday, I sat

28、 at work glued to the live stream of the Red Bull Stratos Mission. I watched the balloons positioned at different altitudes in the sky to test the winds, knowing that if they would just line up in a vertical straight line we would be go for launch.I feel this mission was created for me because I am

29、also a journalist and a photographer, but above all I live for taking a leap of faith - the feeling of pushing the envelope into uncharted territory.The guy who is going to do this, Felix Baumgartner, must have that same feeling, at a level I will never reach. However, it did not stop me from feelin

30、g his pain when a gust of swirling wind kicked up and twisted the partially filled balloon that would take him to the upper end of our atmosphere. As soon as the 40-acre balloon, with skin no thicker than a dry cleaning bag, scraped the ground I knew it was over.How claustrophobia almost grounded su

31、personic skydiverWith each twist, you could see the wrinkles of disappointment on the face of the current record holder and capcom (capsule communications), Col. Joe Kittinger. He hung his head low in mission control as he told Baumgartner the disappointing news: Mission aborted.The supersonic desce

32、nt could happen as early as Sunday.The weather plays an important role in this mission. Starting at the ground, conditions have to be very calm - winds less than 2 mph, with no precipitation or humidity and limited cloud cover. The balloon, with capsule attached, will move through the lower level of

33、 the atmosphere (the troposphere) where our day-to-day weather lives. It will climb higher than the tip of Mount Everest (5.5 miles/8.85 kilometers), drifting even higher than the cruising altitude of commercial airliners (5.6 miles/9.17 kilometers) and into the stratosphere. As he crosses the bound

34、ary layer (called the tropopause), he can expect a lot of turbulence.The balloon will slowly drift to the edge of space at 120,000 feet (22.7 miles/36.53 kilometers). Here, Fearless Felix will unclip. He will roll back the door.Then, I would assume, he will slowly step out onto something resembling

35、an Olympic diving platform.Below, the Earth becomes the concrete bottom of a swimming pool that he wants to land on, but not too hard. Still, hell be traveling fast, so despite the distance, it will not be like diving into the deep end of a pool. It will be like he is diving into the shallow end.Sky

36、diver preps for the big jumpWhen he jumps, he is expected to reach the speed of sound - 690 mph (1,110 kph) - in less than 40 seconds. Like hitting the top of the water, he will begin to slow as he approaches the more dense air closer to Earth. But this will not be enough to stop him completely.If h

37、e goes too fast or spins out of control, he has a stabilization parachute that can be deployed to slow him down. His team hopes its not needed. Instead, he plans to deploy his 270-square-foot (25-square-meter) main chute at an altitude of around 5,000 feet (1,524 meters).In order to deploy this chut

38、e successfully, he will have to slow to 172 mph (277 kph). He will have a reserve parachute that will open automatically if he loses consciousness at mach speeds.Even if everything goes as planned, it wont. Baumgartner still will free fall at a speed that would cause you and me to pass out, and no p

39、arachute is guaranteed to work higher than 25,000 feet (7,620 meters).It might not be the moon, but Kittinger free fell from 102,800 feet in 1960 - at the dawn of an infamous space race that captured the hearts of many. Baumgartner will attempt to break that record, a feat that boggles the mind. This is one of those monumental moments I will always remember, because there is no way Id miss this.