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传感器

现场总线技术在电厂的应用

  2009年11月30日  

      在电厂信息化的建设过程中,越来越多的专家、学者和电力工程设计人员意识到推动现场总线技术在电厂应用的重要性和迫切性,提出了现场总线控制系统在电厂的应用设想和建议。但到目前为止,在国内已建和在建电厂中,真正意义上的全面和系统地应用现场总线控制系统的实例尚未见报道,还只是局部的试点。
       根据国际电工委员会IEC61158标准的定义:安装在制造或生产过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、双向、多点通信的数据总线称为现场总线。由现场总线与现场智能设备组成的控制系统称为现场总线控制系统(FCS)。而衡量一个控制系统是否为真正的FCS有三个关键要点,即:核心、基础和本质。FCS的核心是总线协议,只有遵循现场总线协议的控制系统,才能称为现场总线控制系统;FCS的基础是数字智能现场仪表,它是FCS的硬件支撑;FCS的本质是信息处理现场化,这是FCS系统的效能体现。
      因此现场总线控制系统是一种全计算机、全数字、双向通信的新型控制系统。它与DCS的本质差异在于现场级设备的数字化、网络化,实现了控制装置与现场装置的双向通信,消除了生产过程监控的信息"盲点"。可以说,现场设备级的数字化、网络化是电厂信息化管理的基础。
一、现场总线技术的特点及现状
      CPU技术的发展导致了现场仪表和装置的数字化革命,也使得现场仪表和装置之间的数字通讯成为可能。数字化、智能化的现场仪表和装置(如传感器、执行器等)不仅替代了4~20mA模拟系统,更主要的是可以在现场设备中实现控制功能和设备管理功能,而且有了数字通讯,在控制室可以获得现场设备的诸多信息,如诊断、量程、组态和标识等。现场总线技术的出现,使得原来需要大量电缆进行点到点连接的众多现场设备信号可通过一根网络电缆来传输,可以显著减少电缆的使用量及降低相关的材料和安装费用。
      现场总线技术的出发点就是要为用户提供开发性、具有可互操作性、可互换性和统一标准的测量和控制产品,克服传统DCS和PLC等含有专利性技术的控制系统所带来的封闭性问题,择优选择不同公司的产品,集成最佳的生产过程控制系统,降低工程项目的建造和运营成本,提高企业的竞争力。
      同传统DCS和PLC控制系统相比,以现场总线技术为基础的控制系统FCS的优越性有以下几方面[1~3]:(1)互操作性;(2)分散性;(3)可靠性; (4)精确性;(5)开放性;(6)经济性;(7)可维护性。
      1999年底IEC TC65(负责工业测量和控制的第65标准化委员会)通过了8种类型的现场总线作为IEC61158国际标准。这8种类型的现场总线为:
    (1)IEC技术报告(即FF的Hl)
    (2)Control Net(美国Rockwell等公司支持)
    (3)Profibus(德国西门子等公司支持)
    (4)P-Net(丹麦Process Data公司支持)
    (5)FF HSE(即原FF的H2,Fisher-Rosemount等公司支持)
    (6)Swift Net(美国波音公司等支持)
    (7)World FIP(法国Alstom等公司支持)
    (8)Interbus(德国Phoenix Contact公司支持)
       除了上述8种标准之外,还有IEC TCl7B通过的现场总线标准SDS(Smart Distributed System)、ASI(Actuator Sensor Interface)和DeviceNet,以及 ISO11898的CAN协议,还有一些欧洲标准,超过了12种之多。这么多的标准给用户应用带来了很大的困惑,也就导致了没有事实上的统一标准,因为不同的现场总线标准协议之间是不能够直接进行互连和通讯的。
       现场总线自身存在着应用领域的局限性。上述各种现场总线是针对不同的应用领域开发的,没有一种单一的总线能适用于所有的工业控制。
       在工厂自动化领域,离散逻辑控制处于主导地位,因为工厂自动化含有快速移动的机械,同较慢的过程自动化相比,要有更快的响应。适用于这类场合的现场总线类型有 DeviceNet、ControlNet、Profibus(DP及FMS应用行规),以及Interbus、ASI(AS-Interface)。
       在过程自动化领域,连续的调节性控制占支配地位,但也包含离散或开关量控制。适用于这类场合的现场总线类型有Foundation Fieldbus,Profibus-PA、WorldFIP等。
二、电厂生产过程控制的特点
       电厂的生产包含了以下几个主要工艺过程:燃料系统(煤炭和燃油/气的运输及贮存)、热力系统、锅炉和汽轮机发电机组(将燃料的化学能转变成热能、热能将水变成蒸汽、蒸汽热能在汽轮机中转变成机械能、再转变为电能)、除渣出灰系统(燃烧物的固体废弃物处理)、脱硫系统(大气排放物的处理)、水处理系统(含净水、锅炉补给水、废水、凝结水精处理、化学取样和加药等)、发配电系统(含厂用电系统、升压站等)。由此可以看出,电力生产是一个极其复杂的工业过程,它涵盖了工厂自动化和过程自动化的内容。在传统的电厂控制系统模式中,主厂房区域热力生产过程通常采用DCS作为主要的控制系统,其他辅助系统则采用以PLC为核心的控制系统。由于现场级设备主要采用传统的模拟量和开关量信号,生产过程的监控只能到达I/O子系统。
       在近几年的电力建设过程中,电力生产企业的信息化管理引起了广泛的重视,投入了大量的资金构建辅助控制系统网络、电厂实时监控系统(SIS)和电厂信息管理系统(MIS),而对于现场级的设备依然采用传统的装置和方式接入控制系统I/O子系统。这对于以预测性设备维护和设备管理为预期目标的信息化建设,无疑是"无源之水"。因此解决电厂"信息盲区"的根本出路是应用支持现场总线的智能现场设备。
三、应用现场总线技术存在的问题
       电厂应用现场总线的主要障碍有:
    (1)现场总线标准多,用户选择无所适从。
    (2)支持现场总线标准的智能现场设备的规格和品种较少,尤其是针对电厂开发的智能设备较少,不能满足电厂各专业的需要。
    (3)支持现场总线标准的智能现场设备价格较高。尽管基于现场总线技术的控制系统软硬件费用与DCS相比持平或略高,但FCS对于控制系统的设计、建造、调试直至运行、维护的整个项目生命周期成本同DCS相比要低得多。
    (4)连接现场总线设备底层的网络不支持冗余结构。
       除了上述这些应用障碍之外,笔者以为还有以下一些制约因素:
    (1)现有电厂的基建模式。电厂控制设备的采购大多是由设计院编制设备规范书,由建设单位组织采购,也有一些设备由施工单位采购,还有的控制装置由主机厂配套或分包。这种设备的采购方式难以保证按照统一的总线标准供货,不同的现场总线标准是不兼容的。
    (2)在设计院内部,自动控制涉及电气专业、热控专业甚至系统专业。这些专业分管的系统和现场设备各不相同,成百个设备在设计和订货时要求电气和热控采用统一的现场总线标准,难度可想而知。
    (3)投资方、建设单位、施工单位甚至设计院的技术人员对现场总线技术缺乏深入的了解。
    (4)设计观念的限制。
    (5)缺乏合理的设计周期。
    (6)对于设计人员缺乏创新的机制和动力。

 

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四、电厂应用现场总线技术的目标和对策
    首先,我们必须在电厂自动化和信息化方案的规划和设计过程中,避免陷入为现场总线而现场总线的误区。应将降低电厂生命周期成本和以合理的投资建设企业的信息化平台和企业管理体系作为投资方、建设单位和设计院共同追求的目标。基于这样的原则和指导思想,我们将会实事求是地研究现有控制技术、计算机技术和通信技术带给我们的自动化和信息化产品,构建电厂监控和信息管理系统[4][5]。
    其次,在电厂自动化和信息化的规划过程中,依然要结合电厂各工艺和生产过程的特点,采用最合适的现场总线标准和检测、控制装置,不应强求在全厂统一应用一种现场总线标准。在监控层和信息管理层,以太网和OPC协议、交换机、网关等工业IT技术已经提供了不同网络之间的互联技术。不应过分强调在工程使用的是FCS,还是DCS或PLC+现场总线,只要符合上述原则,就是最合适的控制系统。
    笔者认为:
    (1)设计院自动化设计人员应在现场总线技术的应用中起领先和推动作用。但设计院应对应用现场总线技术作出透彻的技术分析报告,讲清应用现场总线的利弊和投资估算,提出切实的项目实施计划和风险应对方案,以求得投资方和建设方的支持。
    (2)在应用现场总线技术方面设计人员要有创新意识,管理层要为设计人员营造设计创新条件和环境。要解决热控和电气两个专业在控制系统规划上各自为政的现状,要充分重视全厂自动化和信息化方案的总体规划,必要的时候对两个专业的分工要进行适当的整合。无论主机招标、辅机招标或辅助系统招标以及DCS、PLC系统的招标,必须把支持应用现场标准的产品要求作为必要条件予以明确。
    (3)投资方、建设单位对于设计院采用现场总线技术的设计方案,须给予足够的设计周期,并在技术方案论证和产品设计选型方面给予必要的支持。在确定工程采用某种类型的总线标准后,设计院在总线产品方面应有更多的自主权。建设单位可以改变以往控制装置由系统集成商配套的做法,各辅助系统采用的PLC可以确定合适的某两种总线标准集中招标采购,以利于现场设备的总线标准统一。
    (4)由于现场总线不同于常规设计,设计院自动化专业的深度和难度均有所提高,因而相应的设计费用和设计定额也要作出合理的调整。
    (5)自动化设计人员要努力提高自己的业务水平,加深设计深度,如P&I图、仪表位置布置图、调节框图和逻辑图、设备规范和数据表、接线图、电源配置图等。
    当采用FF现场总线时,在P&I图的设计中,需引入区域设计的概念。为了达到调节功能和逻辑的可靠和完整,通常一个回路的所有I/O应处于相同的区域,每个区域可以有2~6个回路。采用P&I应确保所有与区域回路有关的点都在那个区域内。不仅如此,还要学习和掌握现场总线的接线、布线技术和计算方法。因为现场总线的接线不同于常规DCS和PLC控制系统的接线。现场总线区域设计将取代传统的I/O分配连线。仪表位置布置图的作用是确定网络主干和分支以及接线盒的位置,这才能保证总线安装符合区域长 度、分支长度和终端位置的要求,实现现场总线的成功安装和工作。此外,现场总线网络存在三种拓朴结构:总线带分支结构、树型或分支或鸡爪型结构、雏菊链拓朴结构。不同结构适用的场合不同,要避免使用雏菊链拓朴结构,它虽然能降低电缆和安装费用,但对系统维护和可靠性极为不利[6]。
     现在许多的现场总线设备之间的连接己采用了接插件的方式,控制系统发展将达到绝大部分系统设备之间的连接采用预制电缆和接插件模式。
    (6)现场总线的冗余问题,如FF Hl和Profibus-PA不支持冗余网络,不应制约现场总线 技术的应用。只要对现场总线网络合理规划,就像在DCS I/O分配时不能将互为备用或冗余的点集中在同一卡件的原则一样,现场总线的网络上挂结的现场设备也需避免同样的问题。在莱城发电厂使用3UF5 SIMAOCOD-DP时最初发生的问题就属于这一类,最初的设计将数台磨煤机、风机的A/B润滑油泵马达的智能控制器挂结在同一根总线上,且采用的是雏菊链的连接方式。像这样的设计,即使采用冗余网络,也不能解决设备检修和可靠性的问题。
    (7)电厂现场总线的选择。电厂辅助系统如煤顶、水系统本质上属工业自动化的范畴,且PLC在这些场合依旧发挥主要作用,因此选用支持Profibus-DP、ControlNet等总线标准的产品均是合适的选项[7][8]。笔者认为在输煤出灰系统应用现场总线技术最能体现其优势。
     在主厂房热力系统的控制中,FF当是最佳的选项,单回路控制分散到现场,就如早期的基地式调节器回路,但在性能方面己不可同日而言。但FF同Profibus相比,不足之处在于产品系列不全,给构建完整统一的总线网络造成困难。据最新的现场总线技术资料显示,目前己有一些智能设备和控制系统的供应商已开发了支持多种现场总线标准的产品,这给现场级总线设备的选用带来了方便。且支持现场多种总线标准的通讯模件也已问世,这样可通过通讯接口模件将不同标准的现场级设备集成到一个DCS或PLC控制系统中。当然,主厂房内Profibus、WorldFIP也是较好的选项。德国尼德豪申电厂是迄今现场设备采用 Profibus范围最广的一个实例,西门子公司将其作为推广现场总线控制系统的示范电厂,国内许多建设单位和设计院在参观回国后均将此电厂作为应用现场总线技术的参考;华能珞磺电厂二期工程除现场设备采用常规仪表和装置外,整个控制系统均遵循WorldFIP总线协议。
    需要说明的是,在现场总线控制系统中,支持现场总线协议的远程I/O的应用依然是一个十分现实和具有吸引力的设计方案。
    (8)目前我国电力建设中SIS的投资过于庞大,当采用现场总线之后,部分功能完全可以在控制系统自身内部实现,当然管理信息也可以传递到管理信息层。因此,在SIS未参与实时和优化先进控制方式下以及与机组控制系统未实施双向通讯的情况下,目前SIS系统中心交换机和网络、服务器等采用的冗余配置均可以简化,甚至可以在充分考虑和设置了网络安全系统后和MIS合网,这样只需在MIS设置实时数据库,即可达到管理层对过程数据的采集、处理和监视的目的。从SIS部分节省下来的投资可以投入现场级智能设备的购置和网络建设。此外主控室大屏幕的设置也无必要,因为它与提高电厂自动化水平和信息化管理并无直接的关联,其节省的投资也可用于现场级,其意义和效益将更加显著。
五、结语
    合理规划电厂的自动化和信息化架构,降低工程造价,提高电厂自动化和信息管理水平,投资方、建设方以及设计院,同设备供应商一道推动现场总线技术在电厂的应用,享受新技术带来的效益和成果。

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