華能南京金陵電廠2X1000MW超超臨界燃煤機組主輔機全面應(yīng)用了西門子基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)。創(chuàng)新的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的控制系統(tǒng)在保護用戶投資的同時為電廠安全、穩(wěn)定、高效運行提供有力保障，為國內(nèi)電力行業(yè)同類系統(tǒng)提供了成功示范案例。
前言：
隨著《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)》及《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十一個五年規(guī)劃綱要》的實施，我國電力工業(yè)的建設(shè)將繼續(xù)朝著高參數(shù)、大容量、低能耗、節(jié)約資源和環(huán)境保護的方向發(fā)展。我國“貧油、少氣、多煤”的一次能源結(jié)構(gòu)特點決定了在今后相當長的時間內(nèi)，燃煤火力發(fā)電仍將在我國發(fā)電領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。當前電力企業(yè)所面臨的普遍問題是：在激烈的市場競爭環(huán)境下，如何開發(fā)和占領(lǐng)市場以使電力企業(yè)獲得生存和發(fā)展，并在國民經(jīng)濟中發(fā)揮更大的作用。降低資源損耗和提高管理效益成為各發(fā)電企業(yè)的迫切需求，綜合高效利用先進技術(shù)以實現(xiàn)生產(chǎn)過程高度自動化和管控一體化，成為電力企業(yè)生存的必然選擇。
華能南京金陵電廠位于江蘇省南京市棲霞經(jīng)濟開發(fā)區(qū)江乘大道8號，長江南岸龍?zhí)舵?zhèn)四段圩村，一期工程為兩臺39萬千瓦9FA型燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組。二期工程裝機容量為2×1000MW，由華能國際電力開發(fā)公司、江蘇省國信資產(chǎn)管理集團有限公司、南京市投資公司分別按60%、30%和10%比例出資興建。二期2×1000MW超超臨界燃煤機組為國內(nèi)百萬千瓦機組首次大范圍應(yīng)用現(xiàn)場總線的示范工程。
數(shù)字化電廠需求
目前，可概括為“廠網(wǎng)分開，競價上網(wǎng)”的新型電力市場格局正在形成。電力單位作為一個獨立企業(yè)，直接參與市場競爭。安全生產(chǎn)、經(jīng)濟高效是企業(yè)的最高目標，電廠的數(shù)字化建設(shè)正式是為服務(wù)于這個目標而應(yīng)運而生的。
自動化與信息化高度統(tǒng)一是數(shù)字化電廠的重要特征。要實現(xiàn)電廠的數(shù)字化生產(chǎn)與管控，就必須基于電廠采用先進采集設(shè)備、控制系統(tǒng)和安全高效的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫平臺，集成監(jiān)、控、管的一體化智能系統(tǒng)，是儀器儀表技術(shù)、自動化技術(shù)、信息技術(shù)與管理技術(shù)的全面融合。
現(xiàn)場總線技術(shù)
在DCS與PLC不斷更新?lián)Q代、技術(shù)升級的同時，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS，F(xiàn)ield Control System)正在引發(fā)自動控制領(lǐng)域的革命，工業(yè)過程控制對大量現(xiàn)場信號的采集、傳遞和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及對精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)(DCS、PLC)已不能滿足這些要求，而且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有控制不能徹底分散、故障相對集中、系統(tǒng)不徹底開放、成本較高等缺點，于是通過數(shù)字通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)的融合，把傳統(tǒng)的數(shù)字信號和模擬信號的混合系統(tǒng)變成全數(shù)字信號系統(tǒng)，從而產(chǎn)生了新一代的控制系統(tǒng)FCS。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，F(xiàn)CS具備多功能的智能化現(xiàn)場數(shù)字儀表并更加強調(diào)系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化與開放性。
由于現(xiàn)場總線技術(shù)的先進性還可以大量節(jié)省投資(如電纜、電纜橋架、電氣控制柜乃至中控室占地面積)并提高系統(tǒng)信息量，可方便地進行設(shè)備狀態(tài)在線診斷、設(shè)備管理、優(yōu)化檢修，華能南京金陵電廠在綜合對比論證的基礎(chǔ)上，決定在2X1000MW超超臨界燃煤機組主輔控系統(tǒng)中全面選用FCS(現(xiàn)場總線)系統(tǒng)，為國內(nèi)首個超超臨界機組的實際工程應(yīng)用。(華能九臺電廠2X660MW為國內(nèi)首個全廠范圍選用FCS系統(tǒng)的超臨界機組。)
目前國際市場得到應(yīng)用的現(xiàn)場總線還未形成統(tǒng)一的標準，其中，PROFIBUS和 FF (基金會現(xiàn)場總線)兩種總線標準被公認為較適用于火電機組自動化控制系統(tǒng)。
兩種總線標準對比而言，F(xiàn)F較適用于連續(xù)量控制，不足之處在于產(chǎn)品系列不全，往往會給構(gòu)建完整統(tǒng)一的總線網(wǎng)絡(luò)造成困難，需要與其他總線混合應(yīng)用;而PROFIBUS側(cè)重離散量控制，同時也適用于連續(xù)量控制，并且得到了相當數(shù)量的現(xiàn)場智能設(shè)備廠商的普遍支持。
PROFIBUS簡介
PROFIBUS是l987年德國聯(lián)邦科技部制訂的現(xiàn)場總線德國國家標準，目前是IEC 61158國際標準中的Type3部分。物理接口采用RS-485標準，網(wǎng)絡(luò)拓撲為線性總線兩端加終端電阻。
根據(jù)總線結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)任務(wù)的不同，PROFIBUS由3個兼容部分組成，即PROFIBUS- FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS- PA。
其中，PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進行組態(tài).診斷和報警處理。PROFIBUS-DP采用RS-485標準，通訊介質(zhì)可以是雙絞線.雙線電纜或光纜。波特率可以從9.6K bit/s到12M bit/s之間選擇。
PROFIBUS-PA適用于PROFIBUS 的過程自動化。PROFIBUS-PA將自動化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力.濕度和液位變送器等現(xiàn)場設(shè)備連接起來，PROFIBUS-PA可用來替代4-20mA的模擬技術(shù)。PROFIBUS-PA具有如下特性：
(1)適合過程自動化應(yīng)用的行規(guī)使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場設(shè)備具有互換性。
(2)增加和去除總線站點，即使在本征安全地區(qū)也不會影響到其它站。
(3)在過程自動化的PROFIBUS-PA段與制造業(yè)自動化的PROFIBUS-DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實現(xiàn)兩段間的透明通信。
(4)使用與IEC1158-2技術(shù)相同的雙絞線完成遠程供電和數(shù)據(jù)傳送。
(5)在潛在的爆炸危險區(qū)可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。
在確定使用PROFIBUS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)后，華能南京金陵電廠與多家自動化系統(tǒng)廠商進行了深入技術(shù)交流，并與設(shè)計院確定重點品牌范圍，積極聯(lián)系各總線設(shè)備廠商提供設(shè)備樣品送自動化系統(tǒng)廠商進行聯(lián)網(wǎng)測試，西安熱工院作為技術(shù)支持方出具測試報告，最終設(shè)備僅在通過測試的產(chǎn)品中選擇。經(jīng)過嚴格測試與綜合論證，華能南京金陵電廠選用了基于PROFIBUS的西門子基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。
具體實施
主控系統(tǒng)
本臺機組主控系統(tǒng)共有26+2對(公用系統(tǒng))控制器，設(shè)計了現(xiàn)場總線通訊柜35只、51個冗余PROFIBUS-DP網(wǎng)段、11個非冗余PROFIBUS-DP網(wǎng)段、124個PROFIBUS-PA網(wǎng)段，其中PROFIBUS-DP連接358個現(xiàn)場總線設(shè)備(包括電動執(zhí)行機構(gòu)、馬達控制器、分析儀表、變頻器等)、PROFIBUS-PA連接628個現(xiàn)場總線設(shè)備(包括壓力變送器、溫度變送器、流量計、定位器及液位計等)，涵蓋了25個工藝系統(tǒng)，采用了13種類型的現(xiàn)場總線設(shè)備，基本包括了主機過程控制系統(tǒng)中的所有典型設(shè)備。
鑒于爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽機本體緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)、給水泵汽機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)(MEH)和給水泵汽機緊急跳閘系統(tǒng)(METS)對機組安全運行至關(guān)重要，回路處理速度要求高，因此對上述系統(tǒng)還是采用常規(guī)控制方式，不納入FCS系統(tǒng)。
輔控系統(tǒng)
補給水、凝結(jié)水精處理、凈水、廢水、脫硫系統(tǒng)均采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。輔控范圍內(nèi)總線設(shè)備數(shù)量達665 個。
(DCS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖)
以DCS控制器AP102為例，現(xiàn)場總線由控制柜的雙PROFIBUS-DP主站引出，通過光電轉(zhuǎn)換模塊(OLM)經(jīng)光纖延伸到現(xiàn)場，連接1個PROFIBUS-DP冗余網(wǎng)段、1個PROFIBUS-DP網(wǎng)段和2個PA網(wǎng)段，PROFIBUS-DP網(wǎng)段分2組，均用PROFIBUS-DP/DP鏈接器把單接口就地PROFIBUS-DP設(shè)備接入冗余PROFIBUS-DP總線，第1組用來連接系統(tǒng)內(nèi)的電動執(zhí)行機構(gòu)，采用菊花鏈型連接方式;第2組通過Y-LINK連接馬達控制器(單口)，在每段PROFIBUS-DP總線的末端單獨增加1個有源終端電阻，使傳輸線路阻抗匹配，保證通信的可靠性。PROFIBUS-PA網(wǎng)段由PROFIBUS-DP/PA鏈接器從冗余PROFIBUS-DP總線上接出，連接測量變送器信號。
(DCS控制器AP102系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)
西門子基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)特點
(1)新型體系結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的DCS分層結(jié)構(gòu)將電廠劃分為現(xiàn)場級、過程控制級、機組控制級以及電廠級，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代電廠生產(chǎn)流程的功能需求?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)把DCS簡化為現(xiàn)場級和IT級兩層，即在現(xiàn)場級采用現(xiàn)場總線技術(shù)進行數(shù)據(jù)采集與傳遞，所有的設(shè)備控制策略在控制器中集中處理。
(2)基于組件的設(shè)計理念
基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)為世界上第一套真正的基于組件的控制系統(tǒng)，采用XML和Java技術(shù)，可執(zhí)行任何操作系統(tǒng)下需要處理的應(yīng)用程序。統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系提供了一個面向所有任務(wù)的單一用戶接口，取消了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所需的子系統(tǒng)及其之間的復(fù)雜接口。
(3)方便使用與安全可靠
對于正在運行中的電廠，從工程設(shè)計到變更的檢查、測試到記錄都無需切換控制處理器即可方便的執(zhí)行。由于采用了經(jīng)由放火墻的OPC，可有效防范局域網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)對DCS的未授權(quán)訪問，保證電廠安全可靠運行。
系統(tǒng)運行狀況
據(jù)華能南京金陵電廠信息中心主任管春雨介紹，本控制系統(tǒng)從2009年8月進入緊張的安裝調(diào)試階段，到12月16日機組啟動，當晚21點28分機組升至滿負荷開始計時，正式進入168小時試運。在整個試運行過程中自動投入率，保護投入率均達到100%，汽水品質(zhì)合格，主要經(jīng)濟、技術(shù)指標優(yōu)良。各系統(tǒng)在機組滿負荷試行的考驗中均完善、安全、可靠，性能指標達到規(guī)范要求的優(yōu)良標準，汽輪機振動最大值僅為45um，達到同類型機組的國內(nèi)領(lǐng)先水平?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)保證了機組的正常運行。
在控制系統(tǒng)運行過程中，也遇到過大大小小的問題，其間客戶端曾先后兩次發(fā)生過陸續(xù)黑屏的現(xiàn)象，西門子公司售后服務(wù)工程師在第一時間到現(xiàn)場與電廠工程師一起進行了故障分析與排除，恢復(fù)系統(tǒng)運行，并采取了相應(yīng)的預(yù)防措施，確保機組處于最佳運行狀態(tài)。
展望未來
歷經(jīng)了幾個月以來的辛勤工作，管主任對西門子基于現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)的性能及西門子公司強大的技術(shù)支持能力逐漸建立了信任。“我祝愿西門子這套系統(tǒng)可以越做越好，”管主任誠懇地表示，“希望系統(tǒng)不僅保證我廠機組正常運行，帶來實實在在的效益，同時作為示范工程，也為眾多的兄弟電力企業(yè)即將建設(shè)的項目提供最高參考價值?！?/FONT>
（轉(zhuǎn)載）
