数字化电厂架构及现场总线控制系统设计

      目前，我国火电厂厂级和机组（车间）级已实现了数字化，但现场控制设备级大部分尚未实现数字化，这已成为现场总线技术需要解决的难题。建设数字化电厂的目的是使发电厂在整个服役期经济效益最大化。数字化电厂结构模型可划分为 3 层（直接控制层、管控一体化层、管理决策层）和 2 个支持系统（数据库支持系统和计算机网络支持系统），它们分别交叉和纳人在 DCS （包括 FCS ）、电站仿真系统 ( SIMU ）、火电厂厂级监控信息系统（SIS）、管理信息系统（ MIS ）及决策支持系统（ DSS ）中。

一、数字化电厂的基础条件

　　(1) MIS 是建设数字化电厂的关键系统，主要为全厂运营、生产和管理服务，完成设备和维修管理、生产经营管理（包含电力市场报价子系统）、财务管理等功能。 MIS 具有 2 个层次的功能：自动传递和汇集数据；以成本核算和资源集成为出发点，对管理数据进行加工、整理、发掘和分析。

　　(2) SIS为 MIS 的生产过程管理功能模块。 SIS既是发电厂建立全厂生产过程实时／历史数据库的平台，也是为全厂生产过程优化服务的实时生产过程监控和管理信息系统。SIS一端是控制系统（ DCS / PLC / 机组仿真系统），另一端是 MIS ，其应用模块主要有实时数据分析与处理模块、性能计算与能损分析模块、工况分析模块、运行故障诊断模块、吹灰优化模块、参数劣化分析模块、机组负荷优化分配模块及机组运行状态评估模块。

　　SIS对实时性要求较高，其实时信息取自 DCSO由于 DCS 采用的模拟量、开关量、数字信号为混合系统信号制，而且为单向，不具有将设备状态的实时信息上传至控制器的功能，从而使SIS无法获得这些信息，成为SIS进一步提高功效的瓶颈。

　　(3) FCS 应用于电厂机组级控制，其采用全数字、双向通信的现场总线信号制，解决了智能现场仪表与智能控制室仪表之间的非智能连接问题，为建设数字化电厂提供了基础条件。

二、FCS的设计

　　(1) 现场总线标准2000 年4月公布的国际现场总线标准 IEC61158 包括了 10 种类型，其中基金会现场总线（FF）和过程现场总线（Profibus）在过程控制领域有较广泛的应用，FF 较适合模拟量控制，Profibus 较适合开关量控制。

　　(2)重要控制与安全回路现场总线技术在国内大型机组的主控制系统上应用还处于起步阶段，为了保证机组安全稳定运行，炉膛安全监控系统（FSSS）、数字式电液控制系统（DEH）、汽轮机紧急跳闸系统(ETS）、给水泵汽轮机电液控制系统（MEH）和给水泵汽轮机紧急跳闸系统（METS）等不采用现场总线控制方式。

　　(3)电动机控制 部分380V、6kV电动机采用现场总线控制方式。

　　(4)DCS为基本系统 由于有些DCS可与FCS无缝连接，因此采用以DCS为基础利用 FCS 的信息处理、设备诊断和设备管理软件进行设备级控制的系统结构。

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      (5)就地智能设备控制功能部分现场总线的就地智能设备具备控制功能。如遵循FF协议的50多种算法（控制策略）可下装至就地智能设备（变送器或执行机构）中，由就地智能设备实现控制。机组级控制系统分级划分及比率见表 1 。对于执行级与简单功能组级的控制回路，可以将控制回路下装至就地智能设备中；在一般功能组级的控制系统中，有近50％－60％的控制回路可以下装到就地智能设备之中。这样，可得下装控制回路为：63.9%＋(27.7%×50%~27.7%×60%)=63.9%+(13.9~16.6 )=77.8%~80.5％。控制回路分散下装到就地智能设备之中，可减少中央控制器的配置及复杂程度，但会增加网段总线通讯负荷率。现场总线的就地智能设备一般不采用冗余配置。

　　(6)辅助车间（系统） 辅助车间（系统）全面采用FCS ，这是因为辅助车间（系统）多为开关量顺序控制，用于辅助车间（系统）控制的PLC具有成熟的现场总线通讯能力。

　　(7)设计确认 常规DCS设计主要依据于I/O清单和工艺运行程序，并不考虑电缆或设备和接线盒的布置，而FCS设计需要考虑网段设计、设备选型试验确认等。

　　(8)网段设计在现场总线网段设计中应考虑网段的总负载（风险管理、备用容量、网络宏周期的空闲时间、电压降和电流限制）、电缆型号、总线干线长度、总线支线长度、现场设备数量、总线的拓扑结构形式、中继器配置、集线器（多路接线盒）数量和规格及配置等因素。总线网段上可挂的设备最大数量受到设备之间通信量、电源容量、总线可分配地址、每段电缆阻抗以及工艺信号危险级别等因素影响。

　　(9)就地智能设备采用遵循现场总线标准的现场总线智能设备，对于有些尚无现场总线标准的设备，可选用遵循 Hart 通讯协议的智能型现场设备。

      (10)通讯、兼容试验实践证明，虽然遵循同一现场总线标准的设备在理论上均能够实现互联、互操，但在实际工程应用中并不能即接即用。不同公司生产的产品在软件版本、通信协议细节、电气兼容性等方面，存在一定差异，必须经过通讯、兼容试验。

　　(11)通讯速率在确定总线通讯速率时发现通讯速率越高越易受干扰，以满足工程需要为宜，也应兼顾配置的经济性。

三、结语

　　建设数字化电厂必须解决现场控制设备级数字化，目前只有 FCS 能够完成现场控制设备级的数字化。FCS 的现场智能设备能将大量现场信息送入通信网络，这是 DCS、PLC无法实现的。FCS 双向数字通信现场总线信号制技术，是建设数字化电厂的基础条件。