现场总线技术在电厂辅助车间的应用.pdfVIP

第 3 2卷 第 1 0期 2 0 1 0年 1 0月 华 电技 术 Hu a di a n Te c h n o l o g y V0 1 3 2 No 1 0 0c t 2 01 0 现 场总线技术在 电厂 辅助车 间的应用 马玉敏 ， 王联 书 ( 国核电力规划设计研究 院 ， 北京1 0 0 0 9 4 ) 摘要： 根据 目前国内火电厂辅助车间控制系统的实际应用情况 ， 分析了辅助车间不同控制系统的特点 ， 比较了现场总 线控制系统和传统分散控制 系统 ( D C S ) 、 可 编程 控制 器 ( P L C)控制 系 统。以锅 炉 补给 水处理 系 统为 例 ， 提 出了基 于 P L C的现场总线控制系统的控制方案， 进行了技术经济分析。 关键词： 辅助车间； 控制系统； 现场总线技术 ； 智能现场设备 中图分类号： T M 6 2 1 6 文献标志码： A 文章编号： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 0 ) 1 0 0 0 3 1 0 3 0 引言 随着发电企业进入信息化时代 ， 对火 电厂 的数 字化和网络化提出了更高的要求 。火 电厂数字化的 深度和广度直接影 响火 电厂信息化的水平 ， 从而影 响电厂的经济效益 。 火电厂控制和管理系统可分为 3级 ： 厂( 管理 ) 级 S I S MI S( S u p e r v i s o r y I n f o r ma t i o n S y s t e m Ma n a g e - m e n t I n f o r ma t i o n S y s t e m) ， 机组 ( 车间 ) 级 D C S P L C ( D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m P r o g r a m m a b l e L o g i c S y s t e m) 和现场设备级 。随着火 电厂控制系统的迅速发 展 ， 机组( 车间) 级已经实现 了全数字化 ， 厂 ( 管理 ) 级也有 了飞速 发展并 不断完 善 ， 普遍 建立 了 S I S M I S管理系统 ， 配置 了实时数据库 、 故 障诊 断、 状态 检修 、 性能优化 、 设备管理等监控和管理等软件。但 由于传统的 D C S P L C管理系统是模拟量 、 开关量 、 数字量混合系统信号制 ， 而且是单向的， 只能从传统 的现场设备 中采集到传统 的用于过程控制 的信息 ， 而诊断和维护信息却无法采集 ， 制约 了企业信息化 的发展 ， 从而影响 了企业过程监控 、 管理信息化 的实 现 ， 使其在电力市场竞争中陷于被动。 现场总线技术所具有的数字化和双向通讯的特 点 ， 使得现场设备 与电厂控制管理系统之 间的数字 通讯成为可能 ， 为电厂实现辅助车间的全数字化控 制创造了条件。 1 国内电厂辅助车间控制系统综述 1 1 可编程控制器 +上位机组成的控制系统 目前 ， 绝大多数火 电厂 ( 如托克托电厂 、 王滩电 厂和宁夏大坝电厂等) 的辅助车间采用可编程控制 器 P L C ( P r o g r a mm a b l e C o n t r o l S y s t e m)+上位机组成 收稿 日期 ： 2 0 1 00 6 2 1 的控制系统， 在此不一一列举 。 P L C控制系统的监控软件是实现全厂辅助车间 联 网控制的核心 ， 所有子系统 、 就地集中监控点和辅 助车间集 中监控系统的上位机监控软件必须选择高 性能、 可靠 的统一产 品 ( 如 I F I X或 I N T O U C H 等) 。 网络结构及通讯协议 ( 如 T C P I P) 的选择是实现联 网的关键 问题 ， 是网络实时性和可靠性的保证。 ( 1 ) 由于各工艺设备厂家及系统集成商对 目前 常用的 P L C系统比较熟悉 ， 系统集成、 组态 、 调试 的 经验较多 ， 系统实施 比较容易。 ( 2 ) 目前 ， 一些 大型 P L C系统均能提供顺序控 制、 过程控制 、 传动及运动控制的统一控制平台 ， 且 具有高速 、 灵活的通讯功能和功能强大的输入 、 输出 能力。 ( 3 ) 辅助车间工艺 系统以顺序控制和单个对象 的开关量控制为主， P L C系统 因具有对开关量的快 速处理能力 ， 对于这些控制具有独特 的优势。 ( 4 ) 辅助车 间工艺 系统物理位置分散 ， 采用不 同处 理 能 力 的 P L C处 理 器 ， 可 实 现 资 源 的合 理 利用 。 ( 5 ) 目前 ， 一些大型 P L C系统采用分 布式通讯 网络 ， 不同网络层面、 不 同系统之间的通讯无需处理 器参与 ， 实现了控制任务与通讯任务的分离 ， 为提高 电厂辅助车间控制系统的可靠性和系统重构能力提 供 了依据 ， 同时还简化了程序开发工作 。 1 2 采用国产分散控制系统 目前 ， 在火电厂辅助车间大规模采用 国产 D C S ( D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m) 实现辅助车间各系统控 制 已成 为可 能。如 国电 电力庄河 发 电厂 ( 26 0 0 MW 机组 ) 、 山西 同华 电力有 限公 司轩 岗电厂 ( 2 6 6 0 MW 机组) 及 国电电力大 同第二发 电厂等均采 用国产 E D P F N T系统实现辅助车间的控制。M A C S 系统也在湖南创元发电有限公司和广东佛 山市南海 3 2 华 宅裁 术 第 3 2卷 发电厂等电厂的辅助车间得到 了应用。大唐南京发 电厂扩建 的 26 6 0 MW 机组和 同煤塔山等均采用 N T 6 ( ) ( 】 O系统。 ( 1 ) 如果辅助车问的 D C S能与单元机组 的 D C S 选型一致 ， 则真正实现了全厂控制系统一体化 ， 减少 了备品( 备件) 的种类 ， 降低 了运行 、 维护成本。但 由于辅助车间工艺系统物理位置分散 ， 而进 口 D C S 的控制器 功能越来 越强 大 ， 很 难 实现 资源 的合理 利用。 ( 2 ) 目前 ， 几家主流国产 D C S还不具有现场总 线技术的应用业绩 ， 所以， 在以后章节 中论述的现场 总线控制系统都是基 于 P L C的现场 总线控制系统 F C S ( F i e l d b u s C o n t r o l S y s t e m) 。 2 F C S与 D C S P L C的差别及国 内应用业绩 2 1 F C S与传统 D C S P L C的差别 ( 1 ) F C S继承 了 D C S P L C分级 的、 层次化 的拓 扑结构 ， 通过将控制功能和 I 0移至现场设备 ， 使控 制系统分散得更加彻底 ， 可降低安装成本 ， 减少安装 材料 ( 如电缆和桥架等) 的用量。 ( 2 ) D C S P L C的信号制是模拟量 、 开关量 、 数字 量混合 的信号制 ， 而且是单 向的， 而 F C S是全数字 、 双向通讯。 ( 3 ) D C S P L C的现场设备是模拟式的变送器和 执行机构等， 而 F C S使用 的是全数字化 、 智 能多功 能现场设备 ， 除能输出数字化的工艺参数外 ， 还能输 出数字化的状态信息和诊断信息 ， 使控制系统对设 备的管理和维护功能从传统的 I O子系统扩展到现 场设备 ， 使控制和管理变得更加透明化。 ( 4 ) 由于一条现场总线网段可 以挂接 多台现场 设备 ， 任何制造商的设备 ， 只要遵循现场总线标准 ， 就可以实现互操作。 由此可见 ， F C S使得智 能现场设备 与控制 系统 之间的数字通讯成为可能 ， 为电厂信息化的建设 、 为 电厂的全面绩效管理提供了强大的数据基础平台。 2 2 现场总线技术在国内电厂辅助车间的应用业绩 目前 ， 现场总线技术在 国内大容量机组火 电厂 辅助车间已经有一些成功应用 ： 华能玉环电厂 的锅 炉补给水处理 系统 和工业废水处理 系统的控制系 统 、 华能金陵电厂的锅炉补给水处理系统和三河 电 厂二期工程的热网系统的控制系统均采用了现场总 线技术并 已投产。 3 辅助车间现场总线控制方案及技术经济分析 现场总线技术 的核心是总线协议 ， 是实现开放 和互操作的必要条件 。火 电厂控制系统应能综合使 用各 种 主 流 总 线 技 术 ， 包 括 F o u n d a t i o n F i e l d b u s ( F F ) ， P r o fi b u s和 D e v i c e N e t 等 ， 实现系统 的高可靠 性 、 高可用性 、 先进性和可扩展性。 目前 ， 国内应用 较多的支持现场总线 协 议的 P L C厂 家主要 有 S i e me n s ， AB和 F C S一1 6 5 。 现场总线技术 的基础是智 能现场设 备， 是现场 总线的硬件支持 ， 双 向数字通讯的基础载体。 目前 ， 国产智能变送器 、 进 口智能分析仪表 、 进 口电( 气 ) 动执行机构 、 进 口阀岛以及用于 MC C控制和保护的 进 口S i m o e o d e等都支持现场总线协议。 下面以某 电厂 的锅炉补给水处理系统为例， 分 析辅助车间现场总线控制方案。 3 1锅炉补给水处理 系统的现场总线控制方案 3 1 1 工艺系统概况 锅炉补给水处理系统 主要包括超滤 、 反渗透预 处理系统 、 一级除盐 +混床离子交换除盐处理系统。 工艺系统主要包括生水收集提升系统 、 生水加热、 膜 前预处理 、 超滤处理及其辅助系统 、 反渗透处理及其 辅助系统 、 膜处理产品水储存系统、 一级除盐 +混床 的离子交换除盐处理 、 离子交换器再生系统 、 酸碱废 水输送系统和辅助空气系统等。 3 1 2 现场总线控制方案 锅炉补给水系统现场总线控制系统的控制器采 用 1对冗余控制器。对于西门子 的 P L C方案 ， 通过 2条光电耦合器组成的现场总线环形光缆网 ， 协议 为 P r o fi b u s D P ， 该 总线连接 至现场 ， 通过分 控制站 YL I N K或D P P A L I N K分别转换为 P r o fi b u s D P或 P A协议 ， 与智能现场设备及仪表相连。 对于 A B P L C现 场 总线 方案 ， 通过 双 绞线 将 C o n t r o l N e t 连接至就地 ， 通过 C o n t r o l N e t 协议或 D e v i c eN e t 协议分别与阀岛、 变频器及 MC C相连， 其他现场仪表或设备均采用远程 I O加 H a r t 协议 方式接至 P L C。 3 1 3 智能现场设备的接口要求 智能现场设备的接 口要求见表 1 。 3 2技术经济分析 下面分 析采用现场总线后对投资 费用 的主要 影 响 。 3 2 1 辅助车间 P L C系统 采用现场总线技术后 ， 辅助车间 P L C的 I O卡 件减少 了， 但增加了智能现场设备的管理软件 、 现场 总线电缆 、 现场总线连接器 、 现场总线就地接线箱以 及现场总线供 电模块( 包 括电源调整器 ) 、 现场总线 通讯模块等构成现场总线控制系统必需的设备和材 料 ， 经调研并综合考虑这些因素 ， 采用现场总线技术 后 ， P L C的设备费与全部采用传统 P L C基本持平。 第 1 0期 马玉敏 ， 等 ： 现场总线技术在 电厂辅助车间的应 用 3 3 表 1 智能现场设备的接 口要求 3 2 2 智能现场设备 智能现场设备 与传统现场设备相 比， 主要增加 了支持现场总线协议 的通讯接 口， 而不同的现场 总 线协议 ， 智能通讯接 口的价格也不 同， 为 了对采用现 场总线技术 而引起 的投资的变化有一个初步 了解 ， 对主要现场设备引起的价格变化做了估算 。 ( 1 ) 智能变送器 。智 能变送器 的每个智能通讯 接 口按增加 2 0 0 0元估算 。对于温度测量来说 ， 增加 了整台智能 型温度变 送器 的费用 ， 每 台约为 7 0 0 0 元 。带 Ha r t 协议的变送器不增加费用 ， 目前绝大部 分 电厂的智能变送器都带 Ha r t 协议。 ( 2 ) 智能分析仪表。每台智能分析仪表 的通讯 接 口增加 的费用按 1 3 0 0 0元估算。 ( 3 ) 开关型气 动执行机构。电磁 阀采用 阀岛来 实现现场总线 的控制 ， 每个 阀岛可以接 8l 0路气 动执行机构。经调研 ， 采用 阀岛和采用进 口电磁阀 和电磁阀箱 的综合价格基本持平。 ( 4 ) 电动机和变频器。用于 MC C控制和保护的 S i mo c o d e 、 E 3等也为进 口产 品， 每台智能型电动机保 护器( 3 8 0V A C) 大约为 1 2 0 0 0元 ， 每台变频器 的智 能接 口大约为 1 2 0 0 0元。 3 2 3电缆和电缆托架 减少的电缆量约为 3 0 k m， 按每 3 0 9 1元 m计 算 ， 约 9 3万元。减少 的电缆托架及其安装 附件约为 6 t ， 按 1 5 8 1 8元 t 计算 ， 约 9万元 。所以 ， 现场总线 技术的使用带来 的电缆和电缆托架 的减少而降低的 费用约为 9 9万元 。 3 2 4 投资费用的估算 表 2为采用现场总线技术后 ， 对主要设备和 电 缆 、 桥架的安装 费用进行估算情况 ， 没有计列调试 、 组态和运行维护引起的费用变化 。 表 2 采用现场 总线技 术后 费用估算 情况 从表 2可以看 出， 对于锅炉补给水系统而言 ， 采 用现场总线技术后 引起 的投资费用将有少量增加。 4 结束语 根据化学辅助车间工艺系统和设备 的特点 ， 目 前在化学水处理系统应用现场总线技术不仅会降低 运行维护成本 ， 而且工程造价也不会大 幅度增加 ， 现 场总线技术在 电厂化学水 处理 系统 的应用是 可行 的， 而且是 比较经济的。 有了全面数字化为基本保证 ， 电厂的信息化 、 网 络化就得以迅速发展 ， S I S MI S数据库得到充实； 设 备 、 元件 的故障诊 断及其寿命预测将会更加准确和 有效 ； 设备 、 机组 、 系统运行得到优化 ； 设备 、 人 员的 管理更加有序 ； 各方面信息 的传达更加畅通 ， 从而使 得企业更有活力 ， 实现高度 自动化和( 下转第 4 5页) 第 1 O期 杨成余 ： 某电厂 6 0 0M W 发电机大修经验浅析 4 5 直阻 、 定子绕组泄漏电流和直流耐压试验 ， 定子绕组 交 流耐压 试验 。 ( 2 ) 发 电机抽 、 穿转子。 ( 3 ) 定子铁心 、 端部压圈及屏蔽环 、 紧固件螺栓 及止动垫片 、 定子风区挡风块及通风孔全面检查及 处理 。 ( 4 ) 退 打定 子槽楔 ， 紧 固检查并 吹扫 、 清理 定 子膛 。 ( 5 ) 定子线棒端部绑扎 、 压紧部位 、 绝缘检查及 进行防磨损处理。 ( 6 ) 定子端部 、 定子出线 、 中性点部位手包绝缘 检查及处理。 ( 7 ) 定子线棒 、 并头 套 、 水接头 、 绝缘引水管等 漏水 、 渗水痕迹检查及处理。 ( 8 ) 定子端部结构件 ( 槽 口垫块 、 间隙垫快 、 适 形材料 、 绑扎带 、 绝缘 引水 管、 绝缘大锥环 、 绝缘支 架、 内外可调绑环 、 径 向支持环及其螺杆螺母 、 汇水 环及固定支架螺栓等 ) 检查及处理。 ( 9 ) 定子 出线 、 中性点 包括 出线套 管 、 接线端 面、 互感器 、 箱罩等清扫、 检查及试验 。 ( 1 0 ) 定子绕组端部模态试验 、 手包绝缘 电位外 移试验 、 定子线棒水流量试验 。 ( 1 1 ) 转子表面 、 转子槽楔 、 平衡重块 、 平衡螺栓 及其他紧固件检查。 ( 1 2 ) 进 行转 子中心 环、 护环风扇 叶片 、 风扇座 环 、 轴颈检查 ， 并进行金属探伤 。 ( 1 3 ) 转子励端拔护环 ， 更换 J 形引线压板 。 ( 1 4 ) 护环下的挡风板 、 绕组 、 绝缘垫块 、 转子导 电螺栓及引线清洁、 检查及处理。 ( 1 5 ) 检查 、 修理转子滑环 ， 更换新碳刷( 注意碳 刷为同一型号、 同一批产品)。 ( 1 6 ) 进行测量转子绝缘 电阻、 直阻、 转子通风试 验和气密试验以及转子交流阻抗和功率损耗试验。 ( 1 7 ) 检查清理励磁通风装置。 ( 1 8 ) 检查发电机励磁引出线 、 出线箱引出线。 ( 1 9 ) 发电机出线箱 2台排氢风机检修。 ( 2 0 ) 汽轮机专业相关人员处理油挡间隙超标 、 密封瓦磨损 、 平衡阀运行不稳等原因造成 的密封油 向机 内泄漏问题。 ( 2 1 ) 运 行人 员 进行 定 子冷 却 水 系统 正反水 冲洗 。 ( 2 2 ) 进行发电机风压试验 、 修后定子绕组绝缘 电阻和吸收比