杨新民--现场总线控制系统在火电厂的应用(温州).ppt

1、现场总线技术在火电厂的应用,西安热工研究院有限公司,主 要 内 容,现场总线简介 现场总线控制系统优点 国内外火电厂应用情况 现阶段现场总线范围选取原则 现场总线系统设计原则 现场总线控制系统安装技术 现场总线设备和仪表选型 经济性比较 目前主要存在的问题,1. 现场总线简介 1.1 定义 国际电工委员会IEC1158定义： 安装在制造或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、多点通信的数据总线称为现场总线。,或者：它是一种局域网(LAN)。现场总线是以单个分散的数字化、智能化的测量和控制设备作为网络节点，用数据总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统

2、与控制系统。,1.2 现场总线的核心和基础 现场总线的核心总线协议 不同类型的总线，其核心是不同的“ 总线协议”,协议的本质是“ 标准”。 总线协议技术是系统的，有完整的硬件和软件支持，能够形成系统和产品。 总线协议的标准化是实现开放、互操的前提。 总线协议的基本原理都是以解决双向串行数字化通信传输为基本依据。 现场总线的基础智能现场装置 遵循统一的总线协议，实现双向数字通信。 具有多种智能化功能，增加现场级的信息处理和控制能力。,1.3 现场总线与IT 计算机网络技术的区别 实时性：FCS响应时间0.012s；IT网络响应时间26s,大多可忽略实时性。 通信方式：FCS网络使用相对固定的方式

3、（广播和多组）；IT网络只建立暂时的一对一方式。 环境要求：FCS网络在恶劣环境下数据传输的完整性，要求本质安全性 能；IT网络无严格要求。 通信量：FCS通信量小，信息流变物流、能量流、动作流；IT网络通信量大，只是信息流。 通信可靠性：FCS网络采用严格的通信差错检测和控制；IT网络要求较 低。,1.4现场总线通讯协议模型 协议分层：大多数网络软件按分层结构组织。网络体系结构是指：划分层次、每层功能、层间接口及相同层次通信的协议。 ISO7498标准的OSI分层模型：ISOOSI标准用于信息技术 和邮电通信的国际标准化组织（ISO）制 定的开放系统互连（OSI）七层参考模型,网络管理,用户

4、层,物理层： 提供机械、电气、功能性和规程性的位流传输； 通信速率32.25kb/s、1Mb/s、12Mb/s等； 现场总线段的现场装置数； 现场总线的导线媒体：双绞线、同轴电缆、光纤。 数据链路层： 提供媒体送取控制和逻辑链路控制，通信“交通管理”：令牌、主从、非调度/非周期通信； 收/发帧管理：对帧信号的控制，检验传输差错； 实现通信的实时性、确定性和优先级管理。,应用层： 提供应用、应用管理和系统管理的分布式信息服务。 主要有通信功能、特殊功能以及管理控制功能。 用户层： 提供现场智能装置控制功能和互操作性。 标准功能块（FB）：为现场智能装置提供的AI、AO、PID等 装置描述（DD、

5、EDDL）：类似于装置的驱动软件，允许不同厂商的装置连在同一现场总线实现互操。,1.5 IEC现场总线国际标准IEC61158,国际三大现场总线组织 1. 基金会现场总线FF（Foundation fieldbus）：美国公司为主的国际性组织。 2. Profibus组织：德国和欧洲一些国家公司为主的国际性组织。 3. WorldFIP组织：法国、北美等国公司为主的国际性组织。,采用的8种类型 类型1 IEC技术报告(即FF H1) 类型2 Control Net (美国Rockwell公司支持) 类型3 Profibus (德国Siemens公司支持) 类型4 P-Net (丹麦Proces

6、s Data公司支持) 类型5 FF HSE (即FF H2，美国Fisher Rosemount公司支持) 类型6 Swiff Net (美国Boeing公司支持) 类型7 World FIP (法国Alstom公司支持) 类型8 Interbus (德国Phoenix Contact公司支持) 类型3 、2改进型： 类型9 Profinet (西门子等公司和Profibus组织支持) 类型10 ControlLinks (美国Rockwell等公司支持),新增型 IECTC17B通过的3种现场总线国际标准： 类型11 SDS （Smart Distributed System） 类型12

7、ASI （Actuator Sensor Interface） 类型13 Device Net ISO11898通过的 类型14 CAN（Control Area Network）。 所以一共有14(或12)种之多。品种过多，而且不符当初制订现场总线国际标准的初衷，因为那时候的目标是制订单一的（Single）现场总线国际标准(目前还在变化)。 我国拥有自主知识产权的现场总线国家标准EPA拟被列为新的国际标准。,1.6 适用于电厂过程控制的现场总线 基金会（FF）现场总线(有带控制功能的智能现场装置) Profibus现场总线(尚未开发用于闭环控制的功能块) HART协议（现场总线雏型）,1.7

8、 FF 现场总线 通信模型： 物理层低速总线H1：31.25kb/s，1900米 高速总线HSE(H2)：1，2.5 Mb/s，750 米，500米 16个设备 数据链路层通信栈 调度/周期通信：按传输时间表，有规律的“ 广播”通信方式。 非调度/非周期通信：令牌通信方式。 用户层-标准用户程序模块 功能块：10个标准功能，19个高级控制功能，4个附加功能块及柔性功能块。 设备描述DD：实现互操性的重要环节(EDDL：增强型设备描述语言)。,1.8 Profibus现场总线： 物理层DP、RS485传输，9.6k 12Mb/s(传输距离直接影响速度,12M/100米，1.5M/200米，0.5

9、M/500米，9.6K/1200米) -PA为IEC1158传输，31.25kb/s 31-125个设备 数据链路层采用一致的总线存取协议：令牌和主从 令牌：主站与主站之间通信 主从：主站与从站之间通信 用户层-实现不同厂家设备的互换和互操 电子设备数据文件（GSD、EDD）,1.9 HART 协议 可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议（Highway Addressable Remote Transducer) 在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。 通信介质：屏蔽双绞线或同轴电缆，最远距离1500米,。,2. 现场总

10、线技术的优势： a. 系统结构简单，拓展容易。 b. 可组态设备实时状态和诊断显示、报警等，快速发现设备故障位置、原因，快速维修，节省人力和提高系统可用性； C. 采用设备管理软件，记录和积累设备运行状态、诊断信息，预测设备故障，提前维护，降低故障发生率； d. 综合实时和历史数据，开发有针对性的软件，能够实现“状态维修”、“性能优化”、“寿命评估”等,现场总线控制系统 DCS+现场总线技术 PLC+现场总线技术,管理决策层：MIS、DSS,管控一体化层：SIS、SIMU,生产过程监控层：DCS、PLC,现场总线设备,数字化电厂的基本概念,现场总线控制系统的总体结构,现场总线技术应用于设备层

11、火电厂控制和管理系统可分为3级： (1)厂(管理)级(SIS、MIS等)； (2)机组(单元、车间)级(DCS、PLC)； (3)现场设备级(执行机构、仪表等)。 对应控制系统(DCS、FCS)网络3层： (1)信息层； (2)控制层； (3)设备层。 目前，无论是DCS还是FCS，在信息层以及控制层与信息层之间全都采用工业以太网进行信息传输。所不同者是设备层以及控制层与设备层之间的信息传输。,就地,现场通讯柜,现场总线应用特点连接简单,现场总线仅依靠两芯电缆以数字信号方式与链路上所有的现场设备进行数据交换,替代传统硬接线点到点以模拟信号方式(4-20 mA / 0-10V / DC24V)

12、监控现场设备,Can you already see the benefits of Profibus?,现场总线应用特点增加信息,现场总线应用特点增加信息,传统 DCS,Profibus DCS,3. 国内外应用情况 FF现场总线系统在墨西哥电厂应用 电厂名称：MAZATLAN 容量：158MW机组，500T/h锅炉，压力150kg/cm2 应用范围：锅炉燃烧控制；双风机控制；氧量校正；三冲量给水控制；除氧器水位控制；报警系统 应用FCS的优越性： * 比采用DCS或PLC降低成本45 * 三周完成系统安装和调试 * 运行12个月无故障 * 基本免维护 * 改善了锅炉控制的响应性能,Prof

13、ibus现场总线系统在德国电厂应用 电厂名称： Niederaussem（尼德豪森） 容量：1012MW，超临界，压力27.0MPa 控制系统：DCS与FCS相结合DCS控制器实现逻辑运算、控制策略。变送器、执行器等采用现场总线设备。 现场总线设备：变送器-HART协议 气动阀门(电磁阀智能接口):Profibus-DP,670台 气动阀门定位器：Probibus-PA，957台 电机起动开关设备(SIMOCODE马达接触器的智能接口，电机控制及保护单元。)： Profibus-DP,721个 SIPOS 5 Flash型电动执行机构：PROFIBUS-DP，698台 仪表诊断和管理：PDM软

14、件,意大利Edipower电厂联合循环机组全面采用FCS； 美国Nebraka电厂660MW机组全面采用FCS； 印度的Reliance项目中CPP电厂等,中国第一个局部采用现场总线技术的电厂 2002年9月华电莱城电厂（2 300MW)机组投运，机组160台电动机采用智能监控设备和Profibus现场总线技术。,国内电厂局部应用现场总线技术 连云港新海电厂200MW机组，采用了Profibus-DP接口的电动调节阀； 江阴夏港电厂330MW机组及其脱硫、辅助车间的380V电动机采用了 Profibus-DP接口的电机控制和保护单元(SIMOCODE),共346台； 邹县电厂1000MW机组采

15、用了130余台FF现场总线智能仪表； 国华宁海电厂600MW机组闭式循环水系统采用 Profibus-DP接口的电 机控制台 2006年 ，海南石油化工气电联产工程（小型自备电厂）采用CS- 3000分散控制系统，除保护外，均采用智能仪表，FF现场总线。,国内火电厂首套完整的FCS在华能玉环电厂建成 2006年投入运行的华能玉环电厂水处理FCS，采用Profibus现场总线技术，集成了DP、PA网络及现场总线设备，开发了信息和诊断功能。是国内火电厂首套完整的FCS。,火电厂辅助车间FCS迅速推广 巢湖、河源、平海等电厂建成了水处理FCS，范围和功能比玉环电厂更扩大。九台、金陵电厂辅助车间全面采

16、用FCS，国内其他单位也开始在电厂水处理系统采用FCS，如山西漳山电厂。,海水脱硫系统FCS投运 华能海门电厂21000MW机组海水脱硫系统设计8个Profibus-DP网段，连接67台设备；6个FF-H1网段，连接40台仪表。,湿法脱硫系统FCS投运 国华宁海电厂21000MW机组脱硫硫系统控制中采用Profibus现场总线,现场总线设备共418台，其中电动执行机构233台，变送器76台，低压电气设备87台，其他仪表22台。,华能九台电厂2 660MW超临界机组 主控系统：单元机组19对控制器，公用2对控制器。 在9对主控制器中设计了： 23个Profibus-DP子网段、现场总线设备196

17、个 22个Profibus-PA子网段、现场总线设备197个 涵盖工艺系统： 34个 现场总线设备种类：11种 辅控系统在3对控制器中设计了 44个Profibus-DP子网段、现场总线设备261个 13个Profibus-PA子网段、现场总线设备137个,单元机组主控配置23对控制器、公用系统2对控制器。 其中在21对主控制器中设计了： 36个冗余Profibus-DP子网段、11个非冗余Profibus-DP子网段、 现场总线设备358个； 83个Profibus-PA子网段、现场总线设备629个； 涵盖工艺系统25个，现场总线设备种类13种。 辅控系统设计了 23个Profibus-DP

18、子网段、现场总线设备151个 13个Profibus-PA子网段、现场总线设备102个。 脱硫控制系统设计了42个Profibus-DP子网段、现场总线设备128个 24个Profibus-PA子网段、现场总线设备86个,华能南京金陵电厂2 1000MW机组,鲁能鸳鸯湖电厂600MW超临界机组主控系统 Profibus-DP: 10个子网段，30个现场总线设备（26台电动门，4个380V开关） FF:25个子网段，97个变送器,神化胜利电厂600MW 陕西秦岭发电厂600MW 华能莱芜电厂1000MW 华电仪征燃机电厂,现场总线变送器,冗余DP总线连接的现场总线阀门,现场总线气动电磁阀,电机信

19、息,阀门信息,SIPOS,ROTORK,AUMA,EMG,阀门信息,需要维护设备清单,4. 现阶段现场总线范围的选取原则,需要统筹兼顾工程风险和技术创新二者的综合效益 1. 对锅炉、汽机的运行安全有重大影响的系统，采用常规DCS方式 2. FSSS、DEH、MEH、BPC、ECS、 SOE、TSI采用常规DCS方式 3. 所有6kV电机采用常规DCS方式 4. 所有IDAS信号均采用常规方式，通过通信模件进入DCS 5. DAS从现场直接采集的信号尽可能采用FCS的仪表、设备 6. SCS、MCS系统中部分子系统的设备采用FCS 7. 保护和重要控制回路的420mA变送器的仪表宜选择具有HAR

20、T协议的变送器,5. 现场总线控制系统设计原则,1. 现场总线设备按工艺系统功能区设计，保持区域自治的原则，使控制器间的通信量最少，减少主控网的通信负荷。 2. 为保证每个区域监控功能的实时性及合理的组态，每对控制器（站）应既可配置常规I/O，又能配置PROFIBUS现场总线接口。 3. 凡涉及保护和重要联锁的420mA信号采用具有HART协议的常规 I/O模件 4. 相对集中的主/辅机的温度测点，采用远程I/O或智能前端、或带有PA总线接口的温度测量智能装置,5. 在应用软件开发期间，充分考虑接入现场总线设备的扫描周期和相应控制器的控制周期的适应性，以保证满足实时响应时间 6. 系统中检测同

21、一工艺参数的2个或3个测点，分别接入不同的现场总线分支。 7. 对于接入PROFIBUS-DP总线的变速控制设备，电动机的控制和保护（开关量控制）及变速控制（模拟量控制）挂接在同一PROFIBUS-DP网段。 8. 对于对称配置（运行/备用）的设备，连接在不同的PROFIBUS-DP网段。 9. 对于同一对象的不同参数现场总线仪表，接到现场总线的同一网段,10. PROFIBUS-DP总线，无论现场智能设备是否提供冗余总线接口，DCS控制站和PROFIBUS-DP现场总线通信采用冗余方式。 11. 现场总线设备的组态，要充分考虑现场总线通信接口及现场仪表的维修的方便性。即挂接在同一分支的设备故

22、障维修，将不影响挂接在这一分支的其他设备的正常运行。 12. 现场总线网段的设计考虑网段总的负载(风险管理、备用容量、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、规格及配置等因素。,13. 每个PROFIBUS-DP总线网段通信速率不宜过高，500k bit/s较适宜，既能够满足绝大多数对象的实时性要求，也具有较好的抗干扰能力 14. 每个PROFIBUS-DP总线子网段连接设备数量：不多于15个。 15. 每个PROFIBUS-PA总线子网段连接设备数量：不多于18个。 16. 每个DP主站与DP Y-li

23、nk、DP/PA-link之间距离超过100m，或主站与DP Y-link、DP/PA-link在不同建筑物安装时，应采用光缆连接。 17. 供货的所有现场总线的通信电缆都是经过Profibus国际组织(PI)授权认证的产品。对于供货范围的现场总线的通信电缆要符合相应规范的技术要求。,6. 现场总线安装技术,1.安装中要注意通信电缆的接线方式。 2.注意屏蔽方式，通信屏蔽不同于常规DCS，DP电缆在总线柜和设备现场要双端接地。 3.电缆长度要求：500Kbps速度时一个DP子网段总长度不大于400米，一个PA网段(31.25Kbps)总长度(包括干线和支路之和)不大于1200米。 4.终端电阻要正确接入，且尽量使用有源终端。 5.现场总线电缆和现场设备安装之后应该经过严格测试，电缆线间绝缘电阻、对地绝缘、线间和对地电容以及总线信号的波形测试等应符合总线标准的系统工程设计要求。,选择经过权威部门认证的产品 不同现场总线标准的设备无法互连，应选择相关现场总线国际组织授权部门认证的产品。如Profibus国际组织授权中国的检测部门(北京)可认证DP和PA设备。,现场总线控制系统应提前招标 不同品牌的自动化控制系统可能融合不同标准的现场总线技术，进口品牌如Foxboro、西门子、 Emerson、ABB等，国产品牌如FCS165等。根据控制