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。

(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。　　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。[!--empirenews.page--]

(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。

(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。