建设真正意义上的数字化电厂.ppt

建设真正意义上的数字化电厂（FCS的作用）1摘要：本文简介数字化电厂，介绍SlS在数字化电厂中的作用，重点介绍数字化电厂的基础FCS。论述FCS用于机组级控制的设计原则及用于1000MW等级火电机组的全数字现场总线控制系统的研发。关键词：数字化电厂 SIS FCS 机组级控制 设计原则2 一、概述 “信息化带动自动化，自动化促进信息化”，信息化的基础是数字化，全面建设信息化电厂的第一步必须首先建成数字化电厂。当前我国火电厂厂级和机组(车间)级这二级已经实现数字化，而现场控制设备级绝大部分尚未实现数字化，其信息化也就无从谈起了。现场总线技术有望解决这一难题。3 数字化电厂的概念是二十世纪末期才开始出现，是在引进国外电厂设备和技术的过程中，伴随信息化技术革命和网络化技术的普及而引入，国内工程技术人员开始认识并进行研究。数字化电厂的概念，是一个动态发展的概念，目前并没有形成完善的统一体系，其实现过程仍处于研究和摸索阶段。有一点是明确的，即：建设数字化电厂的目的是使发电企业效益最大化。4数字化电厂是在传统的火力发电厂的基础上发展起来的，它通过应用一系列先进的科学技术、融入现代化的管理思想，旨在解决火力发电厂管理粗放、水平低下、发电能耗高、污染物(气、水、渣)排放严重、辅助系统运行不稳定、设备故障率高、控制与保护系统投入率低、运行人员多的现状，最终实现火力发电厂现代化的运营和管理，达到企业运营成本最小、发电能耗最低、污染物达标排放、设备可用系数高、人均产值高的目的。5数字化电厂结构模型可以划分为三个层次，两个支持系统，具体是：三个层次分别是直接控制层、管控一体化层、管理决策层；两个支持系统是数据库支持系统和计算机网络支持系统。三个层次，两个支持系统有交叉与渗透，分别在电厂内下列五大系统中体现。6DCS(控制系统一大型电厂基本都采用DCS系统(含：FCS)，故以DCS作为炉、机、电及辅助系统控制系统的“代表词”)SIMU(电站仿真系统)SIS(厂级监控信息系统)MIS(管理信息系统)DSS(决策支持系统)电厂内五大系统中，重点论述SIS的作用与发展瓶颈。7二、SIS一厂级监控信息系统 为说明SIS作用，先介绍MIS,MIS(Management Information System管理信息系统)是数字化电厂建设中的关键系统，主要为全厂运营、生产和行政的管理工作服务，完成设备和维修管理，生产经营管理(含：电力市场报价子系统)、财务管理等功能。MIS包括两个层次的内容：第一是数据传递、汇集的自动化：第二是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，是企业实现利润最大化的最佳决策管理平台。8而SIS(Supervisory Information System for Plant Level)可理解为MIS的一个重要生产过程管理功能模块。SIS是火电厂建立全厂生产过程实时历史数据库平台、为全厂实时生产过程综合优化服务的实时生产过程监控和管理的信息系统。SIS系统一端是底层控制系统(DCSPLC机组仿真系统)，另一端是MIS系统。SIS系统它是数字化电厂达到其最终目的重要“桥梁”。SIS通过下列一些应用模块的运行来实现其功能。92.1 SIS的应用模块 应用模块主要有：(1)实时数据分析与处理模块，这是SIS应用的基本模块。(2)性能计算与能损分析模块，是SIS高级应用功能中最有代表性的模块。(3)工况分析模块，是一种独特的优化运行方法。(4)运行故障诊断模块，代表了一种智能化运行故障诊断方法。(5)吹灰优化模块，是一个实用的优化运行模块。(6)参数劣化分析模块。(7)实用化的负荷优化分配模块。(8)机组运行状态评估模块。1022 SIS的瓶颈 上述SIS模块应用效果如何。目前业内对SIS有一种说法：SIS投资高，效益低，是锦上添花。甚至说SIS纯粹是赶时髦、浪费。支持这说法的依据是：上述SIS应用模块不起作用，SIS目前的功能完全可以分散给DCS与MIS去完成，投资SIS完全没有必要。这一说法是有点偏激，但从另一个角度来看，似乎有点道理。11上述SIS应用模块，即应用软件目前是有不尽人意的地方。原因是多方面的，笔者以为有一点是十分重要的，作为应用软件应该是由关键的两部分组成，一是专家系统，二是实时信息，其中实时信息是基础。没有足够有效的实时信息，任何一个有经验的优秀工程技术人员也很难编制出实用而有功效的应用软件。12SIS是一个准实时监控系统，SIS侧重点是实时生产过程管理和监控，对实时性要求高，SIS的实时性要求比MIS高，比DCS略低。对实时性要求之所以比DCS略低，其原因是SIS应用功能目前大多数是开环的，如果实施闭环，例：电厂负荷非直调方式一中调把全厂负荷发给电厂，电厂按优化分配算法把负荷分配给每台机组。如果SIS中的这一功能真正实现闭环，将取得明显的经济效益。如SIS实施闭环，其对实时性的要求将与DCS相当。13SIS需要的实时信息取自于DCS，由于DCS采用的是模拟量、开关量、数字信号混合系统信号制，而且是单向的，不具备将设备状态的实时信息上传至控制器的功能，SIS也就无法获得这些有用信息，这就是SIS进一步提高功效的瓶颈，也是建设真正意义上的数字化电厂的瓶颈。14FCS系统采用的是全数字、双向通信现场总线信号制，完全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，解决瓶颈，满足SIS需求，也为现场控制设备级实现数字化、建设真正意义上的数字化电厂提供了基础条件。15三、建设真正意义上的数字化电厂-FCS用于电厂机组级控制的设计原则 31应用FCS重在实践 近10年前，西安热工研究院开始从事FCS方面的研究。研究重点在理论研究、试验室实验、运用FCS路径研究及运用FCS政策研究。16在中国华能集团公司的支持下，西安热工研究院在研究、试验的基础上，自主设计、研发和集成了华能玉环电厂1000MW超超临界机组水处理现场总线控制系统。自主开发了中文界面的Profibus现场总线仪表、设备的诊断信息、设备管理软件，该软件已获得国家版权局的“计算机软件著作权”登记证书。17通过工程实践，研究试验成功多家公司的现场总线设备集成在同一FCS上，实现互联、互操，充实了对FCS的理论研究。通过工程实践，首次计算出有实际工程价格的FCS与PLC价格比率(见下表)，对大规模应用：FCS的经费预算有实际的参考价值。18类别 PLC()Profibus()降低比例电缆桥架成本和安装成本对比 100 49.4 50.60 电缆材料成本对比 100 47.3 52.70 电缆敷设、接线成本对比 100 13.72 86.28 I0卡件、控制机柜成本对比 100 112.6 -12.60现场智能仪表升级成本 100 112.2 -12.20 总价比率 100 93 71932电厂机组级控制应用FCS 通过工程实践，取得了开发、设计、调试、运行FCS的第一手经验(含教训)，按早期应用FCS路径研究的成果，应将FCS应用延伸至大容量电厂机组级控制。FCS应用延伸至大容量电厂机组级控制应重点考虑下列原则。1)采用主流现场总线标准 大家都知道现场总线国际标准已由当初制订单一现场总线国际标准的初衷，扩大为8种，进而又扩充至为15种。多标准实际上就是没有标准，但在现阶段它们又是共存的现场总线国际标准。20在诸多标准中，我们认为适用于过程控制的现场总线标准是：FF(Foundation fieldbus)和Profibus两主流现场总线标准。其理由是：一方面这一两总线标准的开发基础分别为DCS和PLC(DCs和PLC皆是针对过程控制)；另一方面这两总线标准的市场份额大，而且配套产品相对齐全。2)重要控制与安全回路暂不考虑采用FCS现场总线技术首次在国内大型机组的主控系统上应用，处于起步阶段，发展要循序渐进，实施方案要考虑缜密，一切要以安全第一为原则，要务必保证安全。21具体：炉膛安全监控系统(FSSS)、汽机数字电液控制系统(DEH)、汽机本体紧急跳闸系统(ETS)、给水泵汽机数字电液控制系统(MEH)和给水泵汽机紧急跳闸系统(METS)等系统对机组安全运行至关重要，其相关设备的控制目前暂不纳入现场总线控制方式，仍采用成熟的常规控制技术。3)马达控制 在遵循第二条原则的前提下，部分马达控制(380V、6kV)采用现场总线控制方式。224)以成熟的DCS为基本系统 该点有两层意义，一是DCS本身技术先进、业绩良好，二是应能与主流现场总线无缝连接，即，无缝嵌入现场总线网络通信模件，形成现场总线的各级网络，连接现场总线仪表、设备，实现数据采集、控制和设备驱动。采用现场总线系统的信息处理、设备诊断和设备管理软件，发挥FCS的本质优越性(该处DCS是指能与FCS无缝结合的DCS系统)。235)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，例：遵循FF协议的就地智能设备，PID等50多种算法的运算功能(控制策略)可以下装至就地智能设备(变送器或者执行机构)中完成，己能满足一般模拟量闭环控制的需求。应该如何利用现场总线的这一功能。首先我们对电厂机组级控制对象分级控制进行研究，其研究结果如下表：2425从理论上讲，对于执行级与简单功能组级的控制系统(回路)，完全可以将控制策略下装至就地智能设备之中。而对于一般功能组级的控制系统，经分析，一般功能组级的控制系统中，有近5060的控制系统也可以下装到就地智能设备之中。这样，将有：63.9+(27.75027.760)=63.9+(13.9 16.6 )=77.880.526上述分析结论是：将有77.880.5的控制系统(回路)可以将控制策略下装到就地智能设备之中。在这里有几点说明：a控制策略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，也省去了大量的设计工作量。应看到，控制策略下装到就地智能设备之中的控制系统(回路)都属于较简单的控制系统(回路)，因此，它们所占控制器资源与它们的数量之间并不成1:1的比例。27b控制策略下装到就地智能设备之中，将会增加网段总线通讯负荷率。c从经济性考虑，现场总线的就地智能设备一般情况不采取冗余配置，因此，应兼顾上述第二条原则。进一步说明：常规DCS及多数PLC系统，其控制器皆为热备冗余配置，如果以2个现场总线的就地智能设备构成一个简单控制回路，其控制回路运行的安全系数简单的讲为常规DCS及多数PLC的12。对于复杂系统需要在多台智能设备之间进行信息交换，才能构成控制回路，系统可靠性降低。安全系数降低到怎样的数量级是可以接受的，要针对系统在机组中的安全等级、跨工艺区域情况及网段总线负荷率等详细分析与计算而确定(略)。28对于300MW、600MW、1000MW机组，其控制系统(回路)数量不等，上述电厂机组级控制对象分级控制研究结果，在具体数据上可能略有差异，但按分级控制原则划分的各级控制系统(回路)所占比率大致相同。从“几点说明”中我们应体会到，现场总线的就地智能设备具备控制功能，应该如何利用现场总线的这一功能，应视具体工程情况通盘考虑，权衡利弊。296)辅助车间(系统)辅助车间(系统)全面推广应用现场总线系统。一方面是因为已有华能玉环电厂1000MW超超临界机组水处理现场总线控制系统的实践经验，再一方面辅助系统多为开关量顺序控制，PLC有优势，还因为主流PLC均具有成熟的现场总线通讯能力。另一点，对于辅助车间(系统)少量模拟量闭环控制，PLC完全胜任，这是因为今天的PLC已十分成熟与完善，更重要的是，它不断向DCS系统“渗透”，开发了诸多的模拟量闭环控制功能。在一定程度上讲，PLC集开关量顺序控制与模拟量闭环控制于一身。当然，处理开关量顺序控制仍旧是PLC的特点。307)设计确认 作为常规DCS设计，主要依据于I0清单和工艺运行程序，并不重点考虑电缆或设备和接线盒的布置。而FCS设计要考虑现场侧的“详细设计”(例：网段设计)，还包括设备选型，也就说要进行“设计确认”。设计的方案能否实施，要进行调研、试验来确认。318)现场总线网段设计 现场总线网段设计是：FCS用于电厂机组级控制的重要设计要素，应考虑网段总的负载(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、中断器配置、集线器(多路接线盒)数量、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的通信量、电源的容量、总线可分配的地址、每段电缆的阻抗以及工艺信号的危险级别等因素影响。其最终设计结果也应反射至“设计确认”。329)就地智能设备 全面采用遵循现场总线标准的现场总线的智能设备。对于尚无可选品种的现场设备，均采用遵循Hart通讯协议的智能型现场设备。我们曾经定义：在通信和数据传输方面遵循现场总线协议的数字式分散控制系统称之为FDCS控制系统。就是因为该系统没有采用现场总线的智能设备，虽具备传输现场设备状态信息的能力，但没有足够信息可传输。33智能现场设备是FCS的硬件支持、双向数字通信的基础载体、设备状态信息的来源，是现场控制设备级实现数字化的基础条件。10)通讯、兼容试验 玉环电厂实践：虽然遵循同一现场总线标准的设备在理论上，甚至在说明书中，都申称能够实现互联、互操，但在实际工程中并不是简单连接即可实现。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，尚存在一定差异。必须经过通讯、兼容试验。该试验结果也应反射至“设计确认”。3411)通讯速率 德国尼德豪森电厂一期总线通讯速率为500kbps，其工程于1996年开始设计，1998动工，2002年投产，至今已稳定运行5年。二期的通讯速率设计者建议为1.5Mkbps(Profibus-Dp通讯速率可达12Mbps)。在确定总线通讯速率时应注意到，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。3512)DCS招标时间 工程进度安排上，与现场总线系统无缝结合的DCS系统的确定工作一定要提前，即DCS招标要提前做(有别于常规DCS)，只有这样，设计确认与通讯、兼容试验才能顺利进行。36四、用于1000MW等级火电机组的全数字现场总线自动控制系统研究 建设数字化电厂应针对电网的主力机组。在考虑上述设计原则的基础上，还应有必要的硬件、软件与主要功能。今后新建工程将以600MW、1000MW超(超)临界机组为主，其中，1000MW超超临界机组建设也正呈现加速态势，目前订单已达34台。37每台1000MW超超临界机组(包括机组公用)系统合同I0点数在1200013000点间，1000MW超临界机组控制工程已属于工业大系统控制工程的范畴。1000MW级超(超)临界机组安全运行对热工保护和控制系统的依赖度明显增加。一台机组热工保护系统多达650余套，自动控制回路多达170余套，热工保护和控制系统复杂性“从量变产生质变”。38 研发具有自主知识产权的，针对1000MW等级火电机组的全数字现场总线自动控制系统应是建设数字化电厂的主攻方向，并应遵循高起点、高水平的原则。控制系统应具备下列主要功能和主要硬件、软件：391)应是与主流现场总线系统FF和Profibus无缝结合的全数字的管控一体化自动控制系统。2)控制处理器应是超低功耗高性能，其最小控制周期20ms。3)有满足1000MW机组控制系统的专用控制和安全保护模件：汽轮机超速保护模件、汽轮机电液伺服阀控制模件、高速顺序事件记录模件SOE等。40 4)具有针对超临界和超超临界机组控制的专用功能算法。5)控制站不仅能够处理常规I0信号，而且能够直接连接过程控制主流现场总线标准的FF和Profibus仪表、设备，处理现场总线设备的全数字化数据和信息。6)有FF现场总线主站模件，融入自动控制系统中。7)有Profibus现场总线主站模件，融入自动控制系统中。418)有FF现场总线控制系统组态、维护、监控软件，无缝地嵌入系统工程师软件中。9)有Profibus现场总线控制系统组态、维护、监控软件，无缝地嵌入系统工程师软件中。10)有能够管理10万以上标签点的实时数据库，数据实时刷新速度1秒。11)有管理10万以上标签点的历史数据管理系统，能够存储1000MW机组1年的数据，并能够检索任何时刻、时段的数据。4212)具有基于现场总线网络、仪表、设备的信息、诊断、分析和管理软件，充分利用FCS双向数字通信现场总线信号制的技术功能。13)具有针对1000MW等级火电机组性能优化、控制优化、负荷调度优化、维护管理优化、寿命管理优化等管控一体化软件包。43五、FCS与DCS网络集成 要建设真正意义上的数字化电厂，必须解决现场控制设备级数字化，目前现场总线能完成这一使命。FCS是消灭火电厂“信息孤岛”的最好武器：FCS的现场智能设备能将大量现场信息送上通信网络，这是DCS、PLC无法实现的。44但是，DCS经历了30年的发展，技术日益成熟，DCS在我国火电厂的应用也走过了近20年历史，得到了广泛应用，取得了丰富的经验，DCS的许多功能，也是目前FCS取代不了的；而DCS双向数字通信现场总线信号制技术本身，不仅是建设数字化电厂的基础条件，同时它也必将会给火电厂安全经济运行及提高管理水平带来实实在在的效益，这一点是过去在电站使用过的任何控制系统无法与之相比拟的。45据上述，我们已经看到DCS、FCS两者各具优势，因此，目前。DCS、FCS联网是必要的，实现FCS与DCS集成网络，构成一个崭新的控制系统。今后的火电厂控制系统将会是：FCS处于控制系统中心地位，兼有DCS系统控制思想和哲学理念的一代新型控制系统。构建真正意义上的数字化电厂。46我国火电厂现场总线控制系统应用提速 2003年12月，基于国外实践和国内莱城电厂、夏港电厂、宁海电厂、海南石化汽电联产工程以及宣威、纳雍和张掖电厂的实践，我国专家侯子良教授级高级工程师在中国电力上发表推广应用现场总线，全面实现火电厂数字化一文，经过一段时间酝酿，近二年FCS的推广应用速度明显加速。472006年华能玉环电厂41000MW超超临界机组的水处理系统全面采用PROFFIBUS现场总线控制系统，并于2007年3月24日通过专家鉴定，专家结论为：“现场总线控制系统可以在辅助车间推广应用”。近二年已有近十个工程的脱硫系统和水处理系统中应用FCS。目前中国华能集团公司在已取得的实践经验基础上，正在为金陵、九台两个电厂的机组控制系统中应用FCS开展一系列工作。这标志着我国火电厂推广应用FCS的速度开始加快。情况显示，中国华能集团公司在推广应用现场总线加快实现火电厂数字化方面走在前列!482007年中国电力科技奖揭晓2007年中国电力科学技术奖於2008年1月15日经过中国电力科学技术奖励评审委员会下设的电气、水电、火电专业评审组推荐、以及2008年1月22日评审委员会的最后评审投票，获奖项目已正式揭晓，其中涉及发电专业自动化项目的一等奖一项、二等奖一项、三等奖六项，共计八项，这是自动化项目列来获奖最多的一年。具体奖项如下：4950华能集团现场总线技术交流会2007年9月，华能集团公司针对金陵电厂、九台电厂等两个工程邀请了西门子公司、西屋公司和英维思公司就应用现场总线控制系统组织了技术交流会，三家公司分别介绍了各自的现场总线控制技术和产品，以及国内外应用业绩。这一系列会议标志着华能集团正在将现场总线控制技术的应用在玉环电厂化水车间基础上，从广度和深度两方面进一步向机组应用现场总线控制系统推进。51现场总线基金会参与无线技术合作项目现场总线基金会与HART通信基金会和Profibus用户组织(PNO)一起，在加工和过程工业联手推出无线技术合作项目。新推出的项目是这三家组织在电子设备描述语言(EDDL)方面成功合作的延续举措，而且是向自动化最终用户提供可靠功能的又一步骤。52三家组织作为项目组的成员，将共同制定一个无线网关用公共接口的技术规范。此项工作将以HART通信基金会的无线HART技术和新发布的ISASPl00.11a标准为基础。项目开展的工作将包括推出自动化行业内过程测量与控制应用中与智能现场设备实现无线通信的使用案例、要求和技术规范。三家组织继EDDL方面的合作后，也已同意共同推出一套适用于各自产品注册程序的符合性指南。53将无线技术引入加工和过程工业将要求供应商、最终用户和国际标准化机构提出一些技术问题。现场总线基金会、HART通信基金会和Profibus用户组织在确保与各方现有的有线技术兼容的同时，正在共同制定一个公共的开放标准。三方合作的目的是要在工业自动化领域推广无线技术。如要了解该项目的最新动态，请访问wwwfieldbusorg网站。54