F4831C-K-12锅炉补给水系统现场总线技术应用专题20121129

F4831C-K-12国电海南西南部电厂工程初步设计锅炉补给水系统现场总线技术应用专题报告中国电力工程顾问集团中南电力设计院2012.11武汉总工程师：郭建项目经理：张枝洲审核：刘香阶校核：靳玉芳编写：李展燕目录1现场总线技术简介及标准....................................................................................12对现场总线技术优点的认识................................................................................23现场总线技术应用中需注意的问题....................................................................44锅炉补给水系统现场总线技术实施方案设想及案例分析................................45现场总线实际应用中需注意的事项..................................................................116总结......................................................................................................................121【内容摘要】上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。随着电厂自动化水平的不断提高，现场总线技术已经在电厂众多工艺流程控制系统中得以广泛应用，其安全、便捷、高效、稳定的工作特性，正受到越来越多用户的关注和认可。国电海南西南部电厂工程作为国电集团在海南的第一个火电项目，按照集团公司关于建设“技术先进、安全可靠、造价合理、资源节约、绿色和谐、循环经济”绿色火电厂的要求，为将本工程建设成“技术一流、经济指标一流、去工业化、绿色环保”示范电站，全面提升电厂自动化水平，降低设计、施工、调试、运行、维护和扩展等方面的综合费用，建议在输煤及锅炉补给水等工艺控制要求和重要程度相对较低的辅助车间使用现场总线技术，为今后现场总线技术在电厂机组控制上的应用积累宝贵的经验。本文将主要对锅炉补给水系统现场总线技术应用做详细分析。1现场总线技术简介及标准1.1现场总线技术简介现场总线是应用于过程控制现场的一种数字网络，它不仅包含有过程控制信息交换，而且还包含设备管理信息的交流。是安装在生产过程区域中的现场设备/仪表与自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。采用数字式通信方式取代设备级的模拟量/开关量信号，使用一根电缆连接所有现场各种智能设备（智能变送器、调节阀、分析仪和分布式I/O单元），过程控制策略可以完全在现场设备层次上实现。相对于传统集中控制方式而言，传统集中控制方式一般是点对点的，即现场设备与控制器之间采用一对一的I/O接线方式。而现场现场总线控制方式则是串行的。现场总线控制系统的建立应该具备两个前提，一是工业级的通信总线，二是所有测控设备都应微机化，具有遵循该通信总线协议的能力。在IEC61158新标准中包含种10种现场总线，以TYPE1-TYPE10来命名：类型技术名称类型技术名称Type1TS61158现场总线Type6SwiftNet被撤消Type2CIP现场总线Type7WorldFIP现场总线Type3Profibus现场总线Type8INTERBUS现场总线Type4P-NET现场总线Type9FFH1现场总线Type5FFHSE高速以太网Type10PROFINET实时以太网在这10种总线中，用于火电厂过程控制的现场总线通常只有4种，而其中技术和市场实力异常雄厚的有2种：PROFIBUS（ProcessFieldbus）现场总线和基金会（FoundationFieldbus：FF）现场总线。这两类现场总线都有全球性的组织，并在我国建立了专委会。PROFIBUS全球会员有1200多个，是迄今为止被2中国国家标准化委员会正式批准发布的中华人民共和国机械行业标准（JB/T1030-2001）。FF有120多个公司的WorldFIP工厂仪器协议，但FF总线因知识产权问题至今不能成为中国行业标准，在国内开发的FF产品因没有测试认证中心，所以必须送往国外的相应机构进行测试。PROFIBUS和FF现场总线系统根据其协议而专用的产品基本上分为以下几类：（1）现场设备：变送器，阀门定位器、接口设备等。（2）主系统：网关桥路控制器、接口卡、组态软件、功能块等。（3）辅件、人机接口：电源阻抗器、安全栅/重复器、操作员接口、CRT终端接口等。（4）维护工具：总线检测软件、现场设备固件下装接口等。1.2本工程现场总线标准的选取在连续生产如电力、石化、化工、冶金等工业过程，总体而言PROFIBUS和FF比较适合。两种总线标准相比，FF可用于连续量控制（取代4~20mA模拟量），而PROFIBUS不仅适合离散量控制，而且也适用于连续量控制。电厂辅助车间的控制对象比较简单，相对独立性强，且多属于顺控、连锁或单参数调节。从现场总线技术的应用经验来看，PROFIBUS总线技术在国内外电厂中有过较多成功的应用，国内山东的莱城电厂、河北三河电厂、广安电厂、浙江宁海电厂等。鉴于上述原因，经过认真比较之后，我们建议国电海南西南部电厂的输煤和锅炉补给水辅助车间控制采用PROFIBUS现场总线标准。2对现场总线技术优点的认识现场总线技术不能只被看作是“数字化的4-20mA”，因为它不仅采用了远程I/O技术，而且也深远地影响了工业现场的所有角落。现场总线的出现，使贯穿于控制系统的各个层次获得了广泛的新功能，例如在现场仪表中实现更多的控制、多变量的测量和传输、基于自查的现场设备维护和管理等等。这些新的功能将为系统生命周期内各个阶段带来实际的效益和利益，从项目早期开始，到实际运行期间，利用总线技术所带来的这些新功能均可实现实质性的成本节约，增加效益和收益，而传统的系统不具备这种能力。2.1互操作性所谓互操作性是指一台设备与其它设备（不论厂家是谁）一起工作的兼容性。与过去相比，互操作性能使来自不同制造厂商的设备在集成时更加方便易用。还能够在一定程度上允许用一家厂商的产品代替另一家厂商的产品，这在不开放的专用协议中是根本做不到的。当产品符合相应的标准和规范，并通过为验证是否遵守这些标准而做的测试后，即可实现该产品与其它符合同样标准的产品之间的互操作功能。在现场总线的定义里，互操作性实验被成为一致性测试。对于PROFIBUS现场总线而言，严格的一致性测试认证能够充分保证跨厂商的系统平台可以稳定的工作。硬件厂商在获得其产品的PROFIBUS认证过程中，产品必须能够和其他厂商的产品良好的协同工作、顺畅的交换数据。目前全球许多国家都建立了独立的PROFIBUS一致性测试中心。2000年中国在北京建立了PROFIBUS测试中心，具备3了向国内PORIFBUS产品生产厂商颁布证书的能力和资格。国内主流的仪表生产商（上仪、川仪）都已经开始开发支持PROFIBUS接口的设备。2.2更强大的系统功能数字通讯最重要的好处之一也许就是能从一台设备通过网络访问另一台设备上所有的参数。因此，现场总线技术有可能到达过去现场设备和主站无法达到的系统功能水平。2.2.1多变量现场输入输出设备以前，一台二线制变送器有一个4~20mA的信号输出，它只能代表一个测量结果。。PROFIBUS总线有足够的速度（最大12Mbps）使每台设备能够实时地传送多个测量值。在同一个双绞线网络上，阀门定位器向主站传送实际阀位的反馈及执行器的压力，同时也接受阀门的设定点，并不需要增加额外的电缆。2.2.2网络化设备管理现场总线技术不仅能够传送过程I/O信号，一个重要的特点是也能够将非过程数据送往总线进行输送。此类数据包括组态下载、远程操作和整定数据以及对设备进行管理所用的参数，如诊断数据和校验数据。操作员可以从工作站观察到工厂内每一台现场总线设备的内部运行情况。这在过去是很难想象的。距离越远，环境越复杂，数字通讯能够体现的好处就越明显。2.2.3分散的功能基于现场总线技术的设备可执行比单纯的输入输出更多的功能。一台变送器不仅能进行测量，而且还可以完成补偿和累计功能；一台阀门定位器不但能对阀门定位，而且还可以完成流量的特性化与过程回路的控制等其它功能。2.2.4更宽的诊断范围在PROFIBUS与FF现场总线中，诊断信息可以动态可见地表示为每个测量参数和操作参数状态。状态告诉操作员和工程师过程值的有效性，使他们更有自信地做出决定。在某些系统中，状态还被用于控制策略。以便能在异常工况下采取特殊措施。2.2.5运行统计预见问题的到来比问题出现后立即被发现更好。利用对影响磨损的因素进行超前指示，预测将更加容易和精确。大多数现场设备测量环境或传感器的温度以确定设备是否在限定的范围内工作。阀门定位器通过跟踪阀杆往复的次数来收集诸如循环动作次数等统计数据，此外它还有一个内置的里程表，由此来预测因密封件摩擦增加而导致的性能下降。2.3精度提高现场总线是用数字信号传输数据的，因此可以克服DCS输入通道中A／D转换、输出通道中D／A转换及模拟信号传输产生的误差，从而提高传送精度。在PROFIBUSPA和FF的所有标量值都采用标准的32位浮点格式进行处理、存储及传送，而全系统则保持着7位的精度。因为数值是浮点格式的并且通常带有工程单位，所以在大多数情况下，不需要进行定标或量程变换。这将会简化和减少组态工作。2.4节约成本现场总线在初期和现在以及将来都能带来大幅度的成本节约，人们对此存在4一些误解。虽然在电缆上的节约是显而易见的，初期现场总线设备的投资会增加，但大多数工程总体投资水平基本持平或略微增加。但成本节约表现在工程设计与安装、施工的费用成本上，以及长期的成本：因有了网络化的设备管理所带来的较低的维护及运行的成本，还有较低的扩建及改造的费用。成本的节约根据所在国家劳动力的成本、工厂的规模与工厂的性质会有所变化。目前，还没有一种标准的方法来计算成本的节约。由于长期的成本节约远大于在采购和安装时期的成本节约，因此，现场总线设备的投资回收非常快。应用现场总线所产生的节省费用，是对控制系统从设计到建设、运行、维护、发展的整个生命周期来计算的。本工程在电厂锅炉补给水车间采用现场总线技术，在电缆节省方面，可能达到60%的一般经验效果。PROFIBUS和FF的设备比常规设备贵，这在事实上抵消了若干现场总线所带来的成本节约，但综合来讲成本的节约仍然是显著的。3现场总线技术应用中需注意的问题目前现场总线技术在我国的应用已取得很大进展，但用户对FCS在经济性，安全性等诸多方面还存在疑虑，制约了其推广。在理解了现场总线优势的同时，工程设计人员应本着实事求是的原则，看到现场总线技术应用存在几个层次上的瓶颈问题：1)通讯速率较低，还不能满足电厂重要保护、联锁、自动的设备需要。2)适合现场总线技术的智能仪表，执行机构价格偏高。3)一旦通讯协议类型确定，现场设备选型范围变得狭窄，不利于现场设备选型。4)现场总线控制技术在电厂应用时间较短，技术人员经验较少，运行维护水平偏低。4锅炉补给水系统现场总线技术实施方案设想及案例分析4.1锅炉补给水系统现场总线技术实施方案设想及案例分析根据调研结果，目前现场总线控制方式在国内电厂锅炉补给水系统应用情况大体如下：华能巢湖电厂锅炉补给水控制应用现场总线控制系统，运行情况良好。秦岭发电公司600MW机组锅炉补给水系统采用超滤、二级反渗透连续电脱盐除盐技术和西安热工院自主研发的FCS-165现场总线控制技术，水处理系统设计出力为每小时130吨。目前运行良好。华能玉环电厂(4×1000MW)在锅炉补给水系统、废水系统中采用PROFIBUS现场总线技术，目前已成功投入运行。我院设计的广