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现场总线技术在火电厂中的应用

  
  引言
  作为一种新兴技术,现场总线技术在石化、冶金、化工、楼宇等多个行业有着广泛的应用,随着认识的提高和技术的发展,在电力行业也开始得到了大规模的应用,实践证明,现场总线技术在火电厂的应用能够满足运行要求、系统可靠稳定,能够大大提高现场设备的信息化水平,与火电厂传统控制方式相比较,在运行维护和设备诊断方面具有明显的优势,而且使得全厂管控数字化、全生命周期的设计、施工、运行等方面更为方便,能够大大节约运行维护成本和推进火力发电厂的数字化进程。
  1现场总线的设计原则
  1.1采用的现场总线控制系统自检测功能必须很完善,在生产过程前就能检测出对生产有影响的系统故障,并有自行防止事故扩大的有效措施。
  1.2在系统运行中,某项控制功能不能正常工作时,仅部分影响整个系统的控制性能,而且能够通过人工干预得到改善。
  1.3对影响机组保护和机组安全的系统必须采用冗余性及多样性的测量通道,特别重要的开关量测点要采取三取二的测量方式,重要的调节信号和传统方式一样采用三取中测量方式,重要控制、保护系统的电源采用能够自动切换的双路供电电源,并且分别来自两路不同的UPS。
  1.4控制系统和控制设备的单个故障要求不会影响机组的正常工作和机组保护系统的失效,若控制器或卡件发生故障,其控制对象必须处于安全位置。
  1.5控制系统的配置体现工艺设备的冗余配置情况,不因单个故障造成运行设备故障,不会导致备用设备失效。
  1.6在设计现场总线网段时,总网段总线的电流负载、干线长度、总线型号、支线长度、总线电压降必须和现场总线设备数量相匹配,并选择合理的拓扑结构形式。
  2现场总线的架构及网段
  2.1现场总线架构
  现场总线架构的选择与控制系统的结构是密不可分的,现场总线的拓扑结构共有4种:总线型、树型、菊花链型和点到点型。在火电厂现场总线系统网络结构的设计过程中一般尽量采用总线型和树型的拓扑结构,或者将总线型和树型的拓扑结构混合起来使用。总线型的拓扑结构是由一条干线和连接在干线上不同点的若干支线所组成的,干线的两端设有终端器;树型的拓扑结构是由一条干线和连接在干线端点上的若干支线组成的,与总线型拓扑结构相同,在干线的两端需要设终端器;菊花链型拓扑结构和点到点型拓扑结构由于它们各自的特点在电厂不推荐使用。
  2.2现场总线的网段
  网段的设计对火力发电厂现场总线控制系统安全运行至关重要,除了要考虑机组现场总线设备的数量、地理分布、功能和各工艺系统外,还要通过各设备现场布置位置和其隶属工艺系统的相关性进行网络分段设计,确定总线系统的网络覆盖范围、各支路的设备数量、长度和支路总数等。通过工程实践,大家一致认为对火电厂网络分段进行设计时应遵循以下原则:
  2.2.1对仪表进行精确定位,明确设备间的关系,互为备用关系、控制关系或调节关系;冗余设置的现场仪表应接入不同网段,或相关驱动装置连接在不同的网段上。
  2.2.2严格根据总线设备的功耗和总线的线损的计算结果来选择总线电源的负载能力。如是PROFIBUS总线,其总线接口形式是DP还是PA,或其它类型,且应该根据设备负载,计算总线负载能力是否足够。
  2.2.3设计网段设备数量与现场通讯箱布置位置及数量时要充分考虑工艺专业的要求和总线设备芯片的处理速度,并认真核对每条总线支路的设备类型、数量和总线支路的响应时间,同时对工艺系统中重要的现场总线设备进行分析,特殊分段,保证对各总线网段的设计安全可靠。
  2.2.4网段设计和设备配置还要严格执行现场总线通信标准规定,而且各网段的现场总线设备挂接数量不应超过该总线标准规定最高限值的60%,一般以40%~50%为宜,每个现场总线网段的设计(由设计院与控制系统供货商共同完成)至少应包括:网段长度、电缆特性、设备的集中带来的信号衰减、跳线长度、设备阻抗或电流消耗、每个设备的计算电压、包含的中继器、通讯参数(计时器)、通讯速率、设备地址等信息,并应要求相应的设备厂商提供用于证实的宏循环周期时间专用测试、计算工具或计算方法。
  3火电厂现场总线实施方案
  根据目前现场总线在各个电厂的应用情况,以及我院在现场总线控制系统设计中的经验,在现场总线控制系统配置中可以按工艺特点把火电厂控制系统划分为多个子系统,一般情况下,现场总线要按照工艺系统来设计,对于物理空间相近又同属于一个工艺系统的设备应分布在一个网段上,调节回路控制策略和设备控制逻辑也按工艺系统划分,在各自的控制器中实现。下表是主厂房各系统现场总线方案配置:

 


  对于上表中采用现场总线方式的系统,发生异常会对机组的安全运行带来很大的影响的电动机和阀门等设备,除了采用总线以外,主要的控制信号(位置反馈、分合闸指令)也采用了硬接线接入控制系统。这种采用硬接线和现场总线结合的方式,常规运行时采用现场总线控制,当总线和冗余总线同时故障而发生通讯中断的情况下,控制系统利用现场总线的诊断功能及时发现故障,自动切换到硬接线控制并报警,实现对这些重要设备的控制,不影响机组的正常运行。
  4结束语
  目前,现场总线技术在各电厂已逐步得到了广泛的应用,使电厂的安装、调试、维护更为方便,为火电厂全厂范围数字化、信息化的实现提供了基本保证,但是现场设备的数字化虽然加速了电厂信息化进程,但是在信息化为生产服务上没有明显的作为,如果以后能与厂级监控信息系统(SIS)进行结合,我们相信现场总线在火电厂中的应用会有巨大的生命力。
  参考文献
  [1]张翼.现场总线技术在数字化发电厂中的应用研究[A].上海交通大学硕士论文,2009.
  [2]张翼.韩兵现场总线的发电厂机组控制应用研究[T].自动化仪表,2008.
  

作者:姚卫星;尹 毅 来源:科技创新与应用 2013年第21期 点击数: 发布时间:2013年10月09日
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