F4831C-K-12锅炉补给水系统现场总线技术应用专题20121129.doc

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106总结11【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Type9FF H1 现场总线Type5FF HSE 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（Process Fieldbus）现场总线和基金会（Foundation Fieldbus：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420mA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420mA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AD 转换、输出通道中DA 转换及模拟信号传输产生的误差，从而提高传送精度。在PROFIBUS PA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：l 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。l 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。l 华能玉环电厂(41000MW)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。l 我院设计的广东河源电厂(2600MW)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。l 我院设计的山西漳山发电有限责任公司2X600MW扩建工程在锅炉补给水系统中采用PROFIBUS现场总线技术，目前已成功投入运行。l 国华宁海电厂二期、山东邹县二期工程、江苏望亭联合循环发电厂、江阴夏港电厂、广东南海石油化工汽电联产工程、陕西杨凌热电厂、山东龙口电厂、广安电厂、山西平朔电厂等在电厂锅炉补给水系统中成功实现了现场总线技术的全面应用。下面以华能巢湖电厂为例，简单介绍现场总线技术在锅炉补给水控制系统中的配置应用。4.2 华能巢湖电厂锅炉补给水现场总线控制系统方案介绍华能巢湖电厂2600MW超临界燃煤机组锅炉补给水处理系统为2台机组公用。采用较为先进的EDI除盐工艺，控制系统采用先进的现场总线（FCS）控制系统。设计额定出力250m3/h，最大260m3/h。该系统的超滤、反渗透、电除盐系统流程为：经混凝澄清处理的柘皋河水蒸汽加热器自清洗过滤器UF装置2100m3清水箱一级升压泵一级RO二级升压泵二级RO150m3淡水箱 EDI给水泵EDI装置除盐水箱。整套控制系统的设计除配药、清洗外，采用全自动无人值班控制，系统正常运行时根据机组补水流量和除盐水箱液位信号全自动调节流量，蒸汽加热系统采用温度自动调节。1）系统配置华能巢湖电厂锅炉补给水系统包括1个阀岛柜、1个主机柜、1个电源柜、2个远程柜、3台操作员站、5个控制通讯柜、1套冗余的PROFIBUS-DP光纤环网及光电转换单元。2）硬件结构I.锅炉补给水系统总图II.控制系统两层网络结构拓扑图及硬件选型工程师站、操作员站与控制器间采用工业以太网，通过冗余的赫斯曼工业交换机连接，构成冗余的双星形网络结构，并且交换机上留有与辅网连接的光口；控制器与现场受控设备间采用Profibus现场总线协议，通过冗余的光电转换器连接，构成冗余的Profibus光纤主干环网。挂接总线智能设备的各支路，通过西门子的LINK链接在环网之上，各种总线智能硬件设备如下所示：智能压力变送器选用ABB产品，Profibus PA规范；智能温度变送器选用ABB产品，Profibus PA规范；智能超声波液位计选用ABB产品，Profibus DP规范；智能电磁计量泵选用德国普罗明特产品，Profibus DP规范；智能变频器选用AB产品，包括400型和700型，Profibus DP规范；智能差压变送器选用ABB产品，部分用来测量流量，Profibus PA规范；阀岛选用西门子ET200Pro模块和费斯托电磁阀组成，Profibus DP规范；智能电动执行机构选用ABB产品，包括调节型和开关型，Profibus DP规范；智能在线分析仪表选用HACH SC100产品，硅表自带总线通讯卡，Profibus DP规范；智能磁翻板液位计选用上海雄风产品，原理用西门子T3K实现总线通讯，Profibus PA规范；分布式I/O选用西门子ET200M产品，用于接入一些无总线通讯接口的非智能设备，如系统中所用到的压力开关和EDI的电源开关等设备，Profibus DP规范；III锅炉补给水系统#1通讯柜拓扑图2IV锅炉补给水系统#2通讯柜拓扑图3V.锅炉补给水系统#3通讯柜拓扑图44.3 本工程锅炉补给水系统工艺流程介绍锅炉补给水处理系统及设备布置本工程锅炉补给水处理系统流程：净水站过滤器清水箱清水泵自动反冲洗过滤器超滤(UF)装置超滤水箱超滤水泵一级保安过滤器一级高压泵一级反渗透(RO)装置一级淡水箱一级淡水泵二级保安过滤器二级高压泵二级反渗透(RO)装置二级淡水箱二级淡水泵EDI装置 除盐水箱除盐水泵主厂房水处理车间与化验中心呈L型布置，预留二期扩建场地。水处理车间跨距14.5m，梁下弦标高6m。披屋跨距6.6米，净空6m米，整个处理占地面积约600m2。其中膜处理装置布置于水处理车间，披屋布置锅炉补给水处理所有泵，将模块化的膜与泵分开设置，有利于运行维护和运行环境改善。室外布置有废水池、压缩空气储罐、清水箱、超滤水箱、一级淡水箱、二级淡水箱、除盐水箱等。而膜系统加药设施布置于工业废水处理站废水池上化学加药中心，达到药品集中管理目的。锅炉补给水车间过滤器反洗废水、超滤浓水以及反洗废水、膜清洗废水将直接排放至工业废水贮存池，一级反渗透浓水排至室外浓水池用泵排至原水处理站复用水池复用。二级反渗透浓水排至室外超滤水箱、而EDI浓水将排至一级淡水箱。整个锅炉补给水处理设施工艺优化，达到节约占地、用水目的。4.4 本工程锅炉补给水现场总线实施方案设想及可行性分析4.4.1控制方案预想针对电厂锅炉补给水系统，我们建议采用全厂辅网DCS一体化+现场总线控制进行设计。方案的中心设计思想是从控制室到现场的控制设备之间，完全采用现场总线通讯的方式，将气动电磁阀、气动调节阀、流量、压力变送器、化学分析仪表、水泵电动机、风机电动机、加药变频器等控制设备连在一起。所有的底层设备都具有数字通讯接口，从控制室到现场之间除了工作电源外，没有任何直接的控制硬接线，所有的控制室的指令和现场设备的状态信息都通过现场总线进行传输。本系统方案由两层通讯结构组成；上层的操作员站与控制器之间采用工业以太网通讯，控制器与现场设备之间采用现场总线通讯。现场的压力变送器、流量变送器、液位变送器、PH值、硅酸根、磷酸根测量仪等仪表采用PROFIBUS PA总线，气动阀门定位器也采用PA总线，因此所有的现场仪表和执行器都将通过DP/PA耦合器连接到总线网络上。在本方案中采用快速交换式工业以太网(100Mbps)作为连接操作员站、工程师站和自动化系统站的系统总线。网络配置采用冗余方式。快速交换式工业以太网在工业以太网的通信协议基础上，将通信速率提高到了100Mbps。由于采用了全双工并行(FDX)通信模式，允许站点同时发送和接收数据，通信速率可提高一倍。SIMATIC NET 在快速以太网上还采用了交换机技术，利用交换机模块将整个网络分成若干子网，每个子网都可以独立的形成一个数据通信段，可以大大的提高通信效率。由于普通以太网网段上数据通信阻塞的存在，使得实际通信效率只有40%，采用了全双工并行通信技术和交换技术后，使得网络通信能力得以充分的利用。4.4.2 技术、经济可行性分析l 技术可行性分析：锅炉补给水系统作为电厂运行比较成熟的辅助系统之一，基本都是开关量控制，可以全面采用现场总线控制系统。其理由：一、辅助系统以离散控制为主，控制相对简单，同时对响应的快速性要求不是特别高，而DEVICENET、CONTROLNET、PROFIBUS-DP、MODIBUS是由PLC技术发展而来，对处理开关信息，有很高的适应性；二、现场级的测控设备相对种类较少，不外乎智能变送器、总线IO、智能电动调节阀、智能阀门定位器、总线电磁阀岛、智能马达等几种，市场上大的制造商都能够提供相对应的总线产品。而对于水处理控制系统中有部分化学分析仪表。目前，具备现场总线接口的化学分析仪表相对较少，而且价格也较常规仪表高出许多，本工程将根据实际情况，进一步收资或考虑将常规化学仪表以常规方式直接纳入辅网DCS采集系统。三、采用现场总线控制系统能够充分体现节省电缆、施工方便、减少接线调试和便于远程维护管理的优势。四、锅炉不给水系统工艺设备的冗余设计弥补了客观存在的现场总线冗余度不足的影响。l 经济分析：锅炉补给水系统采用现场总线后，对投资费用的影响主要体现在以下几个方面：对采用现场总线控制的各辅助车间的智能现场设备，由于化学水处理各系统的检测仪表大部分采用进口产品，增加智能通讯接口而增加的费用相对不太大。而且，电磁阀采用阀岛来实现现场总线的控制，每个阀岛可以接810 路气动执行机构，据调研，采用阀岛和采用进口电磁阀或电磁阀箱的综合价格基本持平。采用现场总线技术后，对主要设备和电缆、桥架的安装费用进行初步估算，没有计列调试、组态和运行维护引起的费用变化。对锅炉补给水处理系统来说，采用现场总线后每套费用将增加约7.5 万元RMB。5 现场总线实际应用中需注意的事项5.1 确定DCS系统后，与DCS公司进行技术交流，按PROFIBUS总线标准，提供在以往工程实践中具有良好应用业绩的现场总线设备厂商名单，我们与设计院确定重点品牌范围，积极联系各总线设备厂家提供总线设备样品送DCS公司进行联网测试，同时可请西安热工院作为技术支持方出具测试报告，最终设备选型仅在通过测试的产品中选择。5.2 现场总线网络设计和网段划分是系统设计的重点，根据总线设备的地理位置和功能的相关性来确定，同时根据网络通信速度和网段循环时间来确定每个控制器和网段所挂设备的数量，预估总线循环时间是否满足系统要求，PROFIBUS总线循环时间主要与网络通信波特率、从站数量、从站IO数据的总字节量和从站通信延迟时间有关。5.3 根据总线仪表和设备的地理分布实际位置、电缆桥架的走向等要尽早完成设计图纸，根据这些设计图，再设计各支路连接的设备及设备排列顺序，同时根据相对集中的原则来确定总线通信柜的位置，与常规施工图不同的是，施工图根据设计总线仪表和设备的地理位置，估出每段电缆的长度。施工单位在敷设总线电缆时，要严格按照设计桥架和走向，并记录每条总线电缆的长度，如设计长度与实际长度偏差大时，要及时与设计院联系。 5.4 总线设备对接地要求较高，处理不好会对通信稳定性造成影响。PROFIBUS电缆屏蔽层对数据电缆进行屏蔽，为了使屏蔽有效，必须将其与等电势连接系统相连。本工程处理原则为： DP