1. 項目背景介紹

    建設(shè)數(shù)字化電廠需要大量的現(xiàn)場實時信息，傳統(tǒng)的DCS難以承受“信息爆炸”的重負(fù)。現(xiàn)場總線技術(shù)不僅能夠提供傳統(tǒng)I/O數(shù)據(jù)，而且能夠提供設(shè)備狀態(tài)、診斷以及歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)借助通信線傳送到控制器、數(shù)據(jù)庫，不受電纜和距離的限制。在自動化系統(tǒng)的整個生命周期，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)能夠節(jié)省投資。目前國外新建火電機組多采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，如德國德國尼德毫森電廠二期、美國波特蘭電廠、意大利燈塔聯(lián)合循環(huán)電廠等。國內(nèi)電力行業(yè)自2000年開始研究現(xiàn)場總線技術(shù)，2006年首套FCS在華能玉環(huán)電廠輔控系統(tǒng)成功運行，2008年華能國際電力股份有限公司依托西安熱工研究院、華東電力設(shè)計院啟動了在大型火電機組主控系統(tǒng)應(yīng)用FCS的研究和工程示范。2009年和2010年華能金陵電廠2×1030MW超超臨界機組分別通過168h試運行，主控系統(tǒng)和輔控系統(tǒng)的FCS成功投運。

   2. 項目目標(biāo)與原則

     目標(biāo)：研究和驗證600M～1000MW機組主控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)的安全性、經(jīng)濟(jì)性，總結(jié)和掌握大型機組主控系統(tǒng)FCS的設(shè)計、選型、組態(tài)、安裝和調(diào)試投運的關(guān)鍵技術(shù)，為在火電廠推廣應(yīng)用FCS積累經(jīng)驗。
原則：兼顧技術(shù)創(chuàng)新與工程風(fēng)險二者的矛盾和效益，盡可能發(fā)揮FCS的本質(zhì)優(yōu)越性，同時做到工程的務(wù)期必成。

    3.項目實施與應(yīng)用情況詳細(xì)介紹

    3.1 項目規(guī)劃

    該項目由華能股份公司及華能金陵電廠作為業(yè)主，西安熱工院作為技術(shù)支持和總體設(shè)計方，華東電力設(shè)計院作為初步和施工設(shè)計方，聯(lián)合開展項目的技術(shù)、工程、調(diào)度攻關(guān)。

     3.2 項目實施

    (1) 現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用范圍的規(guī)劃

     按照“兼顧技術(shù)創(chuàng)新與工程風(fēng)險二者的矛盾和效益”原則，確定各系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的范圍，如對鍋爐、汽機安全運行有重大影響系統(tǒng)等采用常規(guī)DCS。選取25個復(fù)雜工藝子系統(tǒng)設(shè)計現(xiàn)場總線設(shè)備。

    (2) 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)選型與網(wǎng)段設(shè)計

     對國外多種品牌具有現(xiàn)場總線技術(shù)的DCS進(jìn)行調(diào)研、論證，通過招標(biāo)確定選用融合了Profibus標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)的DCS。研究和確定現(xiàn)場總線網(wǎng)段和設(shè)備設(shè)計原則，如按工藝系統(tǒng)區(qū)域自治原則、通信周期滿足控制實時性原則、主站和網(wǎng)絡(luò)冗余原則、網(wǎng)段風(fēng)險控制原則等。完成了控制站、網(wǎng)段設(shè)計和設(shè)備分配設(shè)計。

     (3) 現(xiàn)場總線設(shè)備兼容性測試

     對備選的現(xiàn)場總線設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的互聯(lián)、互操測試，通過測試的設(shè)備才獲得投標(biāo)資格。設(shè)備供貨的型號、固件版本均應(yīng)符合通過測試的樣品。這樣大大降低了工程風(fēng)險，工程中沒有出現(xiàn)通信不兼容的現(xiàn)象。

   (4) 系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用軟件開發(fā)

    單元機組和公用系統(tǒng)包括25對控制器，其中21對控制器設(shè)計36個冗余Profibus-DP、11個非冗余Profibus-DP、83個Profibus-PA子網(wǎng)段，其中Profibus-DP連接358個現(xiàn)場總線設(shè)備、Profibus-PA連接629個現(xiàn)場總線設(shè)備，涵蓋了25個復(fù)雜工藝系統(tǒng)，采用了13種類型的現(xiàn)場總線設(shè)備，包括壓力、差壓、液位、流量變送器等儀表，控制對象有電機、
電動執(zhí)行機構(gòu)和氣動閥門等, 基本包括了過程控制系統(tǒng)和順序控制系統(tǒng)中所有典型設(shè)備。

       西安熱工研究院除了設(shè)計常規(guī)的控制邏輯和算法外，還針對現(xiàn)場總線設(shè)備的特點和FCS功能，開發(fā)了狀態(tài)、診斷信息集成，操作指導(dǎo)等應(yīng)用功能，發(fā)揮FCS的獨特的優(yōu)越性。下圖為電動門、電機、變送器的信息窗口：   

                      
                                              (a) 電動門信息窗口  

                 
                                        (b) 電動機信息窗口  
 
                
                                      (c) 變送器信息窗口

    (5) 安裝、調(diào)試和投運

    在華能金陵電廠精心組織下，各技術(shù)支持和設(shè)計單位、電建公司通力合作，嚴(yán)格按Profibus規(guī)程進(jìn)行安裝，設(shè)備通信和單體調(diào)試順利，滿足設(shè)備、系統(tǒng)功能及工期要求。2009年12月#1機組通過了168h試運行，2010年12月#2機組通過了168h試運行。主控和輔控系統(tǒng)FCS也全部成功投運，安全可靠。

    3.3 項目創(chuàng)新

     (1) 國內(nèi)1000MW等級火電機組首次在主控系統(tǒng)的工程應(yīng)用示范；

     (2) 首次確定大型火電機組現(xiàn)場總線應(yīng)用于主控系統(tǒng)的范圍；

     (3) 現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計；

    (4) 實現(xiàn)了火電廠所有類型儀表及被控設(shè)備在總線系統(tǒng)中的備互聯(lián)、互操；

    (5) 現(xiàn)場總線就地設(shè)備的調(diào)試及現(xiàn)場總線信息的綜合應(yīng)用。研發(fā)了實用的現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)維護(hù)管理軟件，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備可預(yù)見性維護(hù)；

    (6) 證明了大型火電機組主控系統(tǒng)應(yīng)用FCS是安全、可行的，而且能夠節(jié)省投資、保證或縮短建設(shè)工期。

    3.4 獲中國電力科學(xué)技術(shù)獎

    本項目已經(jīng)獲得2010年度中國電力科學(xué)技術(shù)獎二等獎。

    4 效益分析

     由于采用了現(xiàn)場總線技術(shù)，單臺機組的DCS系統(tǒng)常規(guī)IO點減少約3500點，機柜數(shù)量減少了約12個，電子設(shè)備間面積也因此減小，單臺機組節(jié)省的熱控常規(guī)電纜約300km，從而間接帶來電纜橋架使用量減少、控制系統(tǒng)接線調(diào)試工作量下降；初步統(tǒng)計，就設(shè)備的安裝及調(diào)試來說，除去項目開始總線調(diào)試階段，總線設(shè)備的調(diào)試速度大大加快，就地現(xiàn)場總線設(shè)備的單體調(diào)試節(jié)省了1/3的工作量。雖然FCS增加了通信組件、通信電纜，而且現(xiàn)場總線設(shè)備價格高于同類常規(guī)設(shè)備，但綜合比較FCS與常規(guī)DCS的投資，F(xiàn)CS節(jié)省費用1320萬元，增加費用1020萬元，因而總費用FCS比常規(guī)DCS節(jié)省300萬元。FCS節(jié)省調(diào)試工作量、縮短建設(shè)工期的效益尚未計算在內(nèi)。

    5 工程現(xiàn)場照片