前言：

隨著《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（２００６－２０２０）》及《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十一個(gè)五年規(guī)劃綱要》的實(shí)施，我國(guó)電力工業(yè)的建設(shè)將繼續(xù)朝著高參數(shù)、大容量、低能耗、節(jié)約資源和環(huán)境保護(hù)的方向發(fā)展。我國(guó)“貧油、少氣、多煤”的一次能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，燃煤火力發(fā)電仍將在我國(guó)發(fā)電領(lǐng)域占主導(dǎo)

地位。當(dāng)前電力企業(yè)所面臨的普遍問題是：在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，如何開發(fā)和占領(lǐng)市場(chǎng)以使電力企業(yè)獲得生存和發(fā)展，并在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮更大的作用。降低資源損耗和提高管理效益成為各發(fā)電企業(yè)的迫切需求，綜合高效利用先進(jìn)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程高度自動(dòng)化和管控一體化，成為電力企業(yè)生存的必然選擇。

華能南京金陵電廠位于江蘇省南京市棲霞經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)江乘大道8號(hào)，長(zhǎng)江南岸龍?zhí)舵?zhèn)四段圩村，一期工程為兩臺(tái)39萬千瓦9FA型燃?xì)庹羝��?lián)合循環(huán)機(jī)組。二期工程裝機(jī)容量為2×1000MW，由華能國(guó)際電力開發(fā)公司、江蘇省國(guó)信資產(chǎn)管理集團(tuán)有限公司、南京市投資公司分別按60%、30%和10%比例出資興建。二期2×1000MW超超臨界燃煤機(jī)組為國(guó)內(nèi)百萬千瓦機(jī)組首次大范圍應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的示范工程。

數(shù)字化電廠需求

目前，可概括為“廠網(wǎng)分開，競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”的新型電力市場(chǎng)格局正在形成。電力單位作為一個(gè)獨(dú)立企業(yè)，直接參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)高效是企業(yè)的最高目標(biāo)，電廠的數(shù)字化建設(shè)正式是為服務(wù)于這個(gè)目標(biāo)而應(yīng)運(yùn)而生的。

    自動(dòng)化與信息化高度統(tǒng)一是數(shù)字化電廠的重要特征。要實(shí)現(xiàn)電廠的數(shù)字化生產(chǎn)與管控，就必須基于電廠采用先進(jìn)采集設(shè)備、控制系統(tǒng)和安全高效的網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫平臺(tái)，集成監(jiān)、控、管的一體化智能系統(tǒng)，是儀器儀表技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)與管理技術(shù)的全面融合。

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)

在DCS與PLC不斷更新?lián)Q代、技術(shù)升級(jí)的同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS，F(xiàn)ield Control System）正在引發(fā)自動(dòng)控制領(lǐng)域的革命，工業(yè)過程控制對(duì)大量現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集、傳遞和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換以及對(duì)精度、可靠性、管控一體化都提出了更新、更高的要求。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)（DCS、PLC）已不能滿足這些要求，而且傳統(tǒng)控制系統(tǒng)具有控制不能徹底分散、故障相對(duì)集中、系統(tǒng)不徹底開放、成本較高等缺點(diǎn)，于是通過數(shù)字通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和微處理器技術(shù)的融合，把傳統(tǒng)的數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)的混合系統(tǒng)變成全數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)，從而產(chǎn)生了新一代的控制系統(tǒng)FCS。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，F(xiàn)CS具備多功能的智能化現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表并更加強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化與開放性。

由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的先進(jìn)性還可以大量節(jié)省投資（如電纜、電纜橋架、電氣控制柜乃至中控室占地面積）并提高系統(tǒng)信息量，可方便地進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)在線診斷、設(shè)備管理、優(yōu)化檢修，華能南京金陵電廠在綜合對(duì)比論證的基礎(chǔ)上，決定在2X1000MW超超臨界燃煤機(jī)組主輔控系統(tǒng)中全面選用FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線）系統(tǒng)，為國(guó)內(nèi)首個(gè)超超臨界機(jī)組的實(shí)際工程應(yīng)用。（華能九臺(tái)電廠2X660MW為國(guó)內(nèi)首個(gè)全廠范圍選用FCS系統(tǒng)的超臨界機(jī)組。）

目前國(guó)際市場(chǎng)得到應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線還未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，其中，PROFIBUS和 FF (基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線)兩種總線標(biāo)準(zhǔn)被公認(rèn)為較適用于火電機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

 兩種總線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比而言，F(xiàn)F較適用于連續(xù)量控制，不足之處在于產(chǎn)品系列不全，往往會(huì)給構(gòu)建完整統(tǒng)一的總線網(wǎng)絡(luò)造成困難，需要與其他總線混合應(yīng)用；而PROFIBUS側(cè)重離散量控制，同時(shí)也適用于連續(xù)量控制，并且得到了相當(dāng)數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備廠商的普遍支持。

PROFIBUS簡(jiǎn)介

PROFIBUS是l987年德國(guó)聯(lián)邦科技部制訂的現(xiàn)場(chǎng)總線德國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，目前是IEC 61158國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中的Type3部分。物理接口采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇榫�性總線兩端加終端電阻。

根據(jù)總線結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)任務(wù)的不同，PROFIBUS由3個(gè)兼容部分組成，即PROFIBUS- FMS、PROFIBUS-DP、PROFIBUS- PA。

其中，PROFIBUS-DP用于現(xiàn)場(chǎng)層的高速數(shù)據(jù)傳送。主站周期地讀取從站的輸入信息并周期地向從站發(fā)送輸出信息。除周期性用戶數(shù)據(jù)傳輸外，PROFIBUS-DP還提供智能化設(shè)備所需的非周期性通信以進(jìn)行組態(tài)．診斷和報(bào)警處理。PROFIBUS-DP采用RS-485標(biāo)準(zhǔn)，通訊介質(zhì)可以是雙絞線．雙線電纜或光纜。波特率可以從9.6K bit/s到12M bit/s之間選擇。

PROFIBUS-PA適用于PROFIBUS 的過程自動(dòng)化。PROFIBUS-PA將自動(dòng)化系統(tǒng)和過程控制系統(tǒng)與壓力．濕度和液位變送器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接起來，PROFIBUS-PA可用來替代4-20mA的模擬技術(shù)。PROFIBUS-PA具有如下特性：

（1）適合過程自動(dòng)化應(yīng)用的行規(guī)使不同廠家生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備具有互換性。

（2）增加和去除總線站點(diǎn)，即使在本征安全地區(qū)也不會(huì)影響到其它站。

（3）在過程自動(dòng)化的PROFIBUS-PA段與制造業(yè)自動(dòng)化的PROFIBUS-DP總線段之間通過藕合器連接，并使可實(shí)現(xiàn)兩段間的透明通信。

（4）使用與IEC1158－2技術(shù)相同的雙絞線完成遠(yuǎn)程供電和數(shù)據(jù)傳送。

（5）在潛在的爆炸危險(xiǎn)區(qū)可使用防爆型“本征安全”或“非本征安全”。

在確定使用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)后，華能南京金陵電廠與多家自動(dòng)化系統(tǒng)廠商進(jìn)行了深入技術(shù)交流，并與設(shè)計(jì)院確定重點(diǎn)品牌范圍，積極聯(lián)系各總線設(shè)備廠商提供設(shè)備樣品送自動(dòng)化系統(tǒng)廠商進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)測(cè)試，西安熱工院作為技術(shù)支持方出具測(cè)試報(bào)告，最終設(shè)備僅在通過測(cè)試的產(chǎn)品中選擇。經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試與綜合論證，華能南京金陵電廠選用了基于PROFIBUS的西門子基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施

主控系統(tǒng)

    本臺(tái)機(jī)組主控系統(tǒng)共有26＋2對(duì)（公用系統(tǒng)）控制器，設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)總線通訊柜35只、51個(gè)冗余PROFIBUS-DP網(wǎng)段、11個(gè)非冗余PROFIBUS-DP網(wǎng)段、124個(gè)PROFIBUS-PA網(wǎng)段，其中PROFIBUS-DP連接358個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備（包括電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、馬達(dá)控制器、分析儀表、變頻器等）、PROFIBUS-PA連接628個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備（包括壓力變送器、溫度變送器、流量計(jì)、定位器及液位計(jì)等），涵蓋了25個(gè)工藝系統(tǒng)，采用了13種類型的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備，基本包括了主機(jī)過程控制系統(tǒng)中的所有典型設(shè)備。

鑒于爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽機(jī)本體緊急跳閘系統(tǒng)(ETS)、給水泵汽機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MEH）和給水泵汽機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)（METS）對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行至關(guān)重要，回路處理速度要求高，因此對(duì)上述系統(tǒng)還是采用常規(guī)控制方式，不納入FCS系統(tǒng)。

輔控系統(tǒng)

    補(bǔ)給水、凝結(jié)水精處理、凈水、廢水、脫硫系統(tǒng)均采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。輔控范圍內(nèi)總線設(shè)備數(shù)量達(dá)665 個(gè)。

(DCS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖)

 以DCS控制器AP102為例，現(xiàn)場(chǎng)總線由控制柜的雙PROFIBUS-DP主站引出，通過光電轉(zhuǎn)換模塊(OLM)經(jīng)光纖延伸到現(xiàn)場(chǎng)，連接1個(gè)PROFIBUS-DP冗余網(wǎng)段、1個(gè)PROFIBUS-DP網(wǎng)段和2個(gè)PA網(wǎng)段，PROFIBUS-DP網(wǎng)段分2組，均用PROFIBUS-DP／DP鏈接器把單接口就地PROFIBUS-DP設(shè)備接入冗余PROFIBUS-DP總線，第1組用來連接系統(tǒng)內(nèi)的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用菊花鏈型連接方式；第2組通過Y-LINK連接馬達(dá)控制器（單口），在每段PROFIBUS-DP總線的末端單獨(dú)增加1個(gè)有源終端電阻，使傳輸線路阻抗匹配，保證通信的可靠性。PROFIBUS-PA網(wǎng)段由PROFIBUS-DP／PA鏈接器從冗余PROFIBUS-DP總線上接出，連接測(cè)量變送器信號(hào)。

(DCS控制器AP102系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖)

西門子基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)特點(diǎn)

     （1）新型體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的DCS分層結(jié)構(gòu)將電廠劃分為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、過程控制級(jí)、機(jī)組控制級(jí)以及電廠級(jí)，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代電廠生產(chǎn)流程的功能需求。基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)把DCS簡(jiǎn)化為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)和IT級(jí)兩層，即在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與傳遞，所有的設(shè)備控制策略在控制器中集中處理。

     （2）基于組件的設(shè)計(jì)理念

基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)為世界上第一套真正的基于組件的控制系統(tǒng)，采用XML和Java技術(shù)，可執(zhí)行任何操作系統(tǒng)下需要處理的應(yīng)用程序。統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系提供了一個(gè)面向所有任務(wù)的單一用戶接口，取消了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所需的子系統(tǒng)及其之間的復(fù)雜接口。

     （3）方便使用與安全可靠

      對(duì)于正在運(yùn)行中的電廠，從工程設(shè)計(jì)到變更的檢查、測(cè)試到記錄都無需切換控制處理器即可方便的執(zhí)行。由于采用了經(jīng)由放火墻的OPC，可有效防范局域網(wǎng)或企業(yè)網(wǎng)對(duì)DCS的未授權(quán)訪問，保證電廠安全可靠運(yùn)行。

系統(tǒng)運(yùn)行狀況

據(jù)華能南京金陵電廠信息中心主任管春雨介紹，本控制系統(tǒng)從2009年8月進(jìn)入緊張的安裝調(diào)試階段，到12月16日機(jī)組啟動(dòng)，當(dāng)晚21點(diǎn)28分機(jī)組升至滿負(fù)荷開始計(jì)時(shí)，正式進(jìn)入168小時(shí)試運(yùn)。在整個(gè)試運(yùn)行過程中自動(dòng)投入率，保護(hù)投入率均達(dá)到100%，汽水品質(zhì)合格，主要經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良。各系統(tǒng)在機(jī)組滿負(fù)荷試行的考驗(yàn)中均完善、安全、可靠，性能指標(biāo)達(dá)到規(guī)范要求的優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)，汽輪機(jī)振動(dòng)最大值僅為45um，達(dá)到同類型機(jī)組的國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)保證了機(jī)組的正常運(yùn)行。

     在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，也遇到過大大小小的問題，其間客戶端曾先后兩次發(fā)生過陸續(xù)黑屏的現(xiàn)象，西門子公司售后服務(wù)工程師在第一時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)與電廠工程師一起進(jìn)行了故障分析與排除，恢復(fù)系統(tǒng)運(yùn)行，并采取了相應(yīng)的預(yù)防措施，確保機(jī)組處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

展望未來

      歷經(jīng)了幾個(gè)月以來的辛勤工作，管主任對(duì)西門子基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的DCS控制系統(tǒng)的性能及西門子公司強(qiáng)大的技術(shù)支持能力逐漸建立了信任。“我祝愿西門子這套系統(tǒng)可以越做越好，”管主任誠懇地表示，“希望系統(tǒng)不僅保證我廠機(jī)組正常運(yùn)行，帶來實(shí)實(shí)在在的效益，同時(shí)作為示范工程，也為眾多的兄弟電力企業(yè)即將建設(shè)的項(xiàng)目提供最高參考價(jià)值。”

DCS系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖