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| 自動(dòng)配料系統(tǒng)納入DCS監(jiān)控方式 | 2020-02-28 |
| 1概述 化工能源化工廠中，熱工系統(tǒng)及稱重配料系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，反映了整個(gè)電廠的運(yùn)行管理水平，而電廠用電系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行對機(jī)組的運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用?；S稱重配料系統(tǒng)主要設(shè)備納入機(jī)組的分散稱重配料系統(tǒng)(以下簡稱DCS)進(jìn)行監(jiān)控，是當(dāng)前化工能源化工廠廣泛采用的控制模式，可大大提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。但還有很多老廠依靠常規(guī)的儀表、光字牌，采用繼電器、控制開關(guān)及其接點(diǎn)組成的控制邏輯來實(shí)現(xiàn)。 目前，大容量機(jī)組的稱重配料系統(tǒng)納入DCS監(jiān)控的主要方式為：綜合自動(dòng)化裝置、廠用電系統(tǒng)的保護(hù)及自動(dòng)裝置的動(dòng)作情況是通過各獨(dú)立的裝置動(dòng)作信號以及電氣設(shè)備的位置狀態(tài)等開關(guān)量作為輸入量(即DI)送至DCS配料系統(tǒng);模擬量(如電流、電壓、有功、無功)通過電量變送器輸出4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號送至DCS系統(tǒng)：DCS的控制命令作為輸出量(即DO)引至電氣設(shè)備，各電氣設(shè)備與DCS配料系統(tǒng)的聯(lián)系采用硬接線方式，即由電氣設(shè)備現(xiàn)場用電纜將電氣量信號一對一地送至DCS系統(tǒng)的I/O柜上。 然而由于大多數(shù)電廠的DCS配料系統(tǒng)都側(cè)重于汽機(jī)鍋爐，完成機(jī)組基本的運(yùn)行、控制等功能，對稱重配料系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)控考慮較少，稱重配料系統(tǒng)的要求在DCS系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中往往難于全面考慮。因此上述方式存在著較明顯的缺點(diǎn)： ①占用DCS大量的I/O點(diǎn)，卡件多，投資大; ②DCS中反映電氣的保護(hù)、測量、開關(guān)位置及其他需檢測的信息不完整; ③不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方遙控、保護(hù)信號復(fù)歸; ④模擬量采用直流采樣、使用電量變送器，對一次設(shè)備要求高、投資大、抗力差; ⑤電氣二次接線復(fù)雜、耗費(fèi)大量電纜，施工及檢修工作量大; ⑥所有信息集中在DCS的DAS系統(tǒng)，系統(tǒng)承擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)相對較大; ⑦無法完成較多較復(fù)雜的電氣運(yùn)行管理工作，如電氣運(yùn)行檢修人員關(guān)心的電能管理、保護(hù)整定、事故追憶等信息。 目前，大容量機(jī)組專用的繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置主要有：微機(jī)發(fā)變組保護(hù)裝置、故障錄波裝置、微機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁裝置(AVR)、微機(jī)廠用電切換裝置(ATS)，微機(jī)化工機(jī)自動(dòng)同期裝置(ASS)，以上設(shè)備一般集中布置于電氣設(shè)備間或繼電器室內(nèi)，均為微機(jī)型裝置。中壓系統(tǒng)采用分散式就地安裝的集保護(hù)、測量、控制、計(jì)量、通信于一體的智能前端設(shè)備，低壓系統(tǒng)選用智能型框架斷路器，可帶通信接口，能將開關(guān)狀態(tài)、電流、電壓、功率、電能、保護(hù)動(dòng)作等信號通過其自帶的通信接口送出。對于塑殼斷路器回路，可設(shè)低壓微機(jī)保護(hù)測控裝置，如智能型馬達(dá)控制器，微機(jī)型測控單元等。上述安裝于開關(guān)柜內(nèi)的智能設(shè)備系統(tǒng)稱為智能終端裝置(ST)。 上述設(shè)備都是分散的保護(hù)、監(jiān)控裝置，都能獨(dú)立地完成各回路的監(jiān)控和保護(hù)功能，目前的電氣納入DCS配料系統(tǒng)大都是通過硬接線與DCS聯(lián)接，沒有充分利用這些裝置所具有的測量、監(jiān)控、通信功能。因此提高這些智能終端設(shè)備與DCS的通信水平，將直接關(guān)系到電廠運(yùn)行管理水平和安全經(jīng)濟(jì)性。 隨著微處理技術(shù)的發(fā)展，分層分布式控制結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，特別是現(xiàn)場總線(FB)和智能終端裝置(ST)技術(shù)的采用，其組成的稱重配料系統(tǒng)在化工廠、變電站特別是在工廠得到了普通使用，大大提高了微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。 當(dāng)前，世界發(fā)達(dá)國家，如美、英、法、德、日等在化工廠監(jiān)控中己廣泛采用現(xiàn)場總線和智能終端設(shè)備，國內(nèi)不少廠家也在開發(fā)、研制陽和ST發(fā)面做了大量工作，有許多產(chǎn)品己在工程中使用;本章探討把成熟的微機(jī)監(jiān)控通信技術(shù)應(yīng)用于大型化工能源化工機(jī)組，與電廠DCS系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，全面提高電廠稱重配料系統(tǒng)的監(jiān)控水平。 2常用稱重配料系統(tǒng)控制方案比較 隨著化工能源化工廠自動(dòng)化水平的不斷提高，稱重配料系統(tǒng)納入DCS，實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)、電一體化監(jiān)控在國內(nèi)機(jī)組上已從試點(diǎn)進(jìn)入了正常實(shí)施階段，由于國內(nèi)對稱重配料系統(tǒng)監(jiān)控的有關(guān)規(guī)程、規(guī)范還在不斷地修訂完善中，對稱重配料系統(tǒng)的控制方式?jīng)]有作統(tǒng)一的規(guī)定，國內(nèi)各電廠對稱重配料系統(tǒng)納入DCS的方式采用了不同的方式，主要有以下三個(gè)方案： 方案1：直接I/O連接方式：將電氣模擬量和開關(guān)量經(jīng)電纜通過I/O通道直接接入DCS進(jìn)行組態(tài)，實(shí)現(xiàn)對電氣設(shè)備的監(jiān)控，即硬接線方式。 方案2：遠(yuǎn)程I/O及分布式I/O連接方式：遠(yuǎn)程I/O的采集單元一般是在I/O相對集中的現(xiàn)場安裝I/O機(jī)柜，負(fù)責(zé)采集附近設(shè)備的I/O量，通過I/O通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)字化信息傳至DCS。分布式I/O是將采集單元分散安裝在各現(xiàn)場設(shè)備中，通過總線將分散的I/O連接后送至DCS。具體地說，就是利用分散安裝于就地開關(guān)柜的集保護(hù)、測量、控制、通迅于一體的智能測控保護(hù)裝置(智能終端模塊)，將由10kV、6kV工作段及400V工作(公用)PC段供電的要求集中控制的高低壓電動(dòng)機(jī)，由鍋爐、汽機(jī)及保安MCC供電的要求集中控制的低壓電動(dòng)機(jī)，采用現(xiàn)場總線通過DCS配置的通迅卡件、通迅切換器和通迅電纜(雙絞線及光纖)直接連接到DCS的過程控制器。 方案3：智能終端設(shè)備((ST)和現(xiàn)場總線(FB)連接方式：現(xiàn)場總線(FB)是一種開放全數(shù)字化的、雙向多站的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)將智能終端設(shè)備(ST)、主控制計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場設(shè)備連接起來。傳輸信息為數(shù)字信號，可以各個(gè)接點(diǎn)共用一條物理傳輸介質(zhì)。 智能終端設(shè)備(ST)是建立在微電子技術(shù)發(fā)展之上、大規(guī)模集成電路、嵌入式配料系統(tǒng)，由CPU、存儲(chǔ)器，A/D轉(zhuǎn)換器及I/O回路等集成的設(shè)備，主要由中壓及低壓系統(tǒng)的保護(hù)測控裝置和自動(dòng)裝置構(gòu)成。這些裝置具有測量、控制、保護(hù)、信號、通訊等基本功能并完成各自獨(dú)立的特殊功能(保護(hù)功能獨(dú)立，在就地完成)。利用智能終端設(shè)備(ST)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理及邏輯控制等功能，就地可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制、監(jiān)視功能，通過現(xiàn)場總線系統(tǒng)可將處理好的信息上傳至DCS等控制層進(jìn)行監(jiān)控，也能將控制層的指令下達(dá)。這種方式實(shí)現(xiàn)了分散控制，可節(jié)省電纜，同時(shí)提高了信號轉(zhuǎn)換精度和可靠性，簡化了二次接線。 具體實(shí)施為：擴(kuò)大用通迅接入DCS的內(nèi)容，增加電氣設(shè)備通過通迅接入DCS配料系統(tǒng)，增設(shè)電氣后臺(tái)工作站。用現(xiàn)場總線將這些智能終端設(shè)備及專用裝置的通迅接口連接起來，通過通迅管理裝置連接至DCS配料系統(tǒng)、電氣工作站及電廠MIS配料系統(tǒng)等，組成一個(gè)分層分布式的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線接入DCS配料系統(tǒng)的范圍：10kV、6kV工作段及400V工作(公用)PC段廠用電源進(jìn)線、聯(lián)絡(luò)斷路器及饋線，方案2中通過現(xiàn)場總線接入DCS的高低電動(dòng)機(jī)，電氣專用裝置：發(fā)變組保護(hù)、故障錄波、AVR，ATS，ASS等。 考慮到配料系統(tǒng)的安全性和可靠性，發(fā)變組系統(tǒng)和10kV、6kV廠用電系統(tǒng)的DO及SOE等重要量仍采用“硬接線”方式，380V廠用電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控可以采用全通迅的方式。 3技術(shù)比較 方案1：為采用常規(guī)的電氣納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控的方式，既“硬接線”方式。該方案的缺點(diǎn)如本文部分所述。 方案2：高低壓電動(dòng)機(jī)通過現(xiàn)場總線接入DCS，每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的智能終端模塊與DCS的聯(lián)系信號除起動(dòng)/停止指令、運(yùn)行/停止?fàn)顟B(tài)反饋、遙控狀態(tài)、電源監(jiān)視、電流共七個(gè)信號外，增加了保護(hù)動(dòng)作信號、設(shè)備故障信號、設(shè)備起動(dòng)次數(shù)、參數(shù)設(shè)定、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等現(xiàn)場設(shè)備信息，大大豐富了DCS的監(jiān)視內(nèi)容。其中的設(shè)備起動(dòng)次數(shù)、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間等信息采集及分析，為提高電廠管理和維護(hù)水平創(chuàng)造了有利條件。 由于智能終端模塊集成了通訊、保護(hù)、二次控制電路等多項(xiàng)功能，其中低壓智能終端模塊還集成了電流互感器，10kV、6kV智能終端模塊還提供故障錄波功能(上位機(jī)支持)，采用交流采樣技術(shù)，通過現(xiàn)場總線接入DCS，節(jié)省了控制電纜，取消了電量變送器及控制用中間繼電器，使電氣開關(guān)柜內(nèi)接線大為簡化，安裝及設(shè)備制造的工作量比采用常規(guī)的“硬接線”方式大大減少。目前，滿足現(xiàn)場總線要求的智能化的中壓開關(guān)柜及低壓開關(guān)柜得到了廣泛使用。 該方案在技術(shù)上具有明顯的*性，符合“燃煤示范電廠”功能分散、物理分散的設(shè)計(jì)要求。 該方案對DCS及智能終端模塊要求較高，要求智能終端模塊必須與DCS的通訊規(guī)約一致，要求DCS的控制器按工藝配料系統(tǒng)提供數(shù)個(gè)通迅接口。 方案3：整個(gè)系統(tǒng)由三個(gè)功能層構(gòu)成： 層：測控保護(hù)層。由大量的保護(hù)和自動(dòng)裝置構(gòu)成，主要由分散安裝于就地開關(guān)柜的智能終端裝置、發(fā)變組保護(hù)、AVR，ATS，ASS等組成，保護(hù)功能獨(dú)立，利用現(xiàn)場總線技術(shù)，采用光纖或屏蔽雙絞線連接至通信管理層，可以實(shí)現(xiàn)這些裝置的分散監(jiān)控。 第二層：通信管理層。該層將DCS對測控保護(hù)層的控制命令，或電氣后臺(tái)工作站發(fā)出的修改定值命令等，下發(fā)至各有關(guān)裝置，同時(shí)，將各裝置上送的信息送至DCS配料系統(tǒng)或電氣后臺(tái)工作站。通迅管理層具有通信接收、發(fā)送、規(guī)約轉(zhuǎn)換等功能，通迅管理層與上位機(jī)系統(tǒng)連接采用以太網(wǎng)，通迅管理層一般配置前端機(jī)或通迅管理單元，提供12～16個(gè)通迅接口。 第三層：上位機(jī)系統(tǒng)。包括DCS配料系統(tǒng)和電氣后臺(tái)工作站系統(tǒng)。電氣后臺(tái)工作站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)稱重配料系統(tǒng)設(shè)備的管理維護(hù)、電能計(jì)量、故障錄波和保護(hù)定值修改及下達(dá)等工作，由DCS配料系統(tǒng)來完成畫面顯示、報(bào)表生成、打印、控制、事件記錄報(bào)警等。 根據(jù)上述要求，提出如下系統(tǒng)組成方式：現(xiàn)場總線分別與10kV、6kV及400V智能終端設(shè)備相連，并通過通信管理層與上位機(jī)配料系統(tǒng)相連，對于一些比較成熟的專用裝置，如AVR，ASS、發(fā)變組保護(hù)、故障錄波、廠用電源自動(dòng)切換裝置仍采用獨(dú)立的專用產(chǎn)品，也通過管理層與上位機(jī)系統(tǒng)相連，在電氣后臺(tái)工作站及DCS的CRT上對以上系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視及控制。該方案結(jié)構(gòu)清晰，靈活，可分階段實(shí)施，擴(kuò)充方便。配料系統(tǒng)的監(jiān)控管理層采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)可靠性高，根據(jù)配料系統(tǒng)情況，既可以由通迅管理層直接與DCS通迅，也可以直接通過以太網(wǎng)與DCS通迅。通過備用主機(jī)的通迅卡配料系統(tǒng)還可與電廠MIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息交換。 通信單元與DCS配料系統(tǒng)和電氣后臺(tái)系統(tǒng)間均有接口，與二者間有信息交流但側(cè)重不同。設(shè)電氣后臺(tái)系統(tǒng)的目的是為了讓電氣人員對所有廠用電氣保護(hù)自動(dòng)裝置進(jìn)行日常的監(jiān)視和維護(hù)，一般情況下不進(jìn)行控制操作，但在后臺(tái)機(jī)上的信息量卻可比DCS上多得多，在后臺(tái)系統(tǒng)上，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、電氣接線畫面顯示、定值查詢修改、動(dòng)作事件記錄、故障錄波、報(bào)表生成、儲(chǔ)存打印及電能計(jì)量管理功能。 為滿足電廠運(yùn)行的安全性、可靠性的要求，發(fā)變組系統(tǒng)納入DCS系統(tǒng)監(jiān)控采用“硬接線”方式，接入量主要有三種，即DI，DO和模擬量，一些保護(hù)動(dòng)作信號等則可經(jīng)串口與DCS通信。10kV、6kV廠用電系統(tǒng)的DO及SOE等重要量仍采用“硬接線”方式，廠用電系統(tǒng)的控制也采用“硬接線”方式，380V廠用電系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)的監(jiān)控?cái)M采用全通迅的方式。對每種電氣開關(guān)與DCS的接口按5個(gè)點(diǎn)考慮：合閘指令、分閘指令、合閘狀態(tài)、分閘狀態(tài)、遙控狀態(tài)信號。通過現(xiàn)場總線交換的信息包括：遠(yuǎn)方信號復(fù)歸;遠(yuǎn)方修改定值(在上位機(jī)實(shí)現(xiàn));模擬量測量數(shù)據(jù)：f，I，0，P，Q，直流量，溫度等;開關(guān)量：開關(guān)分、合位置、保護(hù)動(dòng)作信號、裝置故障信號等;脈沖量：有功、無功電度量;事故追憶數(shù)據(jù);GPS或上位機(jī)對時(shí)。 現(xiàn)場總線傳輸介質(zhì)：光纖、同軸電纜或屏蔽雙絞線，可根據(jù)實(shí)際選擇。電氣量控制的邏輯設(shè)計(jì)均在DCS內(nèi)，充分利用了DCS的監(jiān)視、控制功能。 4成本比較 以采用方案3的粵電集團(tuán)某廠的數(shù)據(jù)來看，隨著電氣控制的自動(dòng)化水平的提高，電氣設(shè)備的投資有所減少(未考慮由此增加的DCS的軟件費(fèi)用和減少的電纜施工費(fèi)用)。 5小結(jié) 通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，可以看到方案3優(yōu)點(diǎn)是：①自動(dòng)配料系統(tǒng)采用分層分布式體系結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)清晰、靈活，可以分階段實(shí)施，擴(kuò)充方便，于現(xiàn)場一次設(shè)備增加只需增加相應(yīng)的智能終端，并將智能終端連接到通信管理層就可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)底層擴(kuò)展，每個(gè)前端機(jī)或通信管理單元的擴(kuò)展多達(dá)數(shù)百個(gè)智能終端。②兼容性好。通信管理層所提供的前端機(jī)或者是通信管理單元可提供各種接口，如：RS232，RS422，RS485，Lonworks，CONBUS，PROFIBUS-DP及各種PLC通信規(guī)約等(不同的廠商可能配有不同的接口)，用于連接各種不同類型的智能終端來完成自動(dòng)化功能，可以將任何開放設(shè)備納入監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。③可靠性高。 自動(dòng)配料系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)理念，上位機(jī)后臺(tái)配料系統(tǒng)的監(jiān)控管理功能采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，標(biāo)準(zhǔn)的功能管理模塊可直接在后臺(tái)系統(tǒng)組態(tài)，功能管理模塊中的框圖監(jiān)控環(huán)境、圖形監(jiān)控環(huán)境、動(dòng)態(tài)趨勢環(huán)境、告警查詢、動(dòng)態(tài)報(bào)表、邏輯關(guān)系、能量管理等均可獨(dú)立運(yùn)行于不同的工作站上，模塊化的設(shè)計(jì)思想提高了系統(tǒng)的可靠性。若干前端機(jī)或通信管理單元構(gòu)成并行廠用電氣監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，保證了一個(gè)通信單元下的通信故障不會(huì)干擾網(wǎng)絡(luò)的其他部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用雙網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)可靠性好。 從上述經(jīng)濟(jì)比較看，投資有所減少，并且系統(tǒng)豐富的統(tǒng)計(jì)管理功能提高了運(yùn)行管理效率，降低了運(yùn)行維護(hù)成本。因此，在新建機(jī)組中建議采用方案。 | |
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