1 引言
統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)電機(jī)組約80%的事故停機(jī)是由于鍋爐故障引起的，而其中70%的故障是由受熱面損壞造成的。受熱面管路的損壞直接或間接地與運(yùn)行過程中受熱面的超溫有關(guān)，如果處理不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致爆管。而且一旦發(fā)生爆管等事故，其經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重。因此雖然其金屬壁溫不參與控制，但對(duì)于金屬壁溫的監(jiān)測(cè)，關(guān)系到鍋爐運(yùn)行的安全和鍋爐的壽命以及電廠的經(jīng)濟(jì)效益。
通常許多電廠的鍋爐壁溫?cái)?shù)據(jù)采集是通過溫度巡測(cè)記錄儀實(shí)現(xiàn)的，僅用于btg盤的監(jiān)視和報(bào)警管理。隨著電廠運(yùn)行和管理水平的提高，要求實(shí)現(xiàn)鍋爐壁溫的超溫統(tǒng)計(jì)和管理，常規(guī)單純采用溫度巡測(cè)儀已不能滿足要求。目前，dcs分散控制系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于電站，可將這些溫度信號(hào)全部進(jìn)入dcs，進(jìn)行金屬壁溫的采集，便于分析。實(shí)現(xiàn)金屬壁溫的監(jiān)測(cè)有多種方案，包括dcs一體化方案、智能遠(yuǎn)程i/o及ff技術(shù)，他們均具有物理分散性好、可靠性高、精度高、施工費(fèi)用少[1]等諸多優(yōu)點(diǎn)，近幾年已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用在火電機(jī)組中。
哪種方案更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、具體項(xiàng)目如何選用是一個(gè)需要在實(shí)踐中不斷探索的問題。本文以直流爐金屬壁溫為例，分析三種基于ovation系統(tǒng)的溫度監(jiān)視方案，對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。
2 幾種方案對(duì)比分析
ovation系統(tǒng)是艾默生過程控制公司在總結(jié)wdpf系統(tǒng)大量使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吸納了最新技術(shù)成就的產(chǎn)物，ovation網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高速公路的容量能滿足每秒200,000點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息傳輸，網(wǎng)絡(luò)全域的通訊速率為100mbps，能支持1,000個(gè)結(jié)點(diǎn)。并以開放的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)貫穿整個(gè)系統(tǒng)，使該系統(tǒng)可隨著世界計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步而進(jìn)步，易于吸納第三方開發(fā)的高性能應(yīng)用軟件，易于實(shí)現(xiàn)全廠乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的信息一體化，延長(zhǎng)了dcs系統(tǒng)的生命周期。甘肅平?jīng)鲭姀S于1997年1月首次正式將ovation作為其2×300mw機(jī)組的控制系統(tǒng)。
現(xiàn)以某機(jī)組一臺(tái)直流爐為例，對(duì)基于ovation系統(tǒng)的幾種方案進(jìn)行對(duì)比分析。該爐距中控室1000米，螺旋水冷壁出口金屬壁溫、上部水冷壁出口金屬壁溫、頂棚管出口金屬壁溫等233個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，均采用k分度熱電偶，量程范圍為0～550℃。
2.1 ovation一體化遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)
摒棄巡回檢測(cè)裝置,原進(jìn)入巡回檢測(cè)裝置的測(cè)點(diǎn)直接進(jìn)入ovation系統(tǒng)，可有2種不同的方式。
其一，是將控制器布置在相應(yīng)的鍋爐現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備間內(nèi)，信息通過冗余高速通訊總線引入控制室。但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，需要采取適當(dāng)空調(diào)和防塵措施。這種方案簡(jiǎn)單易行，估計(jì)電纜約節(jié)省30-40％，可收到一定的實(shí)效。
1 引言
統(tǒng)計(jì)表明，發(fā)電機(jī)組約80%的事故停機(jī)是由于鍋爐故障引起的，而其中70%的故障是由受熱面損壞造成的。受熱面管路的損壞直接或間接地與運(yùn)行過程中受熱面的超溫有關(guān)，如果處理不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致爆管。而且一旦發(fā)生爆管等事故，其經(jīng)濟(jì)損失相當(dāng)嚴(yán)重。因此雖然其金屬壁溫不參與控制，但對(duì)于金屬壁溫的監(jiān)測(cè)，關(guān)系到鍋爐運(yùn)行的安全和鍋爐的壽命以及電廠的經(jīng)濟(jì)效益。
通常許多電廠的鍋爐壁溫?cái)?shù)據(jù)采集是通過溫度巡測(cè)記錄儀實(shí)現(xiàn)的，僅用于btg盤的監(jiān)視和報(bào)警管理。隨著電廠運(yùn)行和管理水平的提高，要求實(shí)現(xiàn)鍋爐壁溫的超溫統(tǒng)計(jì)和管理，常規(guī)單純采用溫度巡測(cè)儀已不能滿足要求。目前，dcs分散控制系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于電站，可將這些溫度信號(hào)全部進(jìn)入dcs，進(jìn)行金屬壁溫的采集，便于分析。實(shí)現(xiàn)金屬壁溫的監(jiān)測(cè)有多種方案，包括dcs一體化方案、智能遠(yuǎn)程i/o及ff技術(shù)，他們均具有物理分散性好、可靠性高、精度高、施工費(fèi)用少[1]等諸多優(yōu)點(diǎn)，近幾年已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用在火電機(jī)組中。
哪種方案更具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、具體項(xiàng)目如何選用是一個(gè)需要在實(shí)踐中不斷探索的問題。本文以直流爐金屬壁溫為例，分析三種基于ovation系統(tǒng)的溫度監(jiān)視方案，對(duì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析比較。
2 幾種方案對(duì)比分析
ovation系統(tǒng)是艾默生過程控制公司在總結(jié)wdpf系統(tǒng)大量使用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，吸納了最新技術(shù)成就的產(chǎn)物，ovation網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)高速公路的容量能滿足每秒200,000點(diǎn)的實(shí)時(shí)信息傳輸，網(wǎng)絡(luò)全域的通訊速率為100mbps，能支持1,000個(gè)結(jié)點(diǎn)。并以開放的計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)貫穿整個(gè)系統(tǒng)，使該系統(tǒng)可隨著世界計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步而進(jìn)步，易于吸納第三方開發(fā)的高性能應(yīng)用軟件，易于實(shí)現(xiàn)全廠乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的信息一體化，延長(zhǎng)了dcs系統(tǒng)的生命周期。甘肅平?jīng)鲭姀S于1997年1月首次正式將ovation作為其2×300mw機(jī)組的控制系統(tǒng)。
現(xiàn)以某機(jī)組一臺(tái)直流爐為例，對(duì)基于ovation系統(tǒng)的幾種方案進(jìn)行對(duì)比分析。該爐距中控室1000米，螺旋水冷壁出口金屬壁溫、上部水冷壁出口金屬壁溫、頂棚管出口金屬壁溫等233個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，均采用k分度熱電偶，量程范圍為0～550℃。
2.1 ovation一體化遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)
摒棄巡回檢測(cè)裝置,原進(jìn)入巡回檢測(cè)裝置的測(cè)點(diǎn)直接進(jìn)入ovation系統(tǒng)，可有2種不同的方式。
其一，是將控制器布置在相應(yīng)的鍋爐現(xiàn)場(chǎng)電子設(shè)備間內(nèi)，信息通過冗余高速通訊總線引入控制室。但由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，需要采取適當(dāng)空調(diào)和防塵措施。這種方案簡(jiǎn)單易行，估計(jì)電纜約節(jié)省30-40％，可收到一定的實(shí)效。
其二，是將控制器布置在中控室，現(xiàn)場(chǎng)儀表通過布置在現(xiàn)場(chǎng)的ovation遠(yuǎn)程i/o站與控制器通信，此遠(yuǎn)程i/o站為防水防塵的密封機(jī)柜，設(shè)備價(jià)格略貴，但是可以耐惡劣環(huán)境（環(huán)境溫度≤60℃防塵），而且省去了電子設(shè)備間的土建費(fèi)用，節(jié)省了約30-40％的電纜用量，比較起來還是經(jīng)濟(jì)的。在工程上，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（das系統(tǒng)）常采用ovation遠(yuǎn)程i/o站的方式。
圖1所示為一體化遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。
圖1 ovation一體化的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)
遠(yuǎn)程i/o模塊放在遠(yuǎn)離控制室的鍋爐某一平臺(tái)，通過光纖與中控室的控制器的通訊，速率為10mbps，i/o模塊內(nèi)部通訊速率為2mbps。每個(gè)遠(yuǎn)程i/o接口卡能支持8個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，每個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)最多可以支持64個(gè)i/o模塊。模擬量輸入模塊最多支持8個(gè)模擬量輸入點(diǎn)。
對(duì)于該機(jī)組金屬壁溫的233個(gè)測(cè)點(diǎn)，僅需一個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)即可，電子室的主控柜需要1對(duì)遠(yuǎn)程i/o接口卡（pcrr卡），2塊互為冗余的mau模塊（光纖轉(zhuǎn)換模塊）。鍋爐房的遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)由2塊互為冗余的遠(yuǎn)程i/o模塊以及32塊tc模塊組成（每個(gè)tc模塊有8個(gè)通道）。這樣32塊可支持256個(gè)測(cè)點(diǎn)，平均每個(gè)模塊接7或8個(gè)測(cè)點(diǎn)，剩余23個(gè)通道作為備用。
該方案的優(yōu)點(diǎn)是：ovation一體化的遠(yuǎn)程i/o子系統(tǒng)擴(kuò)大dcs功能范圍，提供靈活的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工廠的各個(gè)關(guān)鍵部位的分散i/o控制，系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)性好，有利于實(shí)現(xiàn)信息共享、統(tǒng)一技術(shù)裝備，減少備品備件，方便運(yùn)行維護(hù)和管理。且在三種方案中，ovation一體化的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)與dcs的通訊速率是最快的。
2.2 基于modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)
隨著國(guó)產(chǎn)遠(yuǎn)程i/o設(shè)備的研制成功，采用國(guó)內(nèi)有成功案例的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)，經(jīng)通訊接口送入dcs系統(tǒng)。在dcs向fcs發(fā)展過程中，這種方案起到了承前啟后的作用。
在與第三方系統(tǒng)進(jìn)行通訊方面，ovation使用modbus協(xié)議的串行通訊控制器。modbus協(xié)議是一種主從式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊協(xié)議，允許一臺(tái)主機(jī)和多臺(tái)從機(jī)之間進(jìn)行通信。通過此協(xié)議，控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和第三方設(shè)備之間可以相互通信，進(jìn)行信息交換。
本系統(tǒng)以無(wú)錫貝爾的idas-2000分散式智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。dcs與國(guó)產(chǎn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集前端機(jī)的每個(gè)通訊端口數(shù)據(jù)采集點(diǎn)一般不超過300點(diǎn)模擬量點(diǎn)。
圖2所示為基于modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖2 基于modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)
電子室的控制柜需要1塊串口通訊控制卡（lc卡），其作為主機(jī)，idas高速抗干擾通訊模塊作為從機(jī)，通過rs232或rs485硬件接口，采用標(biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議，以19.2kbps的通訊速率與dcs進(jìn)行通訊。
鍋爐現(xiàn)場(chǎng)需要12臺(tái)智能采集前置機(jī)（每臺(tái)支持20個(gè)通道，各種熱電偶、熱電阻、直流電壓、電流、電阻可以在同一臺(tái)智能采集前置機(jī)上混接。具有3種冷端補(bǔ)償方式）。現(xiàn)場(chǎng)遠(yuǎn)程i/o站和中控室主站之間應(yīng)采用雙向冗余的通訊連接，idas的網(wǎng)絡(luò)最大距離是1200米。通訊電纜采用屏蔽雙絞線。
該方案的最大特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。其通用、成熟的第三方測(cè)試軟件及較低的成本，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的數(shù)據(jù)和控制命令的信息交互，系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單、實(shí)用，主要技術(shù)問題均通過軟件方法得以解決；數(shù)字化的信號(hào)傳輸，上層工作站及高速網(wǎng)之間的信息交換，全部使用數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了高速、雙向、多變量、多站點(diǎn)之間的通信。但信息集成能力不強(qiáng)，控制器獲取信息量有限，大量的數(shù)據(jù)如設(shè)備參數(shù)、故障診斷及故障記錄等很難得到，因此也很難完成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)定、修改等參數(shù)化功能，造成系統(tǒng)可維護(hù)性不高，而modbus有這方面的優(yōu)勢(shì)。
2.3 基于ff的智能儀表系統(tǒng)
進(jìn)入二十世紀(jì)九十年代以后，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（fcs，fieldbus control system）走向?qū)嵱没，F(xiàn)場(chǎng)總線是用于過程自動(dòng)化或制造自動(dòng)化中的，實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如變送器，執(zhí)行器，控制器）與高層設(shè)備（如主機(jī)，網(wǎng)關(guān)，人機(jī)接口設(shè)備）之間互聯(lián)的，全數(shù)字、串行、雙向的通信系統(tǒng)[2]。
emerson公司提供并生產(chǎn)了ovation控制系統(tǒng)控制器與ff現(xiàn)場(chǎng)總線接口裝置，使得ovation系統(tǒng)的數(shù)字通訊功能延伸至現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備。接口的核心部件是網(wǎng)關(guān)處理器，它處理所有進(jìn)出ovation控制器的以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)總線流量，同時(shí)緩存ovation控制器和h1現(xiàn)場(chǎng)總線模塊之間的傳輸信息，還具有自檢和糾錯(cuò)功能，將這些結(jié)果送到控制器進(jìn)行監(jiān)視。內(nèi)置的現(xiàn)場(chǎng)總線組態(tài)軟件（在ovation專用組態(tài)軟件develop studio中）能夠自動(dòng)、方便的把系統(tǒng)控制策略下載到某現(xiàn)場(chǎng)總線分支的所用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中。
圖3所示為基于ff的智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
圖3 基于ff的智能儀表系統(tǒng)
基于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線的溫度變送器848t是溫度測(cè)量的首選模塊。848t和dcs間的通訊是由h1卡（現(xiàn)場(chǎng)總線卡）并通過dcs組態(tài)來實(shí)現(xiàn)，h1的傳輸速率是31.25kbps，段的總長(zhǎng)度取決于電纜類型，最長(zhǎng)為1900米。它同時(shí)提供8路溫度測(cè)量，可分別組態(tài)為2線或3線熱電阻、熱電偶。
根據(jù)操作區(qū)域劃分，共配置1個(gè)網(wǎng)關(guān)，電源模塊和2塊非冗余的h1卡，每個(gè)h1卡有2個(gè)接口，4條ff總線，4塊為總線提供電源的mtl5995模塊內(nèi)帶終端，每條總線帶8臺(tái)848t共32臺(tái)。每條總線上掛8臺(tái)848t，每臺(tái)848t接7或8個(gè)k分度熱電偶，32臺(tái)848t最多可接256個(gè)點(diǎn)，現(xiàn)有233個(gè)點(diǎn)，剩余23個(gè)通道作為備用。
該方案最大的優(yōu)勢(shì)是fcs系統(tǒng)采用的是全數(shù)字、雙向通信，是目前技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，在信息時(shí)代的今天尤為突出。可用一對(duì)雙絞線電纜將分散的智能現(xiàn)場(chǎng)裝置連接至中央控制室，而模擬量傳輸無(wú)法做到這一點(diǎn)。通過現(xiàn)場(chǎng)總線獲得的大量的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息為管理決策提供了基礎(chǔ)[3]，且其傳輸抗干擾性強(qiáng)，測(cè)量精度高。
單從硬件設(shè)備的價(jià)格上來講，現(xiàn)場(chǎng)總線方案是最貴的，一體化遠(yuǎn)程方案次之，基于modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程方案最經(jīng)濟(jì)。但從dcs供應(yīng)商的選擇；電纜橋架和電纜保護(hù)管材料成本和安裝成本；電纜材料、電纜敷設(shè)及接線的成本和安裝成本；i/o卡件和機(jī)柜的成本以及潛在的系統(tǒng)、設(shè)備的升級(jí)，營(yíng)運(yùn)和維修等方面的費(fèi)用來綜合考慮系統(tǒng)成本的話，ff方案的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性將會(huì)越明顯。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的最終目標(biāo)是信息處理的現(xiàn)場(chǎng)化和智能化，技術(shù)優(yōu)勢(shì)隨著其發(fā)展也會(huì)越明顯。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文分析比較了三種基于ovation系統(tǒng)的金屬壁溫?cái)?shù)據(jù)采集方案，結(jié)果顯示：ovation一體化的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全廠dcs一體化，方便運(yùn)行維護(hù)和管理；基于modbus協(xié)議的遠(yuǎn)程i/o系統(tǒng)性價(jià)比最高；基于ff的智能儀表系統(tǒng)最具有發(fā)展?jié)摿ΑＭ瑫r(shí)這幾種方案不僅用于鍋爐金屬壁溫的監(jiān)測(cè)，對(duì)于汽機(jī)的金屬溫度；發(fā)電機(jī)的線圈、鐵芯、氫氣和冷卻水溫度；輔機(jī)軸承溫度；循環(huán)水泵房的測(cè)量；水工工業(yè)綜合水泵房的測(cè)量；燃油泵房的測(cè)量等其他輔助系統(tǒng)的測(cè)量都有一定的指導(dǎo)意義。在實(shí)際工程中，這三種方案都已成熟應(yīng)用，用戶可根據(jù)不同要求制定具體的方案。同時(shí)從遠(yuǎn)程智能i/o的成功應(yīng)用表明:由物理分散控制發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)總線型分散控制是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。