現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)在燃料管控的結(jié)合應(yīng)用

張德強(qiáng)，朱鋼毅，趙福剛，靳志達(dá)

(1.長(zhǎng)沙開(kāi)元儀器有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410100；2.國(guó)能長(zhǎng)源漢川發(fā)電有限公司，湖北 武漢 413614)

0 引 言

2020年我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比約在56.8%，由此決定火力發(fā)電仍占電力生產(chǎn)的主要部分,而煤炭占火力發(fā)電成本的70%以上,因此燃料管控就成為電力生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)[1]。隨著發(fā)電行業(yè)改革的不斷深入和煤炭?jī)r(jià)格的市場(chǎng)化，面對(duì)著“市場(chǎng)煤、計(jì)劃電”的現(xiàn)實(shí)格局，如何降低成本并提高企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力是每個(gè)發(fā)電企業(yè)面臨的巨大挑戰(zhàn)?；诎l(fā)電成本已成為影響發(fā)電企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵因素，為了提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與競(jìng)爭(zhēng)力，須在燃料管控系統(tǒng)挖潛增效。為提高燃料管控的數(shù)字化、信息化水平，目前發(fā)電企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)集中于通過(guò)燃料管控系統(tǒng)將燃料采制化過(guò)程進(jìn)行集成布置和有效管理[2-3]。

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)各電力集團(tuán)燃料智能化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，對(duì)燃料智能化控制技術(shù)的要求也越來(lái)越高。為了符合各大電力集團(tuán)對(duì)燃料智能化管控提出的新要求，各大設(shè)備廠家、系統(tǒng)集成商研發(fā)出多種燃料智能化管控系統(tǒng)，產(chǎn)品覆蓋了燃料計(jì)量、采樣、制樣、化驗(yàn)、煤場(chǎng)管理及流程控制等環(huán)節(jié)的管理全過(guò)程，已基本實(shí)現(xiàn)過(guò)程無(wú)人干預(yù)、數(shù)據(jù)不失真及不落地，對(duì)提高火電廠燃料管理的能效起到積極的作用。伴隨著自動(dòng)化控制系統(tǒng)日新月異，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)在火電廠燃料管控等得以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[4-15]，尤其傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller，PLC)、集散控制系統(tǒng)(Distribute Control System，DCS)標(biāo)準(zhǔn)不斷相互滲透，從而彌補(bǔ)相互之間的不足而得以完善。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(Fieldbus Control System，F(xiàn)CS)也即現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，其與可編程自動(dòng)控制器(Programmable Atomic Controller，PAC)也在新的自動(dòng)控制需求下應(yīng)運(yùn)而生并得到飛速發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)儀表及傳感技術(shù)已達(dá)到較高的水平且能較好地支持閉環(huán)控制?？偩€控制技術(shù)朝著統(tǒng)一、高速、穩(wěn)定方向發(fā)展，其中尤以基于以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展起來(lái)的工業(yè)以太網(wǎng)最為流行，Profinet即為其中的佼佼者[16]。

筆者將著重討論燃料智能化系統(tǒng)控制技術(shù)的設(shè)計(jì)理念、工業(yè)過(guò)程控制中DCS與FCS兩大控制技術(shù)在燃料智能化管控系統(tǒng)中的應(yīng)用和性能對(duì)比。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

信息技術(shù)的飛速發(fā)展致使現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的產(chǎn)生，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展同時(shí)又推動(dòng)了控制系統(tǒng)的向前發(fā)展?，F(xiàn)場(chǎng)總線是應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)并在控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)雙向串行多節(jié)點(diǎn)通訊的數(shù)字通信系統(tǒng)，其為在80年代后期發(fā)展的1種先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)控制技術(shù)，結(jié)合數(shù)字通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀表等多種技術(shù)手段，從根本上突破傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式模擬信號(hào)或數(shù)字模擬信號(hào)控制的局限性[17]。智能現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為現(xiàn)場(chǎng)總線的基礎(chǔ)，其分散在各個(gè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線連為一體，從而與控制室中的監(jiān)控設(shè)備共同構(gòu)成FCS。

FCS可將不同廠商的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品集成在同一套FCS中，具有互換性和互操作性，且將傳統(tǒng)DCS的控制功能下放至現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備以完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算和數(shù)據(jù)輸出等功能，因此FCS更好地體現(xiàn)了“信息集中、控制分散”的概念；FCS連線簡(jiǎn)單，將大幅降低安裝和連線的費(fèi)用[17]。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的智能化將增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能、減少一半以上的I/O設(shè)備，并提供更多的信息流動(dòng)。由于結(jié)構(gòu)上的改變，F(xiàn)CS比DCS節(jié)約硬件設(shè)備，同時(shí)減少大量電纜，使施工、調(diào)試簡(jiǎn)化。

FCS是影響今后幾十年自動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展的控制體系結(jié)構(gòu)變革，其將成為自動(dòng)控制系統(tǒng)的主流。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的實(shí)際使用效果

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是當(dāng)今自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動(dòng)化領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)局域網(wǎng)。現(xiàn)場(chǎng)總線使自控系統(tǒng)與設(shè)備加入到信息網(wǎng)絡(luò)的行列，將企業(yè)信息溝通的覆蓋范圍一直延伸至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中也取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

以華能玉環(huán)電廠水處理FCS系統(tǒng)為例:按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)共有I/O點(diǎn)536點(diǎn)(模擬量87點(diǎn))，其中490點(diǎn)采用了現(xiàn)場(chǎng)總線儀表或設(shè)備。經(jīng)分析和計(jì)算，在控制機(jī)柜(含模件)、儀表設(shè)備2個(gè)方面，F(xiàn)CS價(jià)格高約12.6%和12.2%；在信號(hào)電纜、電纜橋架、安裝和接線等材料投資方面，F(xiàn)CS分別節(jié)省52.7%、50.6%、86.3%。綜合比較基建直接造價(jià)，F(xiàn)CS能節(jié)省約7%。以上僅是可量化的主要直接投資，未計(jì)算節(jié)省的安裝工日和縮短調(diào)試時(shí)間的人力費(fèi)用[3]。

分享另1個(gè)某石油化工廠的案例:采用FCS設(shè)備的總投資費(fèi)用比DCS系統(tǒng)要多0.158%，所占費(fèi)用比例不高卻使控制系統(tǒng)的層次上升至較高的水平。采用FCS可以加快項(xiàng)目建設(shè)的進(jìn)度，對(duì)日后設(shè)備的管理和維護(hù)均帶來(lái)革命性的變化[2]。

從以上2個(gè)實(shí)際案例中可看出，用戶對(duì)FCS系統(tǒng)的實(shí)際使用效果持正面和肯定的態(tài)度。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)的結(jié)合應(yīng)用

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的意義

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱現(xiàn)場(chǎng)總線)同樣也存在著各式各樣的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線最新的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61158(2007年發(fā)布的第4版)，目前已有20種現(xiàn)場(chǎng)總線加入了該標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)表1。在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，仍將會(huì)出現(xiàn)多種現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)共存的局面。

表1 IEC 61158中收錄的20種現(xiàn)場(chǎng)總線Table 1 20 fieldbuses included in IEC 61158

而在現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)中，由于工業(yè)以太網(wǎng)具有良好的適應(yīng)性、兼容性、擴(kuò)展性及與信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接等特性，越來(lái)越多的廠商正在努力使以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

3.2 工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用

由于現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)化制定存在一定的難度，人們開(kāi)始尋求新的工業(yè)通訊出路，此時(shí)符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的局域網(wǎng)(LAN)產(chǎn)品組之以太網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)，并按照IEEE 802.3實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化。工業(yè)以太網(wǎng)是指在工業(yè)環(huán)境的自動(dòng)化控制及過(guò)程控制中應(yīng)用以太網(wǎng)的相關(guān)組件及技術(shù)并采用TCP/IP協(xié)議、與IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)兼容、在應(yīng)用層會(huì)加入各自特有協(xié)議的通信技術(shù)[18-19]。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)具有技術(shù)簡(jiǎn)單、開(kāi)放性好、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在辦公和商務(wù)市場(chǎng)具有很高的占有率。

工業(yè)以太網(wǎng)最大的優(yōu)勢(shì)在于可滿足控制系統(tǒng)各個(gè)層次的要求，使得企業(yè)的信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一，網(wǎng)絡(luò)集成相對(duì)容易且快速，開(kāi)發(fā)技術(shù)廣泛，硬件升級(jí)范圍廣，價(jià)格低廉，易獲得眾多廠商的支持[20]。其技術(shù)特點(diǎn)具體表現(xiàn)在以下4個(gè)方面:① Ethernet是全開(kāi)放、全數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備遵照網(wǎng)絡(luò)協(xié)議極易實(shí)現(xiàn)互聯(lián)；② 以太網(wǎng)能實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，形成企業(yè)級(jí)管控一體化的全開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)；③ 軟硬件成本低廉:由于以太網(wǎng)技術(shù)已很成熟，支持以太網(wǎng)的軟硬件受到廠商的高度重視和廣泛支持，目前有多種軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和硬件設(shè)備供用戶選擇[21]；④ 通信速率高:隨著企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化，10 M、100 M的快速以太網(wǎng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用，千兆以太網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，10 G以太網(wǎng)也正在研究，其速率比現(xiàn)場(chǎng)總線更快[22]。

在生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化和工業(yè)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的時(shí)代，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸是邁向工業(yè) 4.0 的關(guān)鍵因素。工業(yè)以太網(wǎng)在所有業(yè)務(wù)和生產(chǎn)級(jí)別創(chuàng)建一致的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，并支持實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和IT數(shù)據(jù)的無(wú)沖突透明傳輸。通過(guò)使用工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，可以在可預(yù)測(cè)的傳輸時(shí)間內(nèi)可靠地獲得大量數(shù)據(jù)，甚至是在對(duì)參與者的數(shù)量幾乎沒(méi)有限制的情況下。

由于快速以太網(wǎng)、交換技術(shù)或全雙工傳輸?shù)燃夹g(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已成為當(dāng)今自動(dòng)化技術(shù)中最重要的傳輸類型之一。通過(guò)快速以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)傳輸在傳感器和控制/執(zhí)行器級(jí)別變得日益重要。PROFINET、VNET/IP和EtherCAT等協(xié)議的總線周期可達(dá)到100 μs，意味著其周期時(shí)間不到1 ms，可滿足嚴(yán)格的實(shí)時(shí)要求。

以工業(yè)以太網(wǎng)的佼佼者Profinet為例，其實(shí)時(shí)通信功能主要是在交換式以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)幀RT實(shí)時(shí)通道與時(shí)分復(fù)用等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。Profinet對(duì)于不同的應(yīng)用及其實(shí)時(shí)性能要求的不同，包含了3種實(shí)時(shí)類型，且該3種通道可以在同一網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備上同時(shí)運(yùn)行[23]。Profinet通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Profinet通信協(xié)議結(jié)構(gòu)Fig.1 Profinet communication protocol structure

Profinet通信的性能等級(jí)如下：

(1)用于非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的TCP/IP標(biāo)準(zhǔn)通信。適合對(duì)時(shí)間要求不高的普通應(yīng)用場(chǎng)合，滿足自動(dòng)化層與其他網(wǎng)絡(luò)連接的需求。

(2)用于實(shí)行性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)(RT)通信。為了能滿足自動(dòng)化中的實(shí)時(shí)要求，在 Profinet中規(guī)定優(yōu)化的實(shí)時(shí)通信通道，不僅最小化通信棧，且也對(duì)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸進(jìn)行優(yōu)化。按照IEEE802.1q的標(biāo)準(zhǔn)將信息包區(qū)分為不同的優(yōu)先級(jí)，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)流由網(wǎng)絡(luò)部件根據(jù)此優(yōu)先級(jí)進(jìn)行控制。RT通信需要使用特殊的工業(yè)交換機(jī)。

(3)對(duì)于時(shí)間要求特別嚴(yán)格的同步實(shí)時(shí)(IRT)通信，特別適用于高性能傳輸、過(guò)程數(shù)據(jù)的等時(shí)同步傳輸以及高性能的同步運(yùn)動(dòng)控制，比如一些伺服運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合。Profinet的同步實(shí)時(shí)IRT功能由內(nèi)嵌的同步實(shí)時(shí)交換芯片提供，需要使用特殊的工業(yè)交換機(jī)，且須對(duì)通信路徑進(jìn)行規(guī)劃，明確通信規(guī)則。此種基于硬件的同步實(shí)時(shí)通信解決方案能夠在大量數(shù)據(jù)傳遞下保持足夠高的時(shí)間確定性。

上述3種性能等級(jí)的Profinet通信已覆蓋自動(dòng)化應(yīng)用的全部范圍。相信在不久的將來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)將成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要形式和發(fā)展趨勢(shì)。

4 燃料智能化管控系統(tǒng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)理念

燃料智能化管控系統(tǒng)是集智能化設(shè)備、設(shè)備監(jiān)控和經(jīng)營(yíng)管理流程于一體的信息化綜合系統(tǒng)，系統(tǒng)控制技術(shù)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)采用高度解耦架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)備、部件、單元控制系統(tǒng)可以按需組合，快速適應(yīng)客戶需求。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制，總體上應(yīng)采用“危險(xiǎn)分散”理論，將控制功能下放到各級(jí)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)分布式控制，子系統(tǒng)分散運(yùn)行可以避免采用集中控制帶來(lái)的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)備內(nèi)部應(yīng)實(shí)現(xiàn)總線接入，如Profibus、Profinet、Modbus，方便接入各種儀表和控制器。設(shè)備級(jí)之間建議統(tǒng)一采用工業(yè)以太網(wǎng)Profinet環(huán)網(wǎng)形式組網(wǎng):Profinet采用全雙工通訊，各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳遞實(shí)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)抗干擾穩(wěn)定。應(yīng)深入挖掘閉環(huán)控制，既從整個(gè)燃料流程中找大的閉環(huán)，又從細(xì)節(jié)上找精度控制的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)人閉環(huán)、信息流閉環(huán)、設(shè)備動(dòng)作閉環(huán)、煤樣閉環(huán)。數(shù)據(jù)系統(tǒng)應(yīng)堅(jiān)持“不落地”思維，加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)的加密措施，確保數(shù)據(jù)在整個(gè)燃料系統(tǒng)中的全流程信息安全。應(yīng)加強(qiáng)安全措施，從人員、設(shè)備、信息、煤樣的安全著手，在任何可能的環(huán)節(jié)均細(xì)致考慮，妥善安排安全聯(lián)鎖、警示標(biāo)識(shí)、培訓(xùn)、區(qū)域限制等工作。人機(jī)界面(管控界面)應(yīng)從技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、功能性、安全性、實(shí)用性、易用性等多個(gè)角度綜合設(shè)計(jì)，以期最終達(dá)到易用性好、實(shí)用性強(qiáng)、集中管控到位、安全穩(wěn)定可靠、予人美感。自主研發(fā)的燃料智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 自主研發(fā)的燃料智能化管控系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Intelligent fuel management and control system architecture by developed independently

5 DCS與FCS技術(shù)的應(yīng)用對(duì)比

目前燃料智能化管控系統(tǒng)，主要采用以PLC、以太網(wǎng)、串口、數(shù)據(jù)庫(kù)、人機(jī)組態(tài)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也有部分系統(tǒng)通過(guò)DCS控制實(shí)現(xiàn)，各大廠家也在不斷融合FCS控制方式，將更多的總線控制融入到燃料管控系統(tǒng)中。采用DCS和FCS的燃料管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖3所示。

圖3 分別采用DCS和FCS的燃料管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.3 Comparison of fuel management and control system structures using DCS and FCS respectively

5.1 燃料智能化系統(tǒng)功能層級(jí)架構(gòu)

電廠對(duì)燃料總體控制需求基本統(tǒng)一，燃料智能化系統(tǒng)功能層級(jí)也基本一致。燃料智能化系統(tǒng)功能層級(jí)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 燃料智能化系統(tǒng)功能層級(jí)架構(gòu)Fig.4 Functional hierarchy diagram of fuel intelligent system

5.2 燃料控制系統(tǒng)方案分析比對(duì)

針對(duì)DCS、PLC+數(shù)據(jù)庫(kù)/OPC+IPC、PLC+FCS+IPC控制系統(tǒng)的相應(yīng)方案分析各控制系統(tǒng)應(yīng)用到燃料管控系統(tǒng)中的優(yōu)缺點(diǎn)，并從中優(yōu)選1種方案。

5.2.1DCS控制系統(tǒng)方案

選用DCS控制器進(jìn)行集中控制，將所有設(shè)備的控制集中到1個(gè)控制單元內(nèi)。DCS控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 DCS控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 DCS control system architecture

5.2.2PLC+數(shù)據(jù)庫(kù)/OPC+IPC控制系統(tǒng)方案

選用獨(dú)立PLC+數(shù)據(jù)庫(kù)/OPC (用于過(guò)程控制的OLE) +IPC(工業(yè)計(jì)算機(jī))控制模式，各個(gè)設(shè)備具有獨(dú)立的控制器和控制回路以及能獨(dú)自完成一定功能的子系統(tǒng)，即使管控中心出現(xiàn)故障，各子系統(tǒng)仍能完成各自的功能；各子系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)或OPC服務(wù)器的方式，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)之間的聯(lián)系；各子系統(tǒng)獨(dú)立，有利于標(biāo)準(zhǔn)化，能靈活實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的組合，形成適應(yīng)于現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)。PLC+數(shù)據(jù)庫(kù)/OPC+IPC控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 PLC+數(shù)據(jù)庫(kù)/OPC+IPC控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 PLC + database/OPC + IPC control system architecture

5.2.3PLC+FCS+IPC控制系統(tǒng)方案

PLC+FCS+IPC控制系統(tǒng)有效利用分布式控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、總線控制技術(shù)的結(jié)合，有效地貼合燃料智能化系統(tǒng)設(shè)備分散、子系統(tǒng)小型化、子系統(tǒng)組合多樣化、子系統(tǒng)數(shù)字化、子系統(tǒng)控制高速要求等特點(diǎn)，從根本上解決燃料智能化設(shè)備控制系統(tǒng)遇到的問(wèn)題，既能解決各制造商的標(biāo)準(zhǔn)化訴求，又能實(shí)現(xiàn)使用方要求的集中管控需求。

此方案系統(tǒng)由管控中心上位機(jī)、中心控制器(冗余PLC)、各子系統(tǒng)控制器(PLC)、統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信息采集器等組成。利用中心控制器管理總流程，銜接各子系統(tǒng)間控制流轉(zhuǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一，一網(wǎng)到底，高速安全。管控中心上位機(jī)接收信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，輔助中心控制器控制，根據(jù)中心控制器提供的控制信息，各子系統(tǒng)獨(dú)立完成系統(tǒng)內(nèi)功能，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果和過(guò)程狀態(tài)提供給中心控制器，管控中心上位機(jī)將采集到中心控制器的信息展示給監(jiān)控者，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料智能化過(guò)程管控。采用PLC+FCS+IPC控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 PLC+FCS+IPC控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.7 PLC + FCS + IPC control system architecture

5.2.4方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

DCS控制系統(tǒng)方案、PLC+數(shù)據(jù)庫(kù)/OPC+IPC控制系統(tǒng)方案、PLC+FCS+IPC控制系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比匯總于表2。

表2 3種控制系統(tǒng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of three control system schemes’s advantages and disadvantages

智能化的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)1套最貼合燃料智能化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，結(jié)合描述的特點(diǎn)，可認(rèn)為PLC+FCS+數(shù)據(jù)庫(kù)+IPC+工業(yè)以太網(wǎng)將是1個(gè)最優(yōu)組合。筆者一直致力于方案的深入研究，以期燃料智能化系統(tǒng)更加先進(jìn)可靠，從而實(shí)現(xiàn)更高層次的智能化。綜上所述，推薦優(yōu)先采用方案3(PLC+FCS+IPC)燃料智能化系統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案。

6 燃料智能管控系統(tǒng)改造與自主研發(fā)

盡管前文中闡述了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與工業(yè)以太網(wǎng)的大量?jī)?yōu)點(diǎn)，但任何新技術(shù)的出現(xiàn)均為對(duì)原有技術(shù)的繼承和發(fā)展，而非徹底否定原來(lái)的技術(shù)。由DCS向FCS的過(guò)渡是1個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，而目前正處于過(guò)渡階段，大多數(shù)用戶更傾向于對(duì)其現(xiàn)有的控制系統(tǒng)進(jìn)行逐步的增添和替換。在開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)時(shí)，既要考慮現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)，又需兼顧系統(tǒng)的開(kāi)放性和兼容性。因此，在許多電廠的燃料管控項(xiàng)目中大多使用FCS、PLC和DCS混合的系統(tǒng)。

很多電廠已有的自動(dòng)化控制系統(tǒng)屬于DCS系統(tǒng)，在此種情況下仍有多種可采取的方案：① 將現(xiàn)場(chǎng)總線集成于DCS系統(tǒng):比如將現(xiàn)場(chǎng)總線在DCS系統(tǒng)的I/O總線上集成，或現(xiàn)場(chǎng)總線通過(guò)網(wǎng)關(guān)與DCS系統(tǒng)集成；② 將現(xiàn)有的DCS系統(tǒng)集成至FCS中:如將規(guī)模較小的DCS工程師站加裝1塊支持現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)卡，將DCS系統(tǒng)變成FCS上的1個(gè)站點(diǎn)；③ 利用OPC技術(shù)將DCS與FCS集成。

以自主研發(fā)的燃料智能化管控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)屬于FCS+PLC的控制系統(tǒng)，設(shè)備之間統(tǒng)一采用工業(yè)以太網(wǎng)Profinet環(huán)網(wǎng)形式組網(wǎng)，采用全雙工通訊。該系統(tǒng)由管控中心上位機(jī)、中心控制器(冗余PLC)、各子系統(tǒng)控制器(PLC)、工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)智能執(zhí)行機(jī)構(gòu)和信息采集器等組成。利用中心控制器管理總流程，銜接各子系統(tǒng)間控制流轉(zhuǎn)，使用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)。管控中心上位機(jī)接收信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，輔助中心控制器控制，根據(jù)中心控制器提供的控制信息，各子系統(tǒng)獨(dú)立完成系統(tǒng)內(nèi)功能，同時(shí)將執(zhí)行結(jié)果和過(guò)程狀態(tài)提供給中心控制器，管控中心上位機(jī)將采集到中心控制器的信息展示給監(jiān)控者，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料智能化過(guò)程管控。各子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳遞實(shí)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)抗干擾穩(wěn)定、數(shù)據(jù)“不落地”，完全實(shí)現(xiàn)了人閉環(huán)、信息流閉環(huán)、設(shè)備動(dòng)作閉環(huán)、煤樣閉環(huán)。

自主研發(fā)的FCS+PLC管控系統(tǒng)及智能化設(shè)備如圖8所示。

圖8 自主研發(fā)的FCS+PLC管控系統(tǒng)及智能化設(shè)備Fig.8 FCS + PLC control system and intelligent equipment developed independently

7 結(jié) 語(yǔ)

隨著《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略的推進(jìn)以及“工業(yè)4.0”技術(shù)的實(shí)施推廣，工業(yè)智能化的概念越來(lái)越深入人心。為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電行業(yè)燃料管控進(jìn)一步的智能優(yōu)化，大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)會(huì)日益成為各電力集團(tuán)重點(diǎn)考慮的方向。在上述背景下，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和以太網(wǎng)相結(jié)合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加突顯。智能優(yōu)化決策采用工業(yè)云來(lái)實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與工業(yè)云連接，提供智能優(yōu)化決策所需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和宏觀決策?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)與以太網(wǎng)的結(jié)合能為發(fā)電企業(yè)跨入“工業(yè)4.0”時(shí)代提供最為可靠和有力的技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。