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电站现场总线控制系统FCS165
发布时间:2009-08-19   信息来源:华能集团   

  电站现场总线控制系统FCS165是西安热工研究院有限公司(中国华能集团公司技术中心)自主研发的电站自动化控制系统,其目标是实现1000MW等级火电机组全数字化的控制、监视、管理的自动化。该系统也可应用在水电、化工、造纸、水泥等过程工业控制领域中。FCS165系统不仅吸收了国际先进的DCS技术,而且融入了新型的第五代自动化控制技术-现场总线控制技术,嵌入符合国际现场总线标准IEC61158的Profibus和FF技术,构成新一代现场总线控制系统FCS (Fieldbus Control System),为实现真正的数字化电厂提供技术装备。

  FCS165系统融入了西安热工研究院40多年的火电厂控制技术和优化经验,技术先进、性能可靠,功能上最大限度地满足电厂需要,人机界面友好,符合工程组态人员以及电厂人员使用习惯。

  1 系统概况

  FCS165系统配置三层通信网络。顶层是信息网(100M交换型以太网),是非实时和管理数据通道,并连接厂级信息网;中层是机组主控通信网(100M交换型以太网),是实时、控制数据通道,连接DPU、操作员站、工程师站和历史数据站;下层是I/O和现场总线通信网,是现场过程参数、状态、诊断数据通道,连接I/O模件、现场总线仪表和设备。网络结构见图1。

图1 FCS165系统总体结构

  2 系统特点

  2.1 系统规模

  主控通信网:冗余结构;DPU最大冗余节点50个,最大操作员站/工程师站节点(冗余通道)50个,最大历史数据站节点27个。采用无服务器的分布式数据库结构,各操作员站对等。

  信息网:冗余结构;最大网络节点254个。

  分布式控制站(DPU):控制器冗余配置;5层I/O机架,可插入58块I/O模件,传统I/O点928点。可插入3对冗余Profibus-DP通信主站,形成3对独立的冗余Profibus-DP主网段;可插入4个FF-H1通信主站,组成16个FF-H1网段(每个主站管理4个FF-H1网段)。

  数据库:实时数据库容量和历史数据库容量可达10万点。

  2.2 控制器

  DPU的核心——控制器FCP01,32位嵌入式精简指令集(RISC)CPU,运算速度200MIPS(基本指令周期5ns/次)。快速内存(SDRAM) 64M,闪存(Flash)32M。功耗4.2W。集成冗余100Mbps以太网接口,嵌入式实时多任务操作系统,内置丰富的适用电站控制的功能块算法以及现场总线数据处理功能。运算扫描周期最快20ms,可同时处理5个运算周期的组态逻辑。

  2.3I/O卡件精度

  模拟量输入卡件:4~20mA(1~5V) 0.1% ;TC、RTD(mV信号) 0.2%

  模拟量输出卡件:4~20mA(1~5V) 0.2%。

  SOE卡件:分辨率1ms;不同DPU间的SOE卡件通过GPS时间同步,分辨率可达1ms。

  2.4嵌入式现场总线系统

  DPU可同时插入Profibus-DP通信主站、FF-H1通信主站和I/O模件;

  现场总线通信主站与控制器FCP01通过背板并行总线交换数据;现场总线设备数据、状态和诊断信息直接进入FCP01实时数据库,可与传统I/O信号统一用于组态控制、运算。

  与工程师站一体化的Profibus网络、主站、从站的组态、监视、调试、诊断软件工具,采用Windows资源管理器界面风格。见图2。

图2 Profibus现场总线网络和设备组态界面

  2.5 适应工业环境运行

  FCS165系统硬件设计和制造满足火电厂工业环境的运行要求。

  * 电磁兼容性:静电放电通过工业3级试验(接触放电±6000V,空气放电±8000V);浪涌冲击通过工业2级试验(±1000V);电快速瞬变脉冲群通过工业2级试验(±1000V);电压暂降、短时中断通过工业级试验。以上试验均按照国标GB/T 1762.X执行(等同IEC6100-4-X标准)。

  * 环境条件:

  正常工作环境温度: I/O 模件 -10℃~+70℃;电源 -10℃~+55℃;

  正常工作环境湿度: 10~96%(不结露)。

图3 FCS165系统分布式控制站(DPU)

  3 主要硬件及其性能

  3.1 系统电源

  每个DPU采用冗余配置,均衡供电方式。双路外部交流电源输入。每套系统电源的参数如下:

  输入:(220 ±20%) Vac

  输出:5Vdc 40A;24Vdc 25A;48Vdc 6.25A

  隔离:路路隔离,隔离电压大于2000V

  功能:自诊断输入、输出电压、电流、短路、过载等,机箱和散热器温度。液晶面板显示各参数。RS485通信直接与FCP01接口,状态、故障、报警信息传送。

  保护:短路保护,过热保护,低电压保护。

  3.2 传统I/O模件

  表1 为传统I/O模件的主要性能一览表。

表1 I/O模件主要特性一览表

名 称

型 号

I/O通道数

转换精度

隔离

性能特点

开关量输入(DI)
(照片)

FDI01

16

路路隔离

电压或触点输入,查询电压24/48Vdc。采样和转换速率为20/秒。软件过滤抖动(4ms)功能

开关量输出(DO)
(照片)

FDO01

16

路路隔离

配合不同端子单元,实现电压输出、继电器输出。共4DO端子单元。

8路模拟量输入(AI)
(照片)

FAI01

8

每路单独A/D,16位,精度±0.1%

路路隔离

输入420mA。采样和转换速率为20/秒。具备自诊断功能、安全保护功能。

16路模拟量输入(AI)
(照片)

FAI02

16

4路一个A/D,16位,精度±0.1%

数字隔离,每4路隔离

输入信号420mA020mA15V05V,在端子单元上跳线选择。采样和转换速率10/秒;具备自诊断功能、安全保护功能。

模拟量输出(AO)
(照片)

FAO01

8

每路单独D/A,12位。精度±0.2%

数字隔离,路路隔离

电流输出负载能力阻抗最大750Ω。输出方式电压(010V)和电流(020mA),可通过端子单元跳线选择。

热电偶输入(TC)
(照片)

FTC01

15

4路一个A/D,16位。精度±0.2%

数字隔离,路路隔离

16路用于冷端补偿,显示环境温度。采样和转换速率4/秒;具备自诊断功能、安全保护功能。适用于EKTJR分度,模件完成转换、线性化、补偿功能。

热电阻输入(RTD)
(照片)

FRT01

12

4路一个A/D,16位。精度±0.2%

数字隔离,路路隔离

可支持234线制。适用于Pt100,Cu50。模件完成转换、线性化、补偿功能。采样和转换速率4/秒;具备自诊断功能、安全保护功能。

脉冲输入(PI)

FPI01

8

光电隔离,路路隔离

输入频率(010k)Hz, 脉冲幅值:5V10V24V。信号类型为继电器干接点或电压信号。自诊断功能。计数范围4字节,有溢出标志;计数值有断电记忆和上电恢复功能


  3.3 电站专用模件

  电站专用模件包括SOE、汽轮机测速、电液伺服阀控制等。详见表2。

表2 电站专用模件主要特性一览表

名 称

型 号

I/O通道数

转换精度

隔离

性能特点

高速顺序事件记录(SOE)
(照片)

FSE01

16

分辨率1ms

路路隔离

通道提供48VDC 查询电压;软件过滤抖动(4ms)功能;自诊断功能以及安全保护功能;GPS时间同步信号实现不同站SOE的时间同步

第三方通信模件
(照片)

FCM01

2RS485
1
路以太网

采用32位嵌入式CPU(AMR7系列)

2RS485接口可设置为独立或互为冗余,RTU Plus协议。以太网为TCP/IP协议

汽机转速测量和超速保护(Speed&OPT)
(照片)

FSD01

1路转速
1
DO
1
DI

转速测量转换精度±1r/min

转速脉冲输入频率100Hz10kHz

汽机伺服阀驱动
(照片)

FHS01

3LVDT输入
2
路冗余伺服阀输出
1
路保护DI

A/D转换16位,精度±0.1%

输入3LVDT(交流或直流),设定中值、均值等;自动阀位校验;阀门闭环控制;跳闸保护;紧急手动;MOOG阀驱动,420mA输出。


  4 主要软件及其功能

  4.1 工程师站

  工程师站软件包括组态、调试、维护等功能。

  * 组态:数据库组态、控制逻辑组态、现场总线系统组态、操作员画面组态。控制逻辑采用符合IEC61131-3标准的功能块(FBD)图形方式组态。见图4。每对FCP01可容纳512页功能块组态图,每页图256个功能块。

  * 调试:DPU在线工况下,下载、上载组态,实时修改功能块参数、强制/保持功能块输出、强制信号质量状态等。在线监视功能块运行状态、参数。查询、解除强制/保持状态。

  * 维护:复位、启动FCP01,切换主、备FCP01,检查、重置FCP内存和闪存等。

(a) 开关量控制组态图

(b) 模拟量控制组态图

图4 图形化的控制逻辑组态图

  4.2 操作员站

  操作员软件主要包括组态、监控等功能。

  * 组态:工艺流程图组态、实时趋势组态、报表组态等

  * 监控:工艺过程监控、实时趋势监视、历史数据检索、历史趋势和报表浏览、报表生成和打印等。流程图见图5。实时趋势每幅图最多12根曲线,历史趋势每幅图最多8根曲线。

  4.3 历史站

  历史站软件主要包括数据采集、历史数据库管理、历史数据处理等功能。

  * 数据采集:历史站通过主控网络独立采集各FCP01的广播数据,并按照预先组态的数据库字段和规则存储。

  * 历史数据库管理:数据维护;存储空间分配和管理等。

  * 历史数据处理:响应操作员站数据检索要求,调出相关数据形成数据包,通过信息网发送。组成各类历史记录、历史报表等。

图5 监控工艺流程图

  5 应用

  FCS165系统适用于不同规模的控制系统,特别适合组成DCS-FCS一体化的系统。某电厂水网控制系统结构如图6所示。该系统包括锅炉补给水处理、工业废水处理、净水站和综合水泵房控制。采用传统I/O与Profibus现场总线相结合的控制方式。

图6 电厂水网现场总线控制系统结构图
  
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