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電站現場總線控制系統FCS165
發布時間:2009-08-19   信息來源:中國華能   

  電站現場總線控制系統FCS165是西安熱工研究院有限公司(中國華能集團公司技術中心)自主研發的電站自動化控制系統,其目標是實現1000MW等級火電機組全數字化的控制、監視、管理的自動化。該系統也可應用在水電、化工、造紙、水泥等過程工業控制領域中。FCS165系統不僅吸收了國際先進的DCS技術,而且融入了新型的第五代自動化控制技術-現場總線控制技術,嵌入符合國際現場總線標準IEC61158的Profibus和FF技術,構成新一代現場總線控制系統FCS (Fieldbus Control System),為實現真正的數字化電廠提供技術裝備。

  FCS165系統融入了西安熱工研究院40多年的火電廠控制技術和優化經驗,技術先進、性能可靠,功能上最大限度地滿足電廠需要,人機界面友好,符合工程組態人員以及電廠人員使用習慣。

  1 系統概況

  FCS165系統配置三層通信網絡。頂層是信息網(100M交換型以太網),是非實時和管理數據通道,并連接廠級信息網;中層是機組主控通信網(100M交換型以太網),是實時、控制數據通道,連接DPU、操作員站、工程師站和歷史數據站;下層是I/O和現場總線通信網,是現場過程參數、狀態、診斷數據通道,連接I/O模件、現場總線儀表和設備。網絡結構見圖1。

圖1 FCS165系統總體結構

  2 系統特點

  2.1 系統規模

  主控通信網:冗余結構;DPU最大冗余節點50個,最大操作員站/工程師站節點(冗余通道)50個,最大歷史數據站節點27個。采用無服務器的分布式數據庫結構,各操作員站對等。

  信息網:冗余結構;最大網絡節點254個。

  分布式控制站(DPU):控制器冗余配置;5層I/O機架,可插入58塊I/O模件,傳統I/O點928點??刹迦?對冗余Profibus-DP通信主站,形成3對獨立的冗余Profibus-DP主網段;可插入4個FF-H1通信主站,組成16個FF-H1網段(每個主站管理4個FF-H1網段)。

  數據庫:實時數據庫容量和歷史數據庫容量可達10萬點。

  2.2 控制器

  DPU的核心——控制器FCP01,32位嵌入式精簡指令集(RISC)CPU,運算速度200MIPS(基本指令周期5ns/次)??焖賰却?SDRAM) 64M,閃存(Flash)32M。功耗4.2W。集成冗余100Mbps以太網接口,嵌入式實時多任務操作系統,內置豐富的適用電站控制的功能塊算法以及現場總線數據處理功能。運算掃描周期最快20ms,可同時處理5個運算周期的組態邏輯。

  2.3I/O卡件精度

  模擬量輸入卡件:4~20mA(1~5V) 0.1% ;TC、RTD(mV信號) 0.2%

  模擬量輸出卡件:4~20mA(1~5V) 0.2%。

  SOE卡件:分辨率1ms;不同DPU間的SOE卡件通過GPS時間同步,分辨率可達1ms。

  2.4嵌入式現場總線系統

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

  現場總線通信主站與控制器FCP01通過背板并行總線交換數據;現場總線設備數據、狀態和診斷信息直接進入FCP01實時數據庫,可與傳統I/O信號統一用于組態控制、運算。

  與工程師站一體化的Profibus網絡、主站、從站的組態、監視、調試、診斷軟件工具,采用Windows資源管理器界面風格。見圖2。

圖2 Profibus現場總線網絡和設備組態界面

  2.5 適應工業環境運行

  FCS165系統硬件設計和制造滿足火電廠工業環境的運行要求。

  * 電磁兼容性:靜電放電通過工業3級試驗(接觸放電±6000V,空氣放電±8000V);浪涌沖擊通過工業2級試驗(±1000V);電快速瞬變脈沖群通過工業2級試驗(±1000V);電壓暫降、短時中斷通過工業級試驗。以上試驗均按照國標GB/T 1762.X執行(等同IEC6100-4-X標準)。

  * 環境條件:

  正常工作環境溫度: I/O 模件 -10℃~+70℃;電源 -10℃~+55℃;

  正常工作環境濕度: 10~96%(不結露)。

圖3 FCS165系統分布式控制站(DPU)

  3 主要硬件及其性能

  3.1 系統電源

  每個DPU采用冗余配置,均衡供電方式。雙路外部交流電源輸入。每套系統電源的參數如下:

  輸入:(220 ±20%) Vac

  輸出:5Vdc 40A;24Vdc 25A;48Vdc 6.25A

  隔離:路路隔離,隔離電壓大于2000V

  功能:自診斷輸入、輸出電壓、電流、短路、過載等,機箱和散熱器溫度。液晶面板顯示各參數。RS485通信直接與FCP01接口,狀態、故障、報警信息傳送。

  保護:短路保護,過熱保護,低電壓保護。

  3.2 傳統I/O模件

  表1 為傳統I/O模件的主要性能一覽表。

表1 I/O模件主要特性一覽表

名 稱

型 號

I/O通道數

轉換精度

隔離

性能特點

開關量輸入(DI)
(照片)

FDI01

16

路路隔離

電壓或觸點輸入,查詢電壓24/48Vdc。采樣和轉換速率為20/秒。軟件過濾抖動(4ms)功能

開關量輸出(DO)
(照片)

FDO01

16

路路隔離

配合不同端子單元,實現電壓輸出、繼電器輸出。共4DO端子單元。

8路模擬量輸入(AI)
(照片)

FAI01

8

每路單獨A/D,16位,精度±0.1%

路路隔離

輸入420mA。采樣和轉換速率為20/秒。具備自診斷功能、安全保護功能。

16路模擬量輸入(AI)
(照片)

FAI02

16

4路一個A/D,16位,精度±0.1%

數字隔離,每4路隔離

輸入信號420mA、020mA、15V、05V,在端子單元上跳線選擇。采樣和轉換速率10/秒;具備自診斷功能、安全保護功能。

模擬量輸出(AO)
(照片)

FAO01

8

每路單獨D/A,12位。精度±0.2%

數字隔離,路路隔離

電流輸出負載能力阻抗最大750Ω。輸出方式電壓(010V)和電流(020mA),可通過端子單元跳線選擇。

熱電偶輸入(TC)
(照片)

FTC01

15

4路一個A/D,16位。精度±0.2%

數字隔離,路路隔離

16路用于冷端補償,顯示環境溫度。采樣和轉換速率4/秒;具備自診斷功能、安全保護功能。適用于E、K、T、J、R分度,模件完成轉換、線性化、補償功能。

熱電阻輸入(RTD)
(照片)

FRT01

12

4路一個A/D,16位。精度±0.2%

數字隔離,路路隔離

可支持2、3、4線制。適用于Pt100,Cu50。模件完成轉換、線性化、補償功能。采樣和轉換速率4/秒;具備自診斷功能、安全保護功能。

脈沖輸入(PI)

FPI01

8

光電隔離,路路隔離

輸入頻率(010k)Hz, 脈沖幅值:5V、10V、24V。信號類型為繼電器干接點或電壓信號。自診斷功能。計數范圍4字節,有溢出標志;計數值有斷電記憶和上電恢復功能


  3.3 電站專用模件

  電站專用模件包括SOE、汽輪機測速、電液伺服閥控制等。詳見表2。

表2 電站專用模件主要特性一覽表

名 稱

型 號

I/O通道數

轉換精度

隔離

性能特點

高速順序事件記錄(SOE)
(照片)

FSE01

16

分辨率1ms

路路隔離

通道提供48VDC 查詢電壓;軟件過濾抖動(4ms)功能;自診斷功能以及安全保護功能;GPS時間同步信號實現不同站SOE的時間同步

第三方通信模件
(照片)

FCM01

2RS485
1
路以太網

采用32位嵌入式CPU(AMR7系列)

2RS485接口可設置為獨立或互為冗余,RTU Plus協議。以太網為TCP/IP協議

汽機轉速測量和超速保護(Speed&OPT)
(照片)

FSD01

1路轉速
1
DO
1
DI

轉速測量轉換精度±1r/min

轉速脈沖輸入頻率100Hz10kHz

汽機伺服閥驅動
(照片)

FHS01

3LVDT輸入
2
路冗余伺服閥輸出
1
路保護DI

A/D轉換16位,精度±0.1%

輸入3LVDT(交流或直流),設定中值、均值等;自動閥位校驗;閥門閉環控制;跳閘保護;緊急手動;MOOG閥驅動,420mA輸出。


  4 主要軟件及其功能

  4.1 工程師站

  工程師站軟件包括組態、調試、維護等功能。

  * 組態:數據庫組態、控制邏輯組態、現場總線系統組態、操作員畫面組態??刂七壿嫴捎梅螴EC61131-3標準的功能塊(FBD)圖形方式組態。見圖4。每對FCP01可容納512頁功能塊組態圖,每頁圖256個功能塊。

  * 調試:DPU在線工況下,下載、上載組態,實時修改功能塊參數、強制/保持功能塊輸出、強制信號質量狀態等。在線監視功能塊運行狀態、參數。查詢、解除強制/保持狀態。

  * 維護:復位、啟動FCP01,切換主、備FCP01,檢查、重置FCP內存和閃存等。

(a) 開關量控制組態圖

(b) 模擬量控制組態圖

圖4 圖形化的控制邏輯組態圖

  4.2 操作員站

  操作員軟件主要包括組態、監控等功能。

  * 組態:工藝流程圖組態、實時趨勢組態、報表組態等

  * 監控:工藝過程監控、實時趨勢監視、歷史數據檢索、歷史趨勢和報表瀏覽、報表生成和打印等。流程圖見圖5。實時趨勢每幅圖最多12根曲線,歷史趨勢每幅圖最多8根曲線。

  4.3 歷史站

  歷史站軟件主要包括數據采集、歷史數據庫管理、歷史數據處理等功能。

  * 數據采集:歷史站通過主控網絡獨立采集各FCP01的廣播數據,并按照預先組態的數據庫字段和規則存儲。

  * 歷史數據庫管理:數據維護;存儲空間分配和管理等。

  * 歷史數據處理:響應操作員站數據檢索要求,調出相關數據形成數據包,通過信息網發送。組成各類歷史記錄、歷史報表等。

圖5 監控工藝流程圖

  5 應用

  FCS165系統適用于不同規模的控制系統,特別適合組成DCS-FCS一體化的系統。某電廠水網控制系統結構如圖6所示。該系統包括鍋爐補給水處理、工業廢水處理、凈水站和綜合水泵房控制。采用傳統I/O與Profibus現場總線相結合的控制方式。

圖6 電廠水網現場總線控制系統結構圖

  
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