电厂过程自动化技术发展动态
电厂过程自动化技术发展动态作者：张晋宾摘要：随着社会及电力工业的发展，电厂自动化的重要性与日剧增。传统的信息、通讯和自动化技术之间的障碍正在逐渐消失。最新的技术，包括无线网络、现场总线、新型检测及控制仪表、先进管理和控制软件等，大大提升了过程系统的效率和安全性能。本文着重分析讨论了国外电厂过程自动化。引言电力是现代社会使用最广泛的二次能源。电力的安全、稳定和充足供应，是国民经济全面、协调、可持续发展的重要保障条件，事关经济发展、社会稳定和国家安全大局。自从1998年全国装机容量超过277GW,跃居世界第2位以来，我国电力仍以较高的速度和更大的规模在迅猛发展，预计我国电力装机总容量将在今年底至明年初突破 800GW。随着电力需求的高速增长，发电装机容量迅速扩大，大量燃用化石燃料和由此产生的污染排放与资源、生态环境的矛盾日益突出。自动化的重要性近年来与日剧增。现今，创新的自动化系统控制着复杂的工艺流程，并确保过程运行的可靠及安全，为先进的维护策略也打造了相应的基础。电力过程自动化技术的日新月异和控制水平的不断提高，为电力工业解决能源资源和环境约束的矛盾创造了条件。电厂过程自动化是指综合运用控制理论、电子设备、仪器仪表、计算机软硬件技术及其他技术，对发电过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加发电量、提高发电生产效率和质量、降低消耗、确保安全等目的的一类综合性技术。现今，我国发电厂基本上全部采用了分散控制系统或可编程逻辑控制器等计算机控制系统，系统装备水平大大提升。但仍应清醒的认识到，我国目前的电厂过程自动化水平总体而言，仍落后于国际先进水平。本文将就国际上先进的电厂自动化应用技术趋势及进展分析研究，以期为我国电厂自动化水平的发展提供借鉴。一、电厂自动化发展按照瑞士 Intechno咨询公司的报告，世界过程自动化市场在2005至2010年期间将以每年平均5.1%的速度增长，到2010年可高达942亿美元。其中尤以化工、电力、石化增长最为迅猛。经济、组织和技术的发展将在未来几年内对自动化技术带来深远的变革。电厂自动化近期的发展概括而言是充分利用IT （信息技术）及AI （人工智能）等先进技术，大量采用现场智能仪表及设备，整合控制与信息系统，融合测量、控制、诊断、检修、维护、管理等数据，使电力生产合理化和最优化，并最终提升电厂的安全性、经济性和生产力。1.1 全方位管控一体化为了增加劳动生产率，降低运行和维修成本，进一步提升市场竞争力，必需将贯穿整个组织的信息、通讯和自动化技术等价值创造链上的各个环节进行水平和垂直无缝整合与集成，即实现全方位管控一体化。集成控制系统和管理信息系统构成统一的控制信息网络， 一方面是过程计算机控制系统充分利用现场总线等先进技术全面挖掘生产过程的监控及检修数据信息，在厂内和 CMMS （计算机检修维护管理系统）实现无缝联接；另一方面是在企业级通过 MES （即制造执行系统，类似于国内电厂的厂级监控信息系统SIS）和集团 ERP （企业资源规划系统）互联，以实现在合适的地点和合适的时间，确保充分和成功地获取合适的信息。置于控制系统级和 ERP 之间的MES ，用于优化电厂生产级的工作流程，改进生产质量，增加过程可靠性，营造了一个快速反应、有弹性、高效率、精细化的制造环境。国际上较为知名的 MES 产品有：ABB 工业 IT 生产规戈if、Honeywell Experion PKS-Optivision、Metso DNA MES、Tietoenator TIPS和 Siemens SimaticIT 系统等。可见，过程自动化正从纯粹的过程控制领域向过程和商业综合控制领域过渡。自从计算机技术首次应用以来，自动化和 IT 分别是两个独立的领域，两者各自互不相干地发展着，现如今正在逐渐打破这种传统的分隔。当前最新发展趋势是建立一个贯穿发电厂全过程的、 直至商业企业级计算环境的单一控制管理系统，如Invensys公司的InFusion企业控制系统等，就是将诸如传统狭义范围内的过程自动化系统（包括 DCS/PLC控制系统、安全保护系统、智能现场设备、全厂资源管理和优化系统）和商业性能管理（包括 ERP 和 MES 等）融合集成为一个广义范围内的单一企业控制管理系统，从而有助于工业企业整合其操作 /运行和维修/维护资源，进一步优化企业的APM （资源性能管理）。1.2 无线通讯迈入传统电力工业无线技术的出现及快速进步，正在赋予电力工业领域以一种崭新的视角来观察问题，并由此在电力流程工业领域及资产管理领域，开创一个激动人心的新纪元。无线通讯技术因其不必在厂区范围内进行繁杂、昂贵的布线，因而有着诱人的特质。位于现场的巡视和检修维护人员借此可保持和集中控制室等控制管理中心的联系。譬如位于海边的与主厂房距离较远的滨海泵房仪表与控制设备，可通过无线网络与主厂区的控制系统相集成互联，实现信息共享。此外，无线技术还具有高度灵活性、易于使用、通过远程链接可实现远方设备或系统的可视化、参数调整和诊断等独特功能。尽管目前存在多种无线技术，但仅有几种特别RFI （射频干扰）/EMI （电磁干扰）干扰性、对物理屏障的易感适用于电力流程工业。这是因为无线信号通过空间传播的过程、搭载的数据容量（带宽）、抗性、可伸缩性、可靠性，还有成本，都因无线技术网络的不同而不同。因此，很多用户都倾向于依据具体的应用场合，来选定合适的无线技术 ”。控制用的无线技术主要有 GSM/GPRS （蜂窝）、900MHz Radios、Wi-Fi （802.11a/b/g）、WiMAX（802.16）、ZigBee（802.15.4 自组织网络等，其中尤以 Wi-Fi 和 WiMAX应用增长速度最快，这是因为其在带宽和安全性能方面较优、在数据集中和网络化方面具备卓越的安全框架、具有主机数据集成的高度灵活性、高的鲁棒性及 低的成本。美国德州LCRA集团公司为了降低电厂运行维护成本，由一套电厂人员集中管理其下属容量为650MW的Sim Gideon电厂和容量为545MW的Lost Pines电厂，采用了 Apprion公司的WiMAX无线网络系统，以集成上述两个电厂监控管理层的通讯和控制 1。其无线网络系统由Apprion的ION系统和ION服务 构成。ION系统即工业无线应用网络，包括IONosphere和集中应用软件，后者具有数据服务、工作流程、安保、监视、维护和第三方应用集成的管理功能。IONosphere管理软件连续监视整个无线网络设施的工作性能、健康状况和完整性，从而在共享数据环境下保证基于QoS应用的性能最优化。ION服务支持现场分析、技术选择、基础结构设计和实施、性能监视、安保管理、连续的网管及优化功能。在尝到无线网络的甜头后，目前该公司正在实施将无线网络应用延伸扩展至设备控制层的方案，其应用范围覆盖辅助设备上的一般闭环水位控制及报警、给水加热器水位控制及报警、炉膛火焰视频监视系统、各种温度/料位及其它关键运行参数的报警、诸如振动监视分析等设备健康状态监视系统、氨泄漏的实时检测和通讯、远方罐/箱料位监视等。借助台式PC机，运行人员可以以无线、远程方式分别访问前述两个电厂所用的Foxboro和Westinghouse控制系统。RFID,即射频自动辨识，一些专家将其出现所带来的影响等同于车轮的发明，因为通过无线射频电波进行信息资料无线通讯达到自动辨识的观念亦可启发许多应用。导入RFID技术以后，可以让很多工作简化、自动化或是变得更精确，其典型应用有电子化的物品监控仓储管理、出入口控制、人员监控、设备与资产的管理等。2004年德国西门子公司与Metro Group合作，将RFID导入了过程自动控制领域。1.3 现场仪表腔制装置数字化及智能化数字化及智能化正在向着现场级仪表设备延伸，丘C61158等现场总线国际标准的逐渐完善对现场仪表智能化起到了助推作用。以往电厂控制层和管理层已基本实现了数字化，电厂全面数字化的瓶颈在于现场级，而现场仪表的数字化为构建数字化电厂奠定了坚实基础。HART、FF及PROFIBUS等现场总线已打开了现场仪表设备智能化的大门。智能化后，现场仪表不仅能更加智能地实现其监视和管理过程变量的功能，而且还可更加有效地诊断其自身健康状况。下一步是将诊断功能扩展至拥有对仪表周边的过程的诊断能力。如此发展下去，即可具有预测性智能功能，提早检测出系统/设备潜在故障和运行低效工况，获知更多的工艺过程健康信息，进而从异常状态管理过度到异常状态预防，由此电力工业就可从所实现的预测性智能功能中大大获益。冗余AP控制器APPROFIBUS-DP模拟量蜕表及执行器电动执行器DP/AS-i 慎接没备忠送远程I/OPROFIBUS-PA低压马达SI10CODE目前，全球已安装有超过24,000,000台PROF旧US现场仪表设备2。现场总线的应用正在成为主流，如于 2003年1月正式交付营运的德国Niederaussem 电厂K机组，其发电机组出力达1024MW,采用了基于西门子FUM（功能模件）和现场总线技术的 TELEPERM XP系统，其中所采用的现场总线设备规模为 约900个马达/泵、1200个阀门执行器和400个气动阀门电磁阀。执行器是通过冗余的 PROFIBUS DP总线与控制系统互联，气动阀门电磁阀采用AS-i底层现场总线，并通过DP/AS-i链接设备实现与PROFIBUS DP总线的互联。低压电机采用西门子 SIMOCODE智能开关柜接口装置，通过 Profibus-DP/Y-LINK建立 与控制系统的通讯。其现场总线设备与控制系统的网络结构示意图详见上图1。通过PDM （过程设备管理器）可在集中控制室完成全部现场设备的参数调整、整定等工作，借助现场总线的智能性，也可实现现场设备的集中故障诊断和维护，大大改善了营运的经济性。基于现场总线的巨大优势及国外成功应用业绩，国内正在实施的项目，如华能金陵电厂二期工程2M000MW级超超临界机组、九台电厂新建工程2X600MW 级超超临界机组等均大范围采用了 Profibus现场总线仪表及设备。1.4 新型检测仪表/ 装置的应用目前，在国内工业上应用的大多数传感器技术，如温度、压力、流量等的测量，大都有着其自身难以克服的不足。这些传感器技术已达其极限，可挖掘的潜力极其有限。较之与之相连的由电子和计算机设备组成的监控系统而言， 现场传感器和终端控制元件的技术进步相对落后。 为使企业在市场经济中更具竞争 力，减少制造成本，国际先进电力企业在采用新型控制系统的同时，也对新型传感器技术的开发及应用予以高度重视，其中应用较为成熟的有光纤测量技术、气固两相流体流量检测技术、声波高温计等，以下分别介绍。 1.4.1 光纤测量技术 光纤测量技术具有分散测量的能力。对光纤的测量值进行滤波或输出处理后，一根光纤整个长度均可作为一个传感器，可提供优于点测量的断面测量。此外，光纤传感器还具有一些常规传感器无可比拟的优点。例如，光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、动态范围大、防电磁场干扰、超高压绝缘、无源性、防燃防爆、适于远距离遥测、多路系统无地回路 “串音 ”干扰、体积小、机械强度大、可灵活柔性挠曲、材料资源丰富、成本低等优点。 此外，光纤可实现的传感信息量很广。如光导纤维本身就对压力和应变力极为敏感，这就意味着光纤可以同时作为压力、温度和应力传感器而使用。目前，国外一些先进国家已将光纤用于测量磁、声、力、温度、位移、旋转、加速度、液位、扭矩、应变、电流、电压、传像和某些化学量等。现在，在国外光导纤维温度传感器已进入全面商业化应用阶段。光纤分布式温度传感器的最大优点之一，是
