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核电厂仪表控制系统数字化改造方案选型与探讨

核电厂仪表控制系统数字化改造方案选型与探讨

2007/9/20 16:26:00
仪表和控制(I&C)系统是核电厂的重要组成部分,机组的安全、可靠、经济运行在很大程度上取决于仪表控制系统的性能水平。从我国已经建成的核电厂来看,早期建设的核电厂都是以模拟量组合单元仪表为主的控制系统(如秦山核电厂主控制系统采用Foxboro公司的SPEC200组装仪表,大亚湾核电站主控制系统采用Baily 9020系统),其模拟量仪表采用以小规模集成电路运算放大器为基础的元件来控制,逻辑量仪表采用继电器等硬逻辑电路来控制,因而整个系统所需要的仪表控制器件数量多,运行操作管理和维护工作任务重,大部分采用手动操作,控制系统性能已明显比较落后,安全性和经济性也随着设备老化和备件减少以及故障率的升高而明显降低。同时,大部分在役核电机组都在进行寿期延长工作,更换大量陈旧的仪表与控制设备是其中的一个非常重要的部分。因此,早期核电厂的仪表控制系统急需换型改造。 计算机技术的飞速发展使得现阶段核电厂数字化I&C系统已经从单机测控系统进入集散控制系统(DCS)阶段,并且随着通讯技术的高速发展,产生了全数字化仪表控制系统概念,它将成熟的常规电厂集散控制系统融入现场总线控制系统(FCS)及可编程序控制器(PLC),全面应用在常规岛、BOP(核蒸汽系统以外的设备)、核岛部分的全过程控制,构成核电厂全新数字化仪表控制系统。现阶段应用比较典型的全数字化仪控系统有:日本的日立等公司开发的Nucamm-90系统、法国法马通公司的N4控制系统、ABB公司的Nuplex80+系统、美国西屋公司的Eagle21+WDPFⅡ系统,以及我国田湾核电站所采用的德国西门子公司的Teleperm XP+XS系统等。大亚湾核电站的仪表控制数字化改造,必须结合当前核电数字化仪控的发展方向和电厂自身的特点,才能有的放矢。 1 PLC、DCS、FCS各自特点及差异分析 谈到仪表控制数字化,首先必须了解PLC、 DCS、FCS这3种控制系统。只有熟悉这3种系统的特性,了解它们之间的差异、渊源及发展方向,才能给我们数字化改造提供很好的依据。 1.1 PLC、DCS、FCS各自的特点 (1) PLC的特点。PLC是可编程序控制器的英文缩写,是以微处理器为基础,综合了计算机、电气控制、自动控制以及通讯技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置。它具有结构简单、编程方便、性能优越、灵活通用、使用方便、可靠性高、抗干扰能力强等一系列优点,在工业生产过程自动控制领域得到广泛的应用。而且,这种系统已经从开关量控制发展到顺序控制、具有连续PID(比例积分微分)控制、闭环控制等多功能的一种小型控制系统,可用一台PC机(个人计算机)为主站,多台同型PLC为从站;也可一台PLC为主站,多台同型PLC为从站,构成PLC网络。 (2) DCS的特点。DCS全称Distributed Control System,即集散控制系统。它是在模拟量回路控制较多的行业中广泛使用的,尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中的集4C(Communication、Computer、Control、CRT)技术于一身的大型计算机监控系统。它由中继站联接计算机与现场仪器仪表与控制装置,组成树状拓扑和并行连续的链式结构,一台仪表一对接线对应到I/O(输入/输出),由控制站挂到局域网(LAN)。网络构架为控制(工程师站)、操作(操作员站)、现场仪表(现场测控站)3级结构。 (3) FCS的特点。FCS(Field bus Control System),即现场总线控制系统,是20世纪80年代后期发展起来的一种基于现场设备之间进行通讯的新型总线系统,它综合了数字通信、计算机、自动控制、网络和智能仪表等多种技术手段,从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字—模拟信号控制的局限性,构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多节点的通信与控制系统。现场总线则是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,其基础是智能仪表。分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体,并与控制室中的控制器和监视器一起构成FCS系统。 FCS把传统DCS的控制功能进一步下放到现场智能仪表,由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据(包括采集的数据和诊断数据)通过现场总线传送到控制室的控制设备上,控制设备则用来监视各个现场仪表的运行状态,保存智能仪表上传的数据,同时完成少量现场仪表无法完成的高级控制功能。另外,FCS还可以通过网关和企业的上级管理网络相连,以便管理者掌握第一手资料,为决策提供依据。所以现场总线具有开放性、互操作性、系统结构的高度分散性、灵活的网络拓扑结构、现场设备的高度智能化、对环境的高度适应性等诸多突出特点。它用两根线联接分散的现场仪表、控制装置、PID与控制中心来取代每台仪器两根线;用多变量、多节点、串行、数字通信系统取代单变量、单点、并行、模拟系统;用互联的、双向的、开放的取代单向的、封闭的系统;用分散的虚拟控制站取代集中的控制站。它既可以进行现场电脑操纵,还可挂到上位机,接同一总线的上一级计算机、局域网、Internet网。尽管目前对现场总线的研究尚未能形成一个完善的统一标准,但其高性能价格比将吸引众多工业控制用户采用。 1.2 三大控制系统之间的差异分析 从目前控制技术的发展状况看,FCS不仅具备DCS与PLC的特点,而且跨出了革命性的一步。而新型的DCS与新型的PLC的适用范围,也已有很大的交叉。但是,三者之间还是有明显的差异。下面就三大控制系统在体系结构、投资、设计、使用等方面的差异进行详述。 (1) FCS与DCS的差异分析 对于DCS的设计和使用,我们更多的是了解它能处理多少I/O信息以及和控制有关的回路信息,能适应多少用户和装置(CRT、控制站等),传输数据的完整性是怎样彻底检查的,数据公路的最大允许长度是多少,数据公路能支持多少支路,数据公路是否能支持由其它制造厂生产的硬件(可编程序控制器、计算机、数据记录装置等)。而且,为保证通信的完整,大部分DCS厂家都能提供冗余数据公路;为了保证系统的安全性,DCS也使用了复杂的通信规约和检错技术。但DCS是个大系统,其控制器功能强大而且在系统中的作用十分重要,数据高速公路也是系统的关键,必须整体投资一步到位,否则事后的扩容难度较大。与之相比较,FCS功能下放较彻底,信息处理现场化,数字智能现场装置的广泛采用使得控制器功能与重要性相对减弱。因此,FCS投资起点低,可以边使用、边扩展、边投运。 DCS是封闭式系统,各公司产品基本不兼容。而FCS是开放式系统,用户可以选择不同厂商、不同品牌的各种设备连入现场总线,达到最佳的系统集成。 DCS的信息全都是二进制或模拟信号形成的, 必须有D/A(数字量/模拟量)与A/D(模拟量/数字量)转换。而FCS是全数字化,免去了D/A与A/D变换,并使精度从±0.5%提高到±0.1%。还可以将PID闭环控制功能装入变送器或执行器中缩短控制周期,目前可以从DCS的每秒2~5次提高到FCS的每秒10~20次,从而改善调节性能。 DCS只能对自身进行诊断、维护和组态,而无法在DCS工程师站上对现场仪表(变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。FCS采用全数字化技术,数字智能现场装置发送多变量信息,而不仅仅是单变量信息,并且还具备检测信息差错的功能。由于它采用的是双向数字通信现场总线信号制,因此可以对现场装置进行远方诊断、维护和组态, FCS的这点优越性是DCS无法比拟的。 对于一个控制系统,无论是采用DCS还是采用现场总线,系统需要处理的信息量是一样多的。采用现场总线后,大量信息在现场就地完成处理,减少了现场与控制机柜之间的信息往返,因而传输信息所用的电缆大大减少,加快了系统的响应时间。同时由于FCS信息处理现场化和采用数字通讯,有利于抗干扰,与DCS相比可以省去相当数量的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜,减小空间与占地面积以及大量电缆和敷设电缆用的桥架,大大提高了可靠性。 FCS相对于DCS组态简单,由于结构、性能的标准化,便于设计、安装、运行和维护。但是,FCS的基础(也就是系统的硬件支撑)是数字智能现场装置,虽然增加了现场一级控制功能,但是却必须要求现场的装置具有智能化。 (2) FCS与PLC的差异分析 对于PLC在FCS中的地位似乎已被确定并无多少争论,它可以作为一个站挂在高速总线上,充分发挥PLC在处理开关量方面的优势。另外,常规电厂和核电厂的辅助系统,如辅助锅炉系统、补给水处理系统、循环水系统、除盐水系统等,其工艺过程多以顺序控制为主,而PLC对于顺序控制有其独特的优势。因此,辅助系统的仪表改造选型应以遵循现场总线通讯协议的PLC或能与FCS进行通讯交换信息的PLC为优选对象。 通过上述分析,我们可以基本了解,DCS可以覆盖整个电厂的工艺全过程,而FCS数字通讯目前是一种趋势。但是,双向数字通信的现场总线控制以及由它而产生的巨大的推动力,肯定会加速现场装置与控制仪表的变革,由此产生的优越性以及给电厂设计、配置、组态、运行、维护、管理等方面带来的效益是DCS所不及的。所以它也是我们进行仪表控制系统改造和选型需要认真考虑的。随着网络化时代的到来,最近几年新建的常规电厂及核电厂普遍建立了厂级SIS(Superior Information System)(核电厂称KIT)和决策级MIS(Management Information System)(核电厂称KDC)网络的网架,并配置了不少故障诊断、状态检修以及性能优化等监控和管理软件。但是,现场设备级自动采集的信息太少,依靠人工采集、人工录入不仅工作量大,而且有些也较难实现。因此,客观形势要求我们加快使现场设备级实现数字化,并增加根据SIS和MIS需要应增加采集的信息量,全面解决核电厂网络化任务,真正实现核电厂的仪表控制数字化,最终完成电厂信息化的目标。 2 常规电厂数字化改造方案的实践与核电厂借鉴探讨 2.1 DCS+FCS+PLC及现场总线设备在常规电厂及核电厂的应用实践 一般来讲,电厂现场的监控设备(包括变送器、
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