当今，大规模、大容量电厂不断涌现，由于其设备和系统愈来愈多，所需操作、控制设备也愈来愈多，生产过程高度自动化，电力行业市场经济逐步形成，发电企业必将加速进入信息化刚代。生产过程的高度自动化和管理现代化的实现，与企业先进的、强大的信息网络是分不开的。近年来，数字化在厂级发展迅速，普遍建立了SIS／MIS网架，配置了实时数据库、故障诊断、状态检修、性能优化、设备管理等监控和管理等软件。苦于大量现场设备、元件、局部系统信息无法自动、实时、准确上传，制约了企业信息化的发展，从而影响了企业过程监控、管理现代化的实现，使其在电力市场竞争中处于被动的局面。因此，实现全面数字化电厂势在必行。实现全面数字化电厂可进一步提高运行的安全可靠性，适应现代化管理的要求，减少运行维护成本，大大提高其经济效益。
对数字化电厂的认识
所谓“数字化电厂”。即电厂将所有信号数字化。然后利用网络技术，实现可靠而准确的数字化信息交换、跨平台的资源实时共享，进而利用智能专家系统提供各种优化决策，为机组操作提供科学指导。其作用是可以降低发电成本、提高上网电量、减少设备故障，最终实现安全、经济运行和节能增效。数字化电厂基本框架分为三个层次：第一层次是监控与信息管理层；二层次是过程控制层；第三层次是设备与元件层。
第一层次是监控、信息管理层。功能包括厂级监控信息系统(SIS)、厂级信息管理系统(MIS)、决策支持系统(DSS)。这是基于SIS、MIS之上功能软件。包含于SIS、MIS之中。
SIS主要功能包括收集来源于过程级的实时数据库和历史数据库；设备故障诊断；设备寿命预测；机组优化监控；厂级性能计算等。SIS为生产管理人员提供分析和决策，能最大程度地获得过程生产信息，有效地、经济地发挥设备、系统作用，使机组时刻贡献最大的经济效益。
MIS主要功能包括收集来源于过程级的实时和非实时数据库，处理、积累相关信息，帮助进行综合加工，帮助企业优化资源配置，完成企业人事
资源信息管理；完成企业财务信息管理；进行设备维护管理；基建及生产经营管理；办公室自动化。
第二层次是过程控制层。它包括锅炉、汽机、发电机主厂房控制系统和辅助车间集中网络化的辅助车间控制系统，主要完成对设备运行层实时数据的采集、转换和存储，监视、操作系统及设备。这是一个实时性强，安全性、可靠性、准确性、稳定性要求高，强调相对快速反应的控制系统，对数据存储和整饰是有局限的，它所侧重的是监视和操作。因此。形成SIS／MIS所需的数据信息，通过这里上传。
主厂房控制系统一般都采用分散控制系统(DCS)来实现，硬件包括操作员站、工程师站、打印机、历史站、多功能处理器、通讯处理器、I／O卡件
(远程i／o)、现场总线等；功能包括数据采集(DAS)、模拟量控制（MCS)、开关量控制(scs)、锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)、汽机数字电液控制系统(DEH)、给水泵汽机数字电液控制系统(MEH)等。
辅助车间控制系统是一个全厂小车间控制系统联网的网络控制系统，可以采用DCS来实现．也可以采用程序控制器加个人计算机(PLC+PC)来现。由于(PLC+PC)网络公开性较好，一般都采用（PLC+PC)来组成辅助车间控制系统。硬件包括操作员站、工程师站、打印机、历史站、多功能处理器、可编程控制器、通讯处理器、I/O卡件（远程I/O）、现场总线等。按2000年燃煤示范电厂以及新版发《火力电厂设计技术规程》对辅助车间控制方式的要求，按三个相对集中监控点集中监控。在水控点，设置过度子控制室在化学补给水车间，范围包括补给水车间控制、凝结水控制、全厂废水处理控制、原水预处理控制等。在灰控点，设置过渡子控制室在电除尘综合楼，范围包括除尘、除灰控制系统，脱硫控制系统，电除尘控制系统等。在煤控制系统，范围包括输煤控制系统、输煤冲洗水控制系统等。考虑到人员素质和运行方式的现状，设置了过渡子控制室，一旦条件成熟，竞价上网真正实行，减员增效，过渡子控制室将撤销，全部集中到全厂集控室集中监控。
第三层是设备、元件级。它包括现场控制对象被控制对象，如电动机开关柜、电动门配电箱、压力、差压变送器、温度热电阻、热电偶、液位变送器、流量变送器、分析仪表变送器等。它们把过程参量转换成国际标准电流、电压信号送入DCS、PLC，或者采用标准数字总线方式直接把数字量信号送进DCS、PLC，从而满足运行人员对机组的监控要求和满足厂级管理人员对全厂生产、行政管理要求。
全面数字化电厂的框架
从现在整个电厂的管理和监控情况来看，第二层次过程级已基本实现了智能化和数字化，这一级着重考虑的是实时性和可靠安全性。在第一层次监控、信息管理层和第三层次设备、元件层数字化实现的深度、成效还很不够，是大有文章可做的。
（一）第一层次监控、管理层
SIS和MIS虽然都有不少的应用软件，由于没有适合时机，很多可用的软件功能没能发挥应有作用，如SIS功能中，机组自动化和调度、设备状态检测和分析、设备故障诊断及寿命预测，还有MIS的功能，包括设备维护管理、基建和生产经营管理、人力资源、财务资源管理等，在现有项目中，应用情况都没能达到设计要求。在监控、管理层，要完善信息化及网络化功能是需要时间和适合的机会的。这不是现在某个工程和项目马上能完成的事情；但在现阶段切实可行的是工程引入三维技术手段应用与设计过程、施工和运行管理过程。这不但为电力设计注入新意，同时也给实现数字化电厂提供技术保证。
1.三维技术应用设计工作主要在以下几方面体现其作用：
（1）建立三维模型，立体感强，优化设计十分方便。
（2）碰撞检查，三维模型具有精确的立体坐标和属性，能检查出所有的碰撞。以前靠人工检查，无法避免工程的“碰”、“漏”现象。
（3）自动生产二维图，在其设备、管道、管件均有与三维模型中相应部分相同的属性。
（4)材料汇总功能，由于有了属性链接，可准确统计材料，特别是管材和电缆长度等，不会出现设计中少开或多开材料问题。
2.三维技术应用与施工管理和电厂运行、维护主要在以下几方面体现其作用：
（1）可协助施工及安装单位制定正确的施工安装程序。
（2）安装部分可使用自动配管程序进行最佳配管，提高施工效率。
（3）有了三维模型，电厂管理人员对全厂的设备布置更直观、更有立体感，对设备、系统管理参数化维护检修人员可使用三维功能指导，实现对设备无碰撞检修，更有序、更方便设备及系统管理和维护。
三维设计技术的有效引入，方便了施工进度管理和安排，有效地消除或减少施工中返工和浪费，对电厂运行、维护管理也起到了有效作用，为保证全面数字化电厂实现，提供了科学、有效的手段。
（二）第三层次设备、元件层
这是数字化电厂最基础的部分，大量的设备、元件乃至系统信息不能自动地、有效地上传到监控、管理层，导致所提到的监控和管理软件不能有效地应用，严重制约了全面数字化电厂的实现，使得企业的信息化和管理现代化目标实现起来显得瑶瑶无期。要解决这一难题，根本方案是采用智能控制器+智能传感器+数字现场总线通讯模式。最近几年，很多电厂为最大可能获得生产、管理信息，一直在努力推广智能控制器+智能传感器+数字现场总线控制方式，取得了很好的成效。
现场总线技术和产品
现场总线技术和产品，以及由此组成的控制系统------现场总线控制系统(FCS)是开放的、数字化和双向、多站的通讯网络，与多功能的智能化现场数字仪表是FCS的主要特征，它将可降低设计、施工、调试、运行、维护和系统扩展等方面的综合费用。现场总线控制技术作为一种新兴技术，已成功应用在石化、化工、冶金、医药、市政、工程、楼宇、建材等多个行业，在一些电厂技改项目中如除灰、输煤等控制中也开始崭露头角。
PROFIBUS总线技术在国内外电厂中有过较多成功的应用，如等过的Niederaussem电厂、国内陕西杨凌热电厂、山东龙口电厂、河北三河电厂、广安电厂等。其中德国Niederaussem电厂应用在如汽水循环、烟气系统和机组协调、燃气论及外围系统、蒸汽轮机及其辅助设备，山东龙口电厂用于输煤程控，浙江海宁电厂在汽机开、闭式水系统中采用了现场总线技术。
FF现场总线的产品主要在化工、医药、冶金、水厂等方面应用业绩较多，最近EMER-SON公司的DELTA V系统在意大利的一家发电厂的水处理项目上有应用。电厂辅助车间的控制对象类型与上述应用场合较为相似，具有一定的参考价值。
现场总线的出现，使贯穿于控制系统的各个层次获得了广泛的新功能，例如在现场仪表中实现更多的控制、多变量的测量和传输、基于自查的现场设备维护和管理等等。这些新的功能将为系统生命周期内各个阶段带来实际的效益和利益，从项目早期开始，到实际运行期间，利用现场总线技术所带来的这些新功能均可实现实质性的成本解约，增加效益和收益，而传统的系统则不具备这些能力。
2.更强大的系统功能
数字通讯最重要的好处之一也许就是能从一台设备通过网络访问另一台设备上所有的参数。因此，现场总线技术有可能达到过去现场设备和主站无法达到的系统功能水平。以前，一台二线质变送器有一个4~20mA的信号输出，它只能代表一个测量结果。虽然二线多变量变送器已出现了几年，但从来没有成为主流，原因是这种设备所采用的数字通讯太慢，结果只有一个测量值可供使用。现场总线则有足够的速度使每台设备能够实时地传送多个测量值，在同一个双绞线网络上，阀门定位器向主站传送实时阀位的反馈及执行器的压力，同时也接受阀门的设定点，并不需要增加额外的电缆。
3.网络化设备管理
现场总线技术的一个重要特点是不仅能够传送过程I/O信号，也能够将非过程数据送往总线进行输送。此类数据包括组态下载、远程操作和整定数据以及对设备今昔管理所用的参数。传统的设备管理必须有单独的一套软件，并由人来输入数据。现场总线通讯能使设备管理软件从集中控制室直接与遍及全厂的设备进行对话。有关设备的全部信息都可以在控制室的主站上看到，包括位号及其他标识、测量范围、结构材料以及最近的校验记录，等等。
网络化的设备管理功能对于运行和维护特别有帮助。在—个基于现场总线技术的系统中，操作员可以从工作站观察到工厂内每一台现场总线设备的内部运行情况。这在过去是很难想象的。数字通讯意味着所有设备的信息可以通过网络进行访问，不用离开工作站就可以检查设备的校验状态，设定新的量程以及对设备进行重新组态和诊断。距离越远、环境越复杂，数字通讯能够体现的好处就越明显。
4．分散的功能。
基于现场总线技术的设备可执行比单纯的输入输出更多的功能。一台变送器不仅能进行测量，而且还可以完成补偿和累计功能；一台阀门定位器不但能对阀门定位，而且还可以完成流量的特性化与过程回路的控制等其他功能。
5．更宽的诊断范围
现场总线都可从现场设备和仪表取得更多的维护诊断数据。自诊断例行程序对设备的健康状况进行检查，并将该设备产生的信息是否准确可信告知系统的其余部分。通过先进的自检查和诊断功能找出设备的故障是整个现场总线功能链中的第一步，它将为整个工厂在生命周期内节约运行成本。
在现场总线中，诊断信息可以动态可见地表示为每个测量参数和操作参数状态。状态告诉操作员和工程师过程值的有效性，使他们更有自信地作出决定。在某些系统中，状态还被用于控制策略，以便能在异常工况下采取特殊措施。
6．运行统计
预见问题的到来比问题出现后立即被发现更好。利用对影响磨损的因素进行超前指示，预测将更加容易和精确。大多数现场设备测量环境或传感器的温度以确定设备是否在限定的范围内工作。符合现场总线规范的阀门定位器通过跟踪阀杆往复的次数来收集诸如循环动作次数等统计数据。此外，它还有一个内置的里程表，由此来预测因密封件摩擦增加而导致的性能下降。
7．精度提高
现场总线是用数字信号传输数据的，因此可以克服DCS输入通道中Aft)转换、输出通道中D／A转换及模拟信号传输产生的误差。从而提高传送精度。在PROFIBUS PA和F．FI的所有标量值都采用标准的32位浮点格式进行处理、存储及传送，而全系统则保持着7位的精度。因为数值是浮点格式的并且通常带有工程单位，所以在大多数情况下，不需要进行定标或量程变换。这将会简化和减少组态工作。
数字化电厂的关键技术
数字化电厂的关键技术包括现场信息的数字化、在线仿真技术、生产优化和分析技术、管理决策支持技术、集散控制技术等。
数字化电厂需要数据库系统和计算机网络系统为支撑。首先，以关系数据库和实时数据库为基础的数据库系统是数字化电厂的基石。它对电厂各类数据进行分析、提炼、集成、存储，为电厂的分析和决策提供支持。没有数据，数字化电厂将是一句空话。
其次，数字化电厂需要计算机网络系统来实现。以千兆以太网为代表的先进组网技术，结合提供-网络-终端三级安全策略等先进技术，从技术手段上保证了数据的充分共享和有效利用。没有计算机网络系统，数据将成为信息孤岛。
结语
全面数字化电厂是企业实现高效、节能、减排，提高竞争力的重大举措。然而，数字化电厂是一项系统工程，需要业主、设计部门、专业软件公司的通力合作。目前，大容量电厂开始建设的SIS和MIS已为电厂提供了一个综合优化管控数字平台。如果进一步实现现场设备数字化，可进一步提高运行安全的可靠性，适应现代化要求，减少成本，降低工程费用。因此，电厂的社会效益和经济效益实现最大化与全面数字化电厂实现息息相关。全面数字化电厂是降低发电成本、提高上网电量、减少设备故障，最终实现电厂的安全、经济运行和节能增效的历史性转折点。
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