淺析ECS-100系統(tǒng)在建峰熱電廠四號爐上的應(yīng)用

馮 雷 楊 鵬

（1、建峰工業(yè)集團重慶MDI建峰項目部，重慶 401221；2、重慶化醫(yī)恩力吉投有限責(zé)任公司MDI公用工程指揮部，重慶 401221)

1 硬件配置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

建峰熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)采用的是浙江中控技術(shù)股份有限公司提供的ECS-100控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是浙江中控技術(shù)股份有限公司針對國內(nèi)外大中型DCS控制系統(tǒng)所研發(fā)的一套技術(shù)較成熟，功能較完善、性能較穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。建峰熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計院提供的I/O測點清單、鍋爐廠家提供的測點布置圖以及生產(chǎn)工藝流程的需要配置了一臺工程師站、兩臺操作員站和一臺值長站，同時配置了兩個過程控制柜、一個繼電器柜及一個電源柜。對于本套控制系統(tǒng)的核心部件：主控卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡及現(xiàn)場I/O卡件配置的均是浙江中控技術(shù)股份有限公司最先進、最成熟、運算速度最快的卡件，上述硬件配置的具體參數(shù)及功能介紹如下：

2 各操作站硬件配置說明

2.1 工程師站配置及功能

工程師站配置的是一套DELL奔騰D雙核工業(yè)機，并配有標(biāo)準(zhǔn)鼠標(biāo)鍵盤及專用操作員鍵盤。工程師站的主要功能是：實現(xiàn)控制回路組態(tài)，畫面生成，報表生成，過程趨勢和參數(shù)整定等工作，同時可以兼作操作員站和歷史站。

2.2 操作員站及值長站配置及功能

操作員站及值長站硬件配置與工程師站相同，操作員站能為電廠運行人員提供直接和直覺的訪問方式，能使運行人員實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況，并能對現(xiàn)場重要設(shè)備進行啟、停操作，同時反饋設(shè)備狀態(tài)。值長站的功能主要是將現(xiàn)場設(shè)備的實時運行狀況反映給值長，使其能夠及時有效地協(xié)調(diào)和調(diào)度各車間運行人員，保證系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，值長站的操作權(quán)限最低，只能起監(jiān)控作用，不能進行操作。

3 主控卡件及現(xiàn)場I/O卡件配置及功能

3.1 主控卡配置及功能

主控卡相當(dāng)于是整套DCS系統(tǒng)的大腦及神經(jīng)系統(tǒng)，是控制站軟硬件的核心，用以協(xié)調(diào)控制站內(nèi)軟硬件關(guān)系和各項控制任務(wù)。它可以自動完成數(shù)據(jù)采集、信息處理、控制運算等各項功能。通過過程網(wǎng)與過程控制級（操作員站、工程師站）相連，接收上層的管理信息，并向上傳遞工藝裝置的特性數(shù)據(jù)和采集的實時數(shù)據(jù)；向下通過網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡通訊，實現(xiàn)與I/O卡件的信息交換。熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)的主控卡采用冗余配置，其型號為：FW247,它是浙江中控技術(shù)股份有限公司2005年后在市場上主推的最先進的主控卡件，其主要具備如下功能特點：

a.功能強、速度快、單站容量大，掃描周期從50ms到5S可選，典型運算周期為100ms。

b.可提供192個控制回路，其中包括128個自定義回路和64個常規(guī)控制回路。

c.支持1:1熱備份冗余或非冗余配置。

d.提供主控制器、I/O卡件、I/O通道綜合故障報警。

e.支持整體在線下載。在下載過程中，不停止用戶程序，主控卡按原有組態(tài)正常工作。

f.支持梯形圖、功能塊圖、順控圖等組態(tài)工具編制的控制方案。

g.有掉電保護功能，在系統(tǒng)斷電的情況下，組態(tài)、過程數(shù)據(jù)均不丟失。

為了標(biāo)示主控卡的網(wǎng)絡(luò)地址及對掉電保護功能進行設(shè)置，主控卡上配置有S1～S8共8位撥碼開關(guān)，S2～S8為地址撥碼開關(guān)，用于設(shè)置主控卡的地址，遵循8421的二進制原則，其自上向下代表高位到低位，即上側(cè)S2表示高位，下側(cè)S8表示低位，地址范圍為：2～127。S1為后備電池供電開關(guān)，S1為ON時選擇掉電保護功能，此時主控卡掉電后RAM中的組態(tài)、實時數(shù)據(jù)不會丟失。

如果主控卡按非冗余方式配置，即單主控卡工作，卡件的網(wǎng)絡(luò)地址記為N且必須為偶數(shù)，且滿足 2≤N＜127，N+1地址保留，不可作其他節(jié)點地址使用，如果主控卡為冗余配置，則互為冗余的兩塊主控卡網(wǎng)絡(luò)地址必須設(shè)置為以下格式：若起始地址為N，則另一地址為N+1，且N為偶數(shù)，滿足2≤N＜127。

在系統(tǒng)正常運行中，互為冗余配置的主控卡的工作卡和備用卡的狀態(tài)可以通過主控卡件面板上的狀態(tài)指示燈加以區(qū)別，指示燈狀態(tài)說明見下表：

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3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡配置及功能

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡是控制站I/O單元（機籠）的核心，是主控卡連接I/O卡件的中間環(huán)節(jié)，它一方面通過SBUS－S2冗余工業(yè)以太網(wǎng)總線和主控卡通訊，另一方面通過SBUS-S1總線管理本機籠的I/O卡件。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡可以冗余配置，在冗余配置狀態(tài)下，任意時刻只有工作卡進行實時數(shù)據(jù)通信，備用卡通過監(jiān)聽保證實時數(shù)據(jù)的同步。通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，一對主控卡（FW247）可擴展1到8個I/O機籠，即最多可擴展128塊不同功能的I/O卡件。熱電廠四號爐采用冗余配置的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡，型號為：FW235。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的網(wǎng)絡(luò)地址也是通過8位撥碼開關(guān)（SW2）設(shè)置，撥碼開關(guān) SW2-5～SW2-8采用2進制計數(shù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡的地址為0≤N＜15，且N必須為偶數(shù)，若數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡為單卡工作，則奇數(shù)為地址保留，不能作其它節(jié)點地址使用；若為冗余配置，則起始地址為N，另一地址為N+1，同時滿足0≤N＜15。SW2-1～SW2-4為系統(tǒng)保留資源，正常工作是必須置為OFF。

SW1為切換保護開關(guān)，用于工作卡和備用卡間的人工切換及差拔卡件時的通道保護。插拔卡件時必須按下此開關(guān)。

3.3 現(xiàn)場I/O卡件的配置

根據(jù)設(shè)計院提供的DCS系統(tǒng)測點清單，熱電廠四號爐共配置了23塊8路標(biāo)準(zhǔn)信號輸入卡，型號為FW351；8塊8路TC信號輸入卡，型號為FW352；7塊8路RTD信號輸入卡，型號為FW353；5塊8路電流信號輸出卡，型號為FW372；9塊16路數(shù)字信號輸入卡，型號為FW366；8塊16路數(shù)字信號輸出卡，型號為FW367。上述卡件均采取單卡工作，沒有冗余配置，但考慮了15%的備用通道余量。所有配置的I/O卡件均為點點隔離，即任意通道故障不影響其它通道正常使用。另外數(shù)字信號輸出卡件配置了與卡件數(shù)量相同的繼電器。

4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述硬件配置及工藝要求，熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)采用如下網(wǎng)絡(luò)配置，見圖（1）。該系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口進行信息通訊，并符合標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP通訊協(xié)議

5 軟件配置及系統(tǒng)功能

熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)配置了浙江中控技術(shù)股份有限公司的實時監(jiān)控軟件、工程師站組態(tài)軟件（含系統(tǒng)組態(tài)、流程圖制作、報表制作、編程軟件、語言編程、圖形化編程）、溫度信號轉(zhuǎn)換軟件、SOE軟件、故障診斷軟件。通過上述軟件配置可以實現(xiàn)如下功能：

5.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）功能

通過工程師組態(tài)軟件及實時監(jiān)控軟件，本套系統(tǒng)可以連續(xù)采集和處理所有四號爐本體部分及所有的輔機系統(tǒng)的重要測點信號和設(shè)備狀態(tài)信號，并提供如下顯示功能及制表記錄：流程圖顯示、趨勢顯示、操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、報警顯示、操作員操作記錄等；參數(shù)報表記錄、事故追憶記錄、事故順序（SOE）記錄、跳閘一覽記錄等。

5.2 模擬量控制系統(tǒng)（MCS）功能

5.2.1 模擬量控制系統(tǒng)能實現(xiàn)對母管制機組及輔機系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制，使機組能夠安全穩(wěn)定啟停，并且可將系統(tǒng)劃分為若干子系統(tǒng)，子系統(tǒng)設(shè)計遵守“獨立完整”的原則。

5.2.2 模擬量控制系統(tǒng)具有一切必要的手段，自動補償及修正機組自身的實時數(shù)據(jù)

5.2.3 在自動控制范圍內(nèi)，模擬量控制系統(tǒng)能處于自動方式而不需任何性質(zhì)的人工干預(yù)，并具有良好的，穩(wěn)定的、可靠的自動控制功能。

5.2.4 模擬量控制系統(tǒng)能提供聯(lián)鎖保護功能，以防止控制系統(tǒng)誤動作，如系統(tǒng)某一部分條件不滿足時，該部分自動及相關(guān)自動控制不能投入，同時保證控制系統(tǒng)任何部分運行方式的A/M切換，均為無擾動切換，不引起系統(tǒng)波動。

5.2.5 對某些重要的關(guān)鍵參數(shù)，在現(xiàn)場應(yīng)用中采用三重冗余變送器測量。對三重冗余測量值。系統(tǒng)可以自動選擇中值或平均值作為被控變量，而其余變送器測得的數(shù)值，若與中值信號的偏差超過預(yù)先整定的范圍時，進行報警。如其余二個信號與中值信號的偏差均超限報警時，則控制系統(tǒng)受影響部分切換至手動；對某些僅次于關(guān)鍵參數(shù)的重要參數(shù)，現(xiàn)場采用了雙重冗余變送器測量，若這二個信號的偏差超出一定的范圍，則提供報警，并將受影響的控制系統(tǒng)切換至手動。

建峰熱電廠四號爐工程根據(jù)運行工藝要求及以前三套機組自動控制的投入情況，對熱電廠四號爐組態(tài)了如下的模擬量控制系統(tǒng)：汽包水位自動控制系統(tǒng)、爐膛出口負(fù)壓自動控制系統(tǒng)、主汽溫度自動控制系統(tǒng)及所有的執(zhí)行機構(gòu)控制回路。另外除氧器壓力及水位模擬量控制系統(tǒng)進入原三號機DCS系統(tǒng)，不進入四號爐系統(tǒng)。

5.3 順序量控制系統(tǒng)（SCS）功能

5.3.1 順序量控制系統(tǒng)主要用于機組的啟動和停止，在應(yīng)用過程中同樣可將某個設(shè)備定義為一個子系統(tǒng)項。對于每一個子系統(tǒng)項，它們的狀態(tài)、啟動許可條件、操作順序和運行方式，均可在系統(tǒng)畫面上顯示。

5.3.2 順序控制系統(tǒng)中的每步均通過從設(shè)備來的反饋信號得以確認(rèn)，每步都能監(jiān)視預(yù)定的執(zhí)行時間。如果順序未能在約定的時間內(nèi)完成，將發(fā)出報警，且禁止順序進行下去。如果事故消除，在運行人員再啟動后，可使程序進行下去。

5.3.3 在自動順序期間，出現(xiàn)任何故障或運行人員中斷信號，都將使正在運行的程序中斷并回到安全狀態(tài)，使程序中斷的故障或運行人員指令將在畫面上顯示，并能通過打印機打印出來。當(dāng)故障排除后，順序控制在確認(rèn)無誤后可再次進行啟動。

5.3.4 順序控制中設(shè)備的聯(lián)鎖、保護指令具有最高優(yōu)先級：手動指令則比自動指令優(yōu)先。被控設(shè)備的“啟動”、“停止”或“開”“關(guān)”指令能互相閉鎖，以保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。熱電廠四號爐工程中主要的順序控制子系統(tǒng)項有：風(fēng)機子系統(tǒng)項、給煤機子系統(tǒng)項、冷渣器子系統(tǒng)項、輸渣子系統(tǒng)項、鍋爐放水，排汽子系統(tǒng)項、及鍋爐點火子系統(tǒng)項等。

6 控制系統(tǒng)組態(tài)應(yīng)用

6.1 控制系統(tǒng)組態(tài)

熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)組態(tài)主要包括：硬件組態(tài)、I/O點組態(tài)、流程圖組態(tài)、自定義控制算法組態(tài)等組態(tài)步驟。硬件組態(tài)主要是對主控卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡、I/O卡件及操作站進行組態(tài)定義。主控卡、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡和I/O卡件主要是定義其卡件型號、運算周期、是否冗余、通道號等，操作站組態(tài)主要是定義各操作站的操作權(quán)限、IP地址等；I/O點組態(tài)主要是根據(jù)設(shè)計院提供測點清單定義各測點的特性及其在系統(tǒng)中的具體通道的位置，并對各測點的測點類型、測量范圍、報警值、通道號及是否提供趨勢畫面等進行定義，硬件組態(tài)及I/O點組態(tài)是整個DCS系統(tǒng)組態(tài)的基礎(chǔ)；流程圖組態(tài)主要是根據(jù)設(shè)計院提供的流程圖，結(jié)合自己現(xiàn)場的實際情況，再根據(jù)運行人員的操作習(xí)慣對系統(tǒng)操作流程及畫面進行組態(tài)繪制；自定義控制算法組態(tài)是整個DCS系統(tǒng)組態(tài)的核心，所有系統(tǒng)設(shè)備的啟停、聯(lián)鎖保護、自動控制的實施等均是通過自定義控制算法組態(tài)來完成的。

6.2 組態(tài)應(yīng)用實例

通過上述組態(tài)過程，熱電廠四號爐系統(tǒng)就實現(xiàn)了真正意義上的集散控制，即運行操作人員在控制室內(nèi)就能對現(xiàn)場設(shè)備的啟停及運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，甚至有些系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動控制。而自動控制的實現(xiàn)與否除了與現(xiàn)場的一次測量元件有關(guān)外，還與DCS系統(tǒng)相關(guān)組態(tài)的邏輯有很重要的聯(lián)系，而組態(tài)邏輯是否可行，關(guān)鍵是要制定合適的控制方案?，F(xiàn)以熱電廠四號爐汽包水位自動控制系統(tǒng)為例簡單介紹一下其控制方案的建立過程。

對于大中型鍋爐汽包水位自動控制都采用三沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，所謂三沖量是在自動調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)器根據(jù)汽包水位沖量信號、蒸汽流量沖量信號和給水流量沖量信號對汽包水位進行控制調(diào)節(jié)。熱電廠四號爐同樣采用了三沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，接下來我們就要對這三個沖量信號進行功能上的詳細(xì)劃分。

我們都知道三沖量給水自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)有單級三沖量和串級三沖量的劃分，即在鍋爐啟停或低負(fù)荷運行時采用單級三沖量控制，而在額定參數(shù)下或高負(fù)荷運行時采用串級三沖量控制，二者之間可進行無擾切換。但是根據(jù)我電廠前三套機爐的運行情況及鍋爐運行操作規(guī)程的要求，在機組的啟?；虻拓?fù)荷運行情況下，都沒有投過給水自動，因為機組在這種情況下運行時，汽包水位、給水流量及蒸汽流量等的工藝參數(shù)與額定運行時的參數(shù)有較大的偏差，這也就造成上述參數(shù)的測量值與真實值有較大的偏差，這一偏差是不可避免的，所以在這種情況下投給水自動的意義不大并存在一定的危險性。因此我們只在鍋爐額定工況運行時采用串級三沖量控制這一方案。

采用串級三沖量控制后，我們將給水流量信號作為控制系統(tǒng)內(nèi)環(huán)（副控對象）的反饋值，因為當(dāng)給水流量變化時，節(jié)流裝置前后的差壓變化很快，差壓信號的變化能及時反映給水流量的變化，所以把它作為內(nèi)環(huán)反饋信號，使調(diào)節(jié)器在水位還未變化時，就將這一情況傳遞給控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)提前消除擾動，起到穩(wěn)定給水流量的作用；汽包水位信號作為主要控制量，用作控制系統(tǒng)的外環(huán)（主控對象）的反饋值，這是因為任何擾動引起的水位變化，都會使調(diào)節(jié)器輸出信號發(fā)生變化，改變給水流量，使水位恢復(fù)到給定值；對于蒸汽流量信號，我們將其作為控制系統(tǒng)的前饋信號，用以消除由于虛假水位而引起調(diào)節(jié)器產(chǎn)生誤動作，改善蒸汽流量擾動時的調(diào)節(jié)質(zhì)量。根據(jù)上述功能劃分后，制定汽包水位串級控制回路方框圖如下：

根據(jù)上述控制回路方框圖，熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)通過控制器算法組態(tài)對汽包水位自動控制方案進行了組態(tài)，并且對上述三個沖量信號進行了嚴(yán)格的計算及作了相應(yīng)的溫壓補償。只有這樣才能保證系統(tǒng)投入自動后控制的安全和穩(wěn)定。

總結(jié)

建峰熱電廠四號爐DCS系統(tǒng)從最初設(shè)計、設(shè)備采購、軟件組態(tài)到最終調(diào)試投運，都是作者本人具體負(fù)責(zé)完成的。從調(diào)試試運效果上看，系統(tǒng)運行較穩(wěn)定、運行人員反應(yīng)較好。因此通過上述DCS系統(tǒng)軟硬件的配置為熱電廠四號爐今后的長期安全、穩(wěn)定運行提供了有力保障，同時根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況，并借鑒已往的運行、維護經(jīng)驗制定了有效可行的控制方案，通過組態(tài)實施后，為系統(tǒng)的經(jīng)濟運行提供了可能。熱電廠四號爐的投產(chǎn)不僅成為了熱電廠新的經(jīng)濟增長點，而且也為整個建峰工業(yè)集團今后的飛速發(fā)展提供了充足的動力和能源。

[1]楊凌波，劉耀宇，吳志鵬.ECS在電廠DCS中的應(yīng)用探討[J].自動化博覽，2009-10-15.