大型動力站鍋爐控制系統(tǒng)硬件的設計與開發(fā)

張國民

摘 要：以浙江中控ECS-700作為動力站集散控制系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)選型及硬件設計。從控制器、I/O模塊、工程師站、操作員站、OPC服務器、AMS服務器和歷史數(shù)據(jù)服務器等幾個方面對系統(tǒng)進行了硬件選型。就機柜、I/O點分配、系統(tǒng)配電、接地等方面進行了硬件設計。對硬件進行了組態(tài)。

關鍵詞：鍋爐控制系統(tǒng)；中控ECS-700；DCS

1 論文背景

1.1 項目背景

我國“缺油、少氣、富煤”的能源格局，決定了煤炭在能源結構中占據(jù)核心地位[1]。到2050年，煤炭仍將占中國能源消費比例的50%以上[2]。鍋爐作為發(fā)電或化工裝置的動力來源，為全廠提供蒸汽與熱源。隨著國家工業(yè)水平的提高和環(huán)保意識的增強，對鍋爐控制系統(tǒng)的要求越來越高。開發(fā)先進的、高效的鍋爐控制系統(tǒng)對于提高企業(yè)生產效率和市場競爭力具有重要意義。

1.2 DCS簡介

DCS是利用計算機技術對工業(yè)過程進行集中監(jiān)控管理和現(xiàn)場分散控制的新型計算機控制系統(tǒng)[3]。采用多層體系結構，將功能分至不同層，使危險分散，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。各類DCS結構基本相同，可分為三層：過程控制層、集中操作監(jiān)控層和綜合信息管理層。各層之間通過通信網絡進行通訊，層內各站通過本層網絡進行通訊。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，DCS具有可靠性高、硬件積木化、軟件模塊化、協(xié)調性強和控制功能強大的特點。

1.3 鍋爐裝置控制系統(tǒng)選型

文章所研究的鍋爐有4×600t/h超高壓煤粉鍋爐（記為A1#鍋爐-A4#鍋爐）和6×640t/h超高壓煤粉鍋爐（記為B1#鍋爐-B6#鍋爐）為全廠提供各種等級的蒸汽與熱源。用浙江中控的WebField系列控制系統(tǒng)之一的ECS-700系統(tǒng)作為DCS。

WebFieldTMECS-700系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制站、操作站和系統(tǒng)網絡。現(xiàn)場控制站（FCS）直接控制和監(jiān)視生產過程；操作員站（OPS）提供操作人員控制和監(jiān)視生產過程界面。系統(tǒng)的選型主要包括控制器、I＼O卡件、操作員站、工程師站和服務器等。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

2.1 引言

ECS-700具有先進的現(xiàn)場總線技術和網絡技術，支持多種國際標準現(xiàn)場總線的接入，如PROFIBUS、FF、MODBUS、HART等，還支持多種異構系統(tǒng)的集成，具有可用性、可靠性和開放性等特點。控制節(jié)點包括現(xiàn)場控制站及過程控制網上與異構系統(tǒng)連接的通信接口等。操作節(jié)點包括工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務器、組態(tài)服務器等連接在過程信息網和過程控制網上的人機接口等站點。系統(tǒng)網絡包括I/O總線、過程信息網、過程控制網和企業(yè)管理網等。

2.2 控制系統(tǒng)的網絡結構

ECS-700的系統(tǒng)網絡包括企業(yè)管理網、過程信息網SONET、過程控制網SCNET和I/O總線（包括L-BUS和E-BUS）4部分[4]。網絡結構如圖1所示。

（1）企業(yè)管理網實現(xiàn)對生產的管理和監(jiān)控。（2）過程信息網基于工業(yè)以太網，連接系統(tǒng)中所有的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務器、組態(tài)服務器等操作節(jié)點，并在其間傳輸歷史數(shù)據(jù)、操作記錄和報警信息等。（3）過程控制網絡SCNET連接DCS系統(tǒng)所有操作員站、工程師站、值長站、AMS維護站、AMS服務器、OPC服務器、歷史趨勢服務器和現(xiàn)場控制站等單元，傳送工廠過程數(shù)據(jù)。（4）I/O總線L-BUS和E-BUS。本地I/O總線L-BUS。L-BUS是ECS-700系統(tǒng)本地I/O通訊總線，用于連接控制器和控制器所在機柜的I/O模塊。擴展I/O總線E-BUS。E-BUS是ECS-700系統(tǒng)擴展I/O通訊總線，用以連接控制器和各類通信接口模塊（如I/O連接模塊、串行通信模塊等）。

本項目中DCS系統(tǒng)主要由以下單元組成：

系統(tǒng)控制節(jié)點：包括現(xiàn)場控制站（FCS）及過程控制網上與異構系統(tǒng)連接的通信接口（COM741）等。

系統(tǒng)操作節(jié)點：包括主工程師站（CES）、擴展工程師站（EES）、操作員站（OPS）、組態(tài)服務器（SVR）、域數(shù)據(jù)服務器（SVR）、歷史趨勢服務器（HIS）、SIS數(shù)據(jù)服務器（SIS）及網絡打印機（PRT）等連接在過程控制網上的人機會話接口站點。

系統(tǒng)網絡：包括擴展I/O總線（E-BUS）、本地I/O總線（L-BUS）、過程控制網（SCNET）等。

企業(yè)資產管理系統(tǒng)（AMS）：由SAMS服務器和SAMS客戶端共同組成企業(yè)資產管理系統(tǒng)。

OPC接口（OPC）：DCS系統(tǒng)提供單獨服務器作為OPC服務器作為ECS-700系統(tǒng)OPC接口。

時鐘同步系統(tǒng)：本項目采用中央控制室（SCR）和現(xiàn)場機柜間（FRR）模式，設置中心控制室（SCR）1個，現(xiàn)場機柜間（FRR）10個，其中與鍋爐相關的FRR有5個，分別為FRR29～33。

2.3 控制系統(tǒng)的硬件設計

2.3.1 機柜

本項目的機柜含電源分配柜（PDP）、網絡柜（NET）、主燃料跳閘柜（MFT）、系統(tǒng)柜（SYS）、安全柵柜（BAR）、繼電器柜（REL）、端子板柜（MAR）和服務器柜（SVC）等8種。

（1）交流電源柜（PDP）。SCR和FRR設置有交流電源柜，分別為UPS電源柜和GPS電源柜。

（2）網絡柜（NET）。SCR和FRR均設置網絡柜，用于過程控制網交換機、交換機、光纖接續(xù)盒、時鐘同步服務器和空氣開關等設備安裝。本項目集中控制室SCR配置有三個網絡柜。其中2個網絡柜安裝與FRR網絡互連的交換機，另一個安裝與上層互連的交換機、GPS時鐘服務器等。

（3）主燃料跳閘柜（MFT）。本項目設計為2套獨立的得電動作MFT硬回路，分別為A回路（220VAC回路）和B回路（220VAC回路），對于常開控制接點采用A回路與B回路輸出接點并接的方式驅動現(xiàn)場設備，對于常閉控制接點采用A回路與B回路輸出接點串接的方式驅動現(xiàn)場設備，此設計方式可保證任一個MFT硬回路繼電器組動作時，均能停運相應的現(xiàn)場設備，有效地防止拒動。

MFT硬回路控制信號由操作臺手動停爐信號、DCSMFT動作輸出信號、FSSS系統(tǒng)柜電源監(jiān)視信號、DCSMFT復位信號組成。MFT動作時，DCS輸出3個MFT動作信號送至MFT繼電器柜，按三取二原則進行配置，當MFT繼電器柜接收到2個以上MFT動作信號時，這時MFT柜硬繼電器動作，繼而動作直接驅動現(xiàn)場設備的驅動繼電器，實現(xiàn)緊急停爐。操作臺手動停爐信號由兩個按鈕的輸出信號組成，同時按下兩個按鈕，這時MFT柜硬繼電器動作，繼而動作直接驅動現(xiàn)場設備的驅動繼電器，實現(xiàn)緊急停爐。

（4）系統(tǒng)機柜（SYS）?，F(xiàn)場機柜間設置有DCS系統(tǒng)機柜，用于安裝各類DCS卡件，以及相關供電和通訊設備。安裝有控制器的系統(tǒng)機柜為本地機柜，沒有安裝控制器的系統(tǒng)機柜為擴展機柜。

（5）安全柵柜（BAR）。在安全柵柜中布置有所需各種類型的安全柵、安全柵型號采用MTL4541和MTL4511型號。

（6）繼電器柜（REL）。繼電器柜里安裝繼電器和DI轉接端子板（TUA711-DIO32）、DO轉接端子板（TUA711-GS00）。非本安DI信號轉接端子的正極采用帶燈熔絲端子，負極采用刀閘端子。

機柜背面左側下方安裝ACB01、ACB02、ACB03三個空開，來自交流電源柜的兩路UPS電源分別接入空開ACB01和ACB02，第三路電源（市電）接入電源空開ACB03。

（7）端子柜（MAR）。對于沒有配置繼電器和安全柵的測點全部采用端子板進行轉接。端子柜中主要安裝轉接端子板。

（8）服務器柜（SVC）。SVC電源上面安裝有導軌機架和平板，用于安裝OPC服務器。最多安裝7臺服務器和一臺顯示器，加裝2個機架式插座給設備供電。

2.3.2 DCSI/O點分配

DCS系統(tǒng)鍋爐控制部分的機柜間有FRR-29、FRR-30、FRR-31、FRR-32和FRR-33。各機柜間分別有控制器6對，操作站2臺，擴展工程師站1臺，AMS維護站1臺，打印機2臺。所有的I/O模件滿足以下要求：

所有I/O模件輸入通道、輸出通道、工作電源之間以及與外部信息交換采用單通道隔離，任一I/O點信號接地不影響其它I/O點的正常工作。

不同的I/O模件完成冗余輸入變送器信號的處理，單個I/O模件故障不能引起設備故障或跳閘。I/O模件單點故障不能影響整個模件正常工作。

每個模擬量輸入模件點數(shù)至多為16點，且需備用2點，即最多占用14點，具有單獨的輸入電路和A/D轉換器。每個模擬量輸出模件輸出點數(shù)最多16點，有各自單獨的D/A轉換器。A/D轉換器、D/A轉換器變換精度高于0.02%量級。每個開關量輸入模件點數(shù)至多32點，需備用4點，即最多占用28點。每個開關量輸出模件點數(shù)至多16點，需備用2點，即最多占用14點。

所有輸入輸出模件抗共模干擾電壓為500V，繼電器輸出抗共模電壓為350V。

系統(tǒng)共模抑制比為120分貝，差模抑制比（50赫茲）為60分貝。

2.3.3 系統(tǒng)配電

（1）交流供電原則。交流供電設備包括DCS供貨的各種類型機柜、操作站及打印機。項目在SCR設置2面UPS電源柜，現(xiàn)場來的2路UPS電源分別接入這兩面電源柜中，SCR電子設備間中機柜的風扇和照明供電設計在第二個UPS電源柜的分配回路中FRR機柜間按照獨立互不干擾的原則，為每個大的工藝系統(tǒng)各設置1面UPS電源柜（對應2路UPS電源）和1面GPS電源柜（對應1路市電電源）。DCS系統(tǒng)的機柜和操作節(jié)點的冗余電源來自UPS電源柜，機柜風扇和照明供電來自GPS電源柜。

DCS機柜供電：DCS機柜包括交流電源柜、網絡柜、服務器柜、系統(tǒng)柜、MFT柜、安全柵柜、繼電器柜、端子柜等。

交流電源柜的供電由電氣配置的UPS裝置或電氣母線段提供，SCR中設計2面UPS電源柜，分別對應2路UPS電源，F(xiàn)RR機柜間每個大工藝系統(tǒng)設計1面UPS電源柜和1面市電電源柜，UPS電源柜對應2路UPS電源，市電電源柜對應1路市電電源。

除交流電源柜外，其它機柜的交流供電則由DCS交流電源柜提供。每個機柜根據(jù)用電情況，設置有三個2進線空開ACB01、ACB02、ACB03，分別對應A、B兩路UPS工作電源和1路GPS電源，如柜內僅有風扇、照明用電，則只設計有一個空開ACB03，接GPS電源。

操作節(jié)點供電：操作節(jié)點包括工程師站、操作員站、服務器、打印機等節(jié)點。操作節(jié)點的供電來自于所在機柜間的UPS電源柜。

來自UPS電源柜的2路電源通過安裝在操作臺中的交流電源切換器切換后為SCR及FRR中的操作節(jié)點提供工作電源。UPS電源柜中各操作節(jié)點空開的容量配置為10A的2P空開。

其它系統(tǒng)220VAC供電：DCS系統(tǒng)為需由其供電的其它系統(tǒng)提供2路UPS電源。供電空開的容量按照用電設備最大啟動電流50%余量進行配置。

（2）直流供電原則。直流供電設備包括系統(tǒng)柜內設備、網絡交換機、安全柵、繼電器。系統(tǒng)柜內配置兩個20A的直流電源和1個PW715配電盒，配電盒提供2路DC24V輸入接口和8路DC24V輸出接口，輸入接口接直流電源的輸出，輸出接口分別給系統(tǒng)控制器基座、機架、L-BUS交換機或E-BUS交換機供電。

網絡柜、安全柵柜、繼電器柜等需要直流供電的外配柜都裝有兩個20A直流電源模塊，分別接收2路UPS電源，通過冗余模塊輸出的24VDC給分電端子排，直接向柜內部件進行供電。

系統(tǒng)柜內供電原則：以控制器基座、機架、交換機為單位進行供電；控制器基座、機架、交換機以兩路冗余開關電源以獨立供電方式進行供電，A路電源和B路電源相互獨立。

安全柵柜內設備供電原則：供電電源來自安裝于機柜背面的直流電源，直流電源容量為20A，配置兩個直流電源冗余模塊。

以安全柵底板為單位進行供電，每塊安全柵底板供2路電源；安全柵對應的正負極轉接端子配置刀閘端子。

繼電器供電原則：供電電源來自安裝于機柜背面的直流電源，直流電源容量為20A，配置兩個直流電源冗余模塊。

以16個繼電器一組為單位進行供電；DI繼電器供電正極端子配置帶燈保險絲端子，容量1A。負極端子配置刀閘端子；DO繼電器供電端子正負極端子均配置刀閘端子。

2.3.4 系統(tǒng)接地

（1）接地分類。根據(jù)本項目的要求，接地有兩類：保護接地、工作接地。

保護接地：為保障人身安全和電氣設備安全，設置保護接地。對控制系統(tǒng)機柜、操作臺、配電柜等用電設備的金屬外殼，正常不帶電的金屬部分，以及有可能帶危險電壓者，均作保護接地。若現(xiàn)場儀表低于36V供電且不與高于36V電壓設備接觸，如無特殊要求可不做保護接地。

工作接地：儀表、控制系統(tǒng)工作接地分為儀表信號回路接地和屏蔽接地兩部分，隔離信號可以不接地?！案綦x”是指每一輸入信號（或輸出信號）的電路與其它輸入信號（或輸出信號）的電路絕緣、對地絕緣，且電源獨立、相互隔離。非隔離信號通常是以直流電源負極為參考點，并接地。這也是信號分配的參考點。單點接地、信號回路中避免產生接地回路是儀表工作接地的原則，同一線路上的信號源和接收儀表都不可避免接地時，需要采用隔離器將兩點接地進行隔離。

（2）接地方法。DCS系統(tǒng)的保護接地、工作接地要求分類匯總連接到同一接地匯流母排上，最終連接到全廠電氣接地系統(tǒng)，以實現(xiàn)等電位接地。

控制系統(tǒng)遵循單點接地原則。采用等電位接地方式時，控制系統(tǒng)在接地網上的接入點應和防雷地、大電流或高電壓設備的接入點保持不小于至少10米的距離。

各工作接地在匯總之前不應與保護接地混接。在接至總接地板之前，各接地線、接地匯流排、接地干線等工作接地，除正常的連接點外，都應當絕緣。工作接地最終應從總接線板單獨接線與接地體或接地網連接。信號屏蔽電纜的屏蔽層接地經本機柜工作接地匯流排、工作接地分干線最終接到工作接地匯總板。

（3）接地連線。接地系統(tǒng)的導線采用多股絞合銅芯絕緣電線或電纜。接地匯總板用厚度不小于6mm銅板制作。機柜內的保護接地匯流排與機柜有可靠的電氣連接。工作接地匯流排、工作接地匯總板固定時采用絕緣支架。接地線、接地總干線、接地干線與接地匯流排、接地匯總板采用銅接線片和鍍鋅鋼質螺栓進行連接。接地系統(tǒng)的標識顏色為綠色或綠、黃兩色相間。

（4）接地電阻。接地連接電阻指的是儀表或設備的接地端子到接地極之間的導線與連接點的電阻總和。接地電阻是指接地極對地電阻與接地連接電阻之和。儀表及控制系統(tǒng)的接地電阻為工頻接地電阻，不大于4歐姆。儀表及控制系統(tǒng)的接地連接電阻不大于1歐姆。

2.3.5 系統(tǒng)硬件組態(tài)

系統(tǒng)的硬件組態(tài)使用VFIOBuilder.exe完成。VFIOBuilder采用樹狀結構管理組態(tài)信息，在組態(tài)過程中能清晰地把握系統(tǒng)的組態(tài)情況，具有良好的擴展性。

控制器下可組態(tài)的硬件設備包括：本地I/O連接模塊（虛擬I/O連接模塊）、I/O連接模塊、PROFIBUS主站通信模塊、EPA通信模塊、串行通信模塊等。

3 結束語

文章簡單介紹了我國能源現(xiàn)狀，簡要介紹了DCS的概念及特點。針對本項目所研究的鍋爐控制系統(tǒng)，給出了基于中控ECS-700的硬件設計。首先，詳細地介紹了ECS-700的網絡結構，分層次地分析了企業(yè)管理管理網、過程信息網、過程控制網和I/O總線的功能與特點。其次，介紹了本項目中所使用的各種機柜及其功能，對鍋爐控制系統(tǒng)的I/O點進行了分配，對系統(tǒng)配電、接地進行了詳細說明，并對硬件進行了組態(tài)。

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