新舊分散控制系統(tǒng)更換改造探討

肖勝，郭伯春

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054； 2.四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638000)

新舊分散控制系統(tǒng)更換改造探討

肖勝1，郭伯春2

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054； 2.四川廣安發(fā)電有限責(zé)任公司，四川 廣安 638000)

分散控制系統(tǒng)(DCS)改造的原則是保證控制系統(tǒng)在較好的應(yīng)用水平基礎(chǔ)上有質(zhì)的飛躍。改造前后的DCS分屬不同廠家產(chǎn)品時改造更加復(fù)雜，對硬件分配、軟件組態(tài)及電纜接線設(shè)計進行分析和研究，可為同類型DCS的改造提供借鑒。

分散控制系統(tǒng)；改造；不同廠家；硬件；軟件；電纜

1 研究背景

某電廠對分散控制系統(tǒng)(DCS)進行改造，將原貝利公司的INFI 90 OPEN系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)、爐膛安全監(jiān)視管理系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)和汽輪機電液控制系統(tǒng)改造為艾默生公司的OVATION系統(tǒng)，同時對部分與之配套的控制表盤、中間轉(zhuǎn)接柜以及相關(guān)輔助系統(tǒng)也進行改造。由于改造前、后的DCS由不同的廠家提供，需對改造策略開展研究，并將研究成果應(yīng)用到設(shè)計中。

2 分析與研究

DCS改造過程中有許多工作要注意，如改造機組雖然運行多年，但邏輯中仍存在隱患[1]，運行方式等使得這些問題沒能及時暴露，需要對此進行討論和優(yōu)化，這類問題在DCS改造過程中是常見的，本文不做論述，主要討論DCS改造過程中不同廠家DCS的應(yīng)用。

若從WDPF系統(tǒng)變更到OVATION系統(tǒng)，這兩個系統(tǒng)是同一家公司不同時期的產(chǎn)品，軟件和硬件都有繼承性，有利于產(chǎn)品的升級換代，如邏輯組態(tài)和畫面組態(tài)都可以從原有的版本轉(zhuǎn)換為現(xiàn)有版本，這樣就會給整個工程帶來很大的方便；還有些電廠是在保留原I/O卡件的基礎(chǔ)上，用OVATION系統(tǒng)替換WDPF系統(tǒng)進行升級[2]。而對于改造前、后使用不同廠家DCS的情況，所要面對的問題就很多。

2.1硬件分配

對于不同廠家的DCS，由于研發(fā)理念和系統(tǒng)架構(gòu)不同，硬件和軟件設(shè)計上有一定的區(qū)別，所以工程技術(shù)人員在進行DCS改造時，要認(rèn)真分析系統(tǒng)差別，才能保證改造后機組的安全性和經(jīng)濟性[3]，否則會影響項目的實施效果，嚴(yán)重的還會造成事故。

DCS改造工程中，電纜敷設(shè)是一個主要工作，一般電廠的DCS改造需要在55～60 d完成，電纜施工完成后，給分系統(tǒng)調(diào)試所剩的時間只有15～20 d，時間非常緊張，所以在硬件設(shè)計時要考慮如何在原有電纜的基礎(chǔ)上合理優(yōu)化，既要保證功能完善，還要降低電纜敷設(shè)施工難度，是改造前期的一個重點問題，處理不好會直接影響工程的進度。

該工程將INFI 90 OPEN系統(tǒng)改造為OVATION系統(tǒng)，由于機柜、卡件等硬件設(shè)計和結(jié)構(gòu)不同，所以在硬件分配的設(shè)計過程中，要對兩種DCS原有的硬件配置進行分析，得出最優(yōu)的機柜和卡件的分配思路。

對于大的功能分配，大部分遵循原來的控制器分配方案。一方面是考慮到施工中接線的問題，如果推翻原有方案，勢必會打亂原有電纜分布，不利于施工；另一方面，出于安全考慮，原計劃將設(shè)備相關(guān)溫度信號(如軸承溫度、電機線圈溫度等)移至相應(yīng)的設(shè)備邏輯所在的機柜中[4]，但經(jīng)過討論后認(rèn)為，這些溫度信號尤其是熱電阻信號的正確顯示與接線有很大關(guān)系，調(diào)整時需要對這些溫度信號的電纜進行中間轉(zhuǎn)接，會加大溫度信號出現(xiàn)誤差的幾率，所以最后實施時還是將這些溫度信號保留在原有位置。

在原來的控制器分配方案基礎(chǔ)上，在小的功能分配上進行了合理優(yōu)化[5]：如原來A，B兩側(cè)的A，B引風(fēng)機分在同一過程控制單元(PCU)中，只是在多功能處理器(MFP)中進行了分散；而在OVATION系統(tǒng)中，將重要設(shè)備的A，B側(cè)分在了不同的控制器中。

INFI 90 OPEN系統(tǒng)與OVATION系統(tǒng)在機柜上有很大區(qū)別。INFI 90 OPEN系統(tǒng)機柜分為模件柜和端子柜， OVATION系統(tǒng)機柜只有I/O卡件柜，即信號采集處理模件和IO端子板是在一起的，分配卡件時主要考慮從原INFI 90 OPEN端子板到現(xiàn)OVATION卡件的改造關(guān)系。圖1為INFI 90 OPEN系統(tǒng)端子柜和OVATION系統(tǒng)I/O卡件柜的布置示意圖。

圖1 兩種系統(tǒng)機柜布置示意

為了充分利用原有電纜，避免因為轉(zhuǎn)接而加大工作量，盡量將信號布置在原有位置附近，如需移動盡量向著電纜進入的方向往下移動。設(shè)計之前對原有DCS進行了考察，發(fā)現(xiàn)電纜是從電子間入口的方向進入的，同時對原INFI 90 OPEN系統(tǒng)端子板安裝的高度進行了測量，得出原端子板與現(xiàn)端子板位置的大致關(guān)系，見表1(以A列端子為例)。參考這個對應(yīng)關(guān)系對信號清單進行分配，如A8卡件位置的信號可以根據(jù)需要移至背面D1，或相鄰槽道B1、相鄰槽道背面C8(因為電纜長度有一定裕量可以往遠(yuǎn)移動一些)。

表1 原端子板與現(xiàn)I/O卡件的大致位置對應(yīng)

2.2組態(tài)軟件

DCS改造過程中，參考原有組態(tài)是很重要的，主要原因如下。

(1)改造前機組已運行10～15年，組態(tài)已經(jīng)根據(jù)運行人員習(xí)慣、設(shè)備情況及電廠特殊要求進行了改進，所以邏輯相對完善，有重要的借鑒價值[6]。

(2)原有組態(tài)的很多參數(shù)都要在現(xiàn)有組態(tài)中進行整理設(shè)置，如4～20 mA模擬量的量程、熱電偶信號的分度、熱電阻信號的測量元件型號、比例-積分-微分(PID)調(diào)節(jié)器的初始參數(shù)、流體流量開方后的系數(shù)等，都要和原有組態(tài)進行認(rèn)真核對。

(3)流程畫面的設(shè)計一般也要借鑒原有風(fēng)格，這樣運行人員才能更好更快地適應(yīng)[7]。

下面就此次工程中在組態(tài)軟件方面需要注意的幾個問題進行闡述。

(1)改造過程中，自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的PID參數(shù)一般都要參考原有邏輯先放好初始參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上進行細(xì)化調(diào)整。在設(shè)置初始參數(shù)時要注意兩種系統(tǒng)PID功能塊的不同，對原有參數(shù)進行換算后才能填入現(xiàn)有PID功能塊中。

OVATION系統(tǒng)PID功能塊的運算公式為[8]

(1)

式中：Ex為輸出；Er為偏差；KP為比例增益；τi為積分時間；KD為微分增益；τd為微分時間。

INFI 90 OPEN系統(tǒng)PID功能塊運算公式為[9]

(2)

式中：K為增益放大倍數(shù)；Kp為比例增益；Ki為積分常數(shù)；Kd為微分增益；Ka為微分滯后常數(shù)。

比較上面兩個公式后，得出兩種系統(tǒng)的PID參數(shù)換算關(guān)系

(2)機組的流體流量如風(fēng)量、水量都參與了保護，計算公式要和原有組態(tài)進行認(rèn)真核對。在核對過程中要注意，兩種系統(tǒng)的求平方根功能塊中都有一個系數(shù)，但這個系數(shù)在兩種系統(tǒng)功能塊中的作用不同，INFI 90 OPEN系統(tǒng)中是用該系數(shù)乘以輸入信號的平方根，而OVATION系統(tǒng)中是用該系數(shù)乘以輸入信號后再求平方根，雖然是微小的差別，但如果用錯了，將會使運算結(jié)果差很多，直接影響機組安全穩(wěn)定運行。

(3)4～20 mA模擬量信號的量程也要與原有組態(tài)一一核對，但兩種系統(tǒng)的量程設(shè)置方式不同，INFI 90 OPEN系統(tǒng)是通過設(shè)置量程上下限來設(shè)置，OVATION系統(tǒng)是通過設(shè)置系數(shù)來設(shè)置，這樣就需要對原量程上下限進行換算，求得換算系數(shù)，換算關(guān)系為

C1=(RU-RL)/0.016 ，

C2=(5RL-RU)/4 ，

式中：C1，C2分別為OVATION系統(tǒng)中的系數(shù)1和系數(shù)2；RU，RL分別為INFI 90 OPEN系統(tǒng)中的量程上限和下限。

在核對量程上下限時，一定要打開功能塊查看，不能只看功能塊外面的描述，因為描述有可能和里面實際設(shè)置的不一致。

2.3電纜接線設(shè)計

DCS改造項目與新建機組工程不同，一般沒有設(shè)計院參與設(shè)計，所以電纜接線設(shè)計的工作就要由改造單位完成。由于改造前后是兩種DCS，而且時間相差10～15年，電子元器件的條件也相差很多，所以在電纜接線設(shè)計時要非常仔細(xì)，尤其要注意兩種系統(tǒng)交叉設(shè)計時的情況，即在按新DCS設(shè)計時，還遺留了一些原有系統(tǒng)的設(shè)計，這種情況在DCS改造過程中比較常見，下面以實例對此進行說明。

如在OVATION系統(tǒng)中可以直接通過DOX板卡送6 kV設(shè)備的啟停信號到就地設(shè)備，這種DOX板卡的輸出繼電器是大容量的，而在INFI 90 OPEN系統(tǒng)中，6 kV設(shè)備的啟停信號是通過中間繼電器柜送到就地設(shè)備的，即通過DO板卡驅(qū)動大容量繼電器的線圈，將信號送到就地設(shè)備。在改造方案討論過程中，電廠出于檢修方面的考慮，仍然保留這種中間繼電器柜的方式，即小繼電器帶大繼電器的方式。

不論OVATION系統(tǒng)是 INFI 90 OPEN系統(tǒng)，對于主燃料跳閘(MFT)的控制方案，都是DCS將采集的參數(shù)及聯(lián)鎖信號送至MFT跳閘邏輯進行判斷，一旦輸入信號滿足MFT條件，則觸發(fā)MFT動作相關(guān)設(shè)備，切斷燃料。從保護功能的可靠性方面考慮，采用的方式是：兩路同時控制設(shè)備保護動作，一路由DCS保護控制邏輯直接動作設(shè)備，另一路由DCS輸出MFT繼電器組通過硬跳閘回路動作設(shè)備[10]。但在第2路動作形式上，兩個系統(tǒng)的設(shè)計思路不太一樣：OVATION系統(tǒng)是直接將相應(yīng)設(shè)備的MFT動作繼電器的節(jié)點串入(少量設(shè)備是并入)就地控制回路當(dāng)中；而INFI 90 OPEN系統(tǒng)可能出于當(dāng)時繼電器節(jié)點容量的考慮，是通過MFT動作繼電器節(jié)點驅(qū)動上述中間繼電器的線圈，將信號送到就地設(shè)備。INFI 90 OPEN系統(tǒng)的設(shè)計有一個不足，如果中間繼電器故障，則控制設(shè)備保護動作的兩路就都失效了，所以最后還是采用現(xiàn)在的OVATION系統(tǒng)的設(shè)計。

如果設(shè)計中兩種方式交叉設(shè)計，即OVATION的設(shè)計是從MFT動作繼電器節(jié)點接到了就地控制回路當(dāng)中，如果由于疏忽，原有的從MFT動作繼電器節(jié)點到中間繼電器線圈的電纜仍然保留，這樣就會出現(xiàn)就地控制回路與中間繼電器線圈回路并接的情況。6 kV設(shè)備控制回路是電廠直流系統(tǒng)供電，中間繼電器線圈回路是交流220 V供電，這樣，直流系統(tǒng)和交流系統(tǒng)就并接，會直接影響電廠直流供電系統(tǒng)的安全。圖2為兩種方式交叉設(shè)計情況，圖中虛線為錯誤接線。

圖2 電纜設(shè)計中兩種方式交叉設(shè)計情況舉例

3 結(jié)束語

對于DCS改造項目，改造前后新舊系統(tǒng)分屬不同廠家的情況比同一廠家時要復(fù)雜很多，在此次改造工程實施過程中進行了多方面的分析和研究，可以在同等類型的項目中加以應(yīng)用，以保證機組的安全經(jīng)濟運行。

[1]趙娜，張振偉.DCS改造中鍋爐側(cè)順序控制邏輯優(yōu)化[J].華電技術(shù)，2016，38(2)：44-47，52.

[2]滕會英，萬暉，王蘇華，等.300 MW機組分散控制系統(tǒng)從WDPF到OVATION系統(tǒng)的升級改造[J].中國電力，2004，37(10)：73-76.

[3]馬海林.200 MW單元機組分散控制系統(tǒng)改造合理性探討[J].中國電力，1997，30(7)：39-42.

[4]李耀中.分散控制系統(tǒng)設(shè)計方法[J].煉油化工自動化，1991(6)：13-15，55.

[5]何衍慶，馬欣，俞金壽.分散控制系統(tǒng)中控制組態(tài)的設(shè)計[J].煉油化工自動化，1997(1)：15-18.

[6]張國斌.電廠分散控制系統(tǒng)改造工程關(guān)鍵技術(shù)分析[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2016，34(1)：87-89.

[7]何衍慶，俞金壽.分散控制系統(tǒng)中過程流程圖畫面的設(shè)計[J].煉油化工自動化，1995(4)：9-14.

[8]艾默生過程管理有限公司.Ovation算法參考手冊[Z].

[9]ABB Automation University .ABB常用功能碼手冊[Z].

[10]靳允立.大機組MFT硬跳閘回路設(shè)計分析[J].熱力發(fā)電，2010，39(11)：73-76.

(本文責(zé)編：劉芳)

2017-07-19；

:2017-08-04

TM 621.6

：A

：1674-1951(2017)09-0031-03

肖勝(1978—)，男，天津人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事發(fā)電機組自動控制技術(shù)的研究與科研管理工作(E-mail:xiaosheng@tpri.com.cn)。郭伯春(1976—)，男，四川南充人，高級工程師，從事電廠熱工儀表及自動裝置技術(shù)管理與檢修方面的工作(E-mail:guodashanren@163.com)。