火力發(fā)電廠PLC系統(tǒng)改造為DCS研究及實踐

張軍亮，劉 龍

（神華國華錦界能源有限責任公司，陜西 神木 719300）

工業(yè)界對分散控制系統(tǒng)（DCS）與可編程邏輯控制器（PLC）孰優(yōu)孰劣的爭論已經持續(xù)了至少40年。傳統(tǒng)認為，PLC側重于開關量、簡單的順序控制，在邏輯運算方面比DCS要快。DCS側重于模擬量、連續(xù)、復雜的自動調節(jié)控制，重點在于系統(tǒng)的可靠性、分散性及復雜數據的處理能力。組態(tài)方面，PLC以梯形圖為主，DCS以模塊功能圖為主，從開發(fā)效率和程序可讀性來考慮，DCS勝過PLC。以前，相對于PLC而言，DCS通常更加昂貴。然而，隨著技術的發(fā)展，兩者功能特性越來越接近，價格差異也在縮小，曾經一度清晰的選擇，現在似乎變得越來越模糊。

1 改造前精處理PLC介紹

神華國華錦界能源有限責任公司#1～#4機組（4*600MW）精處理系統(tǒng)由PLC控制，其中#1、#2機組共用一套PLC系統(tǒng)，#3、#4機組共用一套PLC系統(tǒng)。PLC硬件采用美國ROCKWELL公司AB系列CONTROL LOGIX產品，編程軟件為RS Logix5000。一期單元機組雙機PLC控制系統(tǒng)（二期雙機與一期一致）點數為：模擬量輸入（AI）181點，模擬量輸出（AO）27點，開關量輸入（DI）496點，開關量輸出（DO）379點。凝結水精處理系統(tǒng)每臺機組設有一套陽床和陰床單元（每臺機組陽床和陰床各3臺）用于處理凝汽器熱井來的凝結水，每兩臺機組共用一套體外再生單元及酸堿計量單元、沖洗水泵單元、羅茨風機單元、電加熱水箱單元，體外再生裝置，陽、陰再生罐和貯存罐分別設置。

1.1 PLC控制系統(tǒng)硬件組成

圖1 原PLC網絡結構圖Fig.1 Original PLC network structure diagram

凝結水精處理PLC系統(tǒng)的由PLC主機、I/O模塊、網絡通訊模塊、電源柜、交換機、適配器、通訊電纜、光纜等PLC的全套軟硬件控制設備，程控柜（含遠程I/O柜）、電源柜包括柜內所有的繼電器、電源開關等輔助設備和柜內接線等，凝結水精處理在電子間設置一臺操作員站，單元機組集控室內通過全廠輔助車間監(jiān)控網絡上的操作員站對凝結水精處理系統(tǒng)進行集中實時監(jiān)控。PLC為雙機熱備，雙機熱備系統(tǒng)主機和備用機完全相同的配置，即雙機架、雙電源、雙CPU、雙通訊模塊，雙機無擾切換時間保證兩套主機的無擾切換，切換時間為60ms；CPU的內存不小于1.5M。PLC系統(tǒng)在上層冗余以太網中的地址可在熱備系統(tǒng)中能夠自動轉換，無論哪一臺PLC切換成主機，主機和備機IP地址總能夠相互切換，使之固定不變。在1#機、2#機混床處均分別設遠程I/O柜，其它程控機柜/電源柜均布置在凝結水精處理電子設備間內?？刂茩C柜（含遠程I/O柜）均為2100×1000×600(HxWxD)。I/DO模塊的端子外部供電為24VDC，DI采用32點模塊，DO采用16點模塊；模擬量I/O為4mA～20mA，采用AI：16點和AO：8點模塊。

1.2 PLC控制系統(tǒng)網絡結構

改造前精處理PLC與輔助車間網絡通過光纜連接，輔助車間監(jiān)控網采用冗余配置的100M工業(yè)以太網。PLC系統(tǒng)的以太網通訊接口卡冗余配置，當一條網絡線路通訊故障時，可自動切換至另一條線路，不因此影響上層網絡對本系統(tǒng)的監(jiān)控。下層PLC控制網絡通過冗余的ControlNet連接到控制器框架以及其它遠程框架。

1.3 PLC控制系統(tǒng)功能介紹

操作站兼工程師站具備的基本功能有：實時監(jiān)視系統(tǒng)內每一個模擬量和數字量；顯示并確認報警；顯示操作指導；建立趨勢畫面并獲得趨勢信息；打印報表；自動和手動控制方式的選擇；調整過程設定值和偏置；控制系統(tǒng)組態(tài)；數據庫管理和維護；畫面的編輯及修改?？刂撇僮鞴δ苡校?）可按組態(tài)通過鼠標指定畫面上的對象進行開關或增減操作；2）控制系統(tǒng)采用程控、遠控、就地控制相結合的方式；3）對于程序控制系統(tǒng)具有自動、半自動、步操及就地手操4種操作方式；4）在手動方式下操作員啟停電動機、開關閥門及其它設備時，LCD畫面提供操作指導；5）現場設備故障，影響程控前進時，在滿足相關約束下，運行人員干預可進行跳步操作；6）設備處于就地操作方式時，上位機操作無效。

2 改造前存在問題

國華錦能公司4臺機組精處理控制系統(tǒng)全部采用美國ROCKWELL公司AB系列CONTROL LOGIX產品，自2006年投產應用以來，已投產運行10余年，同型號主控模塊已經更新停產,備品備件采購周期長，質量無法保證。改造前多次現場設備發(fā)生故障，系統(tǒng)無法滿足操作及設備動作遠時間追溯。在應用過程中雖然沒有發(fā)生因PLC控制系統(tǒng)故障導致的機組非停事件，但是隨著工業(yè)自動化生產的發(fā)展，對發(fā)電廠自動化、數字信息化，獨立的PLC系統(tǒng)無法滿足生產現場管理要求。

改造前，PLC控制系統(tǒng)無法長期保存歷史趨勢及操作記錄，現代企業(yè)對設備及系統(tǒng)精細化管理水平要求提高，水質監(jiān)測監(jiān)督力度加大，改造前系統(tǒng)存儲的短期數據已無法滿足多數基于數據分析管理設備要求。

3 升級改造內容

1） 在現有PLC系統(tǒng)電子間內，拆除原有PLC除電源柜外所有設備，保留現有信號線纜，保留原PLC電源。

2）對現PLC系統(tǒng)使用的組態(tài)邏輯及工藝流程圖進行轉換，將現有和利時Logix內梯形圖控制邏輯及Ifix圖轉換成升級后DCS系統(tǒng)自定義功能塊邏輯及畫面顯示格式，在保持原操作習慣不變的前提下，對操作風格進行DCS人機交互優(yōu)化。

3）將精處理原有PLC網絡硬件取消拆除，采用現單元機組DCS系統(tǒng)網絡結構，即穩(wěn)定可靠直接通信的單層網、對等網絡結構。

4）原現場至PLC端子的信號線纜接到新DCS卡件上，并進行校線、傳動信號等工作，遠程站控制設備拆除、繼電器拆除作為DCS控制信號轉接柜，敷設電纜至再生控制間DCS遠程站DCS設計通道端子上。

5）在設備安裝調試完成后對精處理系統(tǒng)所有順控、程控及測點報警保護功能進行測試傳動。

4 改造后優(yōu)點

4.1 控制系統(tǒng)安全性能提升

單元機組DCS各處理器、網絡和電源均采用的雙冗余配置，在生產系統(tǒng)運行過程中發(fā)生某個重要硬件節(jié)點及控制軟件故障，處于熱備用狀態(tài)的冗余元件立即切換為主工作元件并在系統(tǒng)設備報警中進行故障報警提示，使得控制系統(tǒng)安全可靠性能得以保證。但是原PLC控制系統(tǒng)之中，主從控制器間僅為備用狀態(tài)，主要設備發(fā)生故障時只存在就地狀態(tài)指示燈報警，系統(tǒng)安全性性能較弱。

4.2 擴展性和兼容性差異

改造后，DCS的兼容性和擴展性較原PLC之間得到很大的提升，改造后和利時MACS K系列的DCS屬于火電廠控制管理層的大型的網絡系統(tǒng)工程，操作級和網絡平臺都是以太網形式，采用的是當前標準的TCP/IP協(xié)議，這為整個系統(tǒng)的擴展提供了方便。原PLC系統(tǒng)主要針對輔助設備進行控制，在兼容性和擴展性方面是存在設計弊端的，在底層生產現場的自動控制和數據采集層面對未來智能智慧火力發(fā)電系統(tǒng)資源需求和共享有很大的制約性。

4.3 數據庫統(tǒng)一

改造后，DCS使用的是將原PLC控制設備及測點與單元機組統(tǒng)一的數據庫，單元機組DCS系統(tǒng)中保存所有原始數據，而單在PLC控制系統(tǒng)中，上下位軟件的通訊建立都需要第三方進行數據庫統(tǒng)一。統(tǒng)一的數據庫為下一步智能智慧電站的實現保證了源數據質量。

5 控制系統(tǒng)改造后投入運行效果

精處理PLC系統(tǒng)改造接入單元機組DCS控制能夠充分滿足現代大容量、高參數火力發(fā)電機組先進的生產管理需求，符合現代火力發(fā)電的大集控理念，也是減少運行人員數量、降低人工成本的有效技術手段。統(tǒng)一的數據庫，標準化的網絡協(xié)議及結構是建立云平臺、大數據分析的基礎。系統(tǒng)之間數據共享，運維更高效、便捷。其輔助生產系統(tǒng)19套PLC控制系統(tǒng)改造積累經驗，確保全廠生產控制系統(tǒng)之間的無縫整合和控制安全。

6 結語

工業(yè)生產自動化系統(tǒng)的網絡化、標準化、智能智慧化是現代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。將PLC系統(tǒng)改造為DCS，對火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)進行統(tǒng)一化，充分實現電廠生產經營管理的智能化和自動化，達到提高企業(yè)現代化管理水平、提高企業(yè)經濟效益的目的，為提高企業(yè)市場競爭能力的目標奠定了基礎。