基于PCS7的余熱發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用*

梁 巍

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，湖北 武漢 430065）

1 前言

干熄焦余熱發(fā)電是國家重點推廣的鋼廠余熱利用項目之一[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)能源綜合利用，節(jié)能減排，顯著提高經(jīng)濟效益，是鋼廠完成節(jié)能環(huán)保任務(wù)的重要手段[2]。目前，國內(nèi)余熱發(fā)電控制系統(tǒng)一般采用的都是國產(chǎn)DCS系統(tǒng)，常用的有和利時MACS系統(tǒng)和科遠NT6000系統(tǒng)，二者都是國產(chǎn)DCS系統(tǒng)中的佼佼者[3]。MACS系統(tǒng)主要應(yīng)用在石化行業(yè)熱電項目，以中小規(guī)模機組為主，但是硬件故障率較高，自保護能力差（外部回路短路、接地、過電壓均有可能損壞模塊），服務(wù)器會出現(xiàn)死機現(xiàn)象，軟件兼容性較差，數(shù)據(jù)采集周期較大，尤其是在生產(chǎn)運維方面效率不高[4]。NT6000系統(tǒng)在DEH方面做得較好，以小規(guī)模機組為主，價格相對便宜，售后服務(wù)較好，但是應(yīng)用領(lǐng)域比較單一，硬件穩(wěn)定性較差，軟件版本更新很慢，控制器會出現(xiàn)突然離線現(xiàn)象，若控制器一停電，程序就復(fù)位[5]。國產(chǎn)DCS系統(tǒng)普遍存在系統(tǒng)穩(wěn)定性較差，硬件故障率高，故障處理時間較長的缺點，從而導(dǎo)致生產(chǎn)效率不高的情況發(fā)生。

針對以上各種控制系統(tǒng)存在的局限性的問題，本文設(shè)計一種基于西門子PCS7的余熱發(fā)電控制系統(tǒng)，采用冗余CPU、冗余CP1623和S7-REDCONNECT的組合，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；使用CFC和APL進行編程，提高系統(tǒng)執(zhí)行效率，能夠很便捷的增減測點，方便技術(shù)人員操作；選擇SIEMENS模塊，能夠顯著降低硬件故障率，而且備品備件的數(shù)量能夠大大減少，大大提升生產(chǎn)運行維護效率。某焦化廠干熄焦余熱發(fā)電工程采用抽凝式汽輪發(fā)電機組，機組功率為15MW，選用西門子PCS7系統(tǒng)的控制方案能夠保證整個系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行，實現(xiàn)發(fā)電量高、故障處理時間短的目的。

2 系統(tǒng)組成及功能

干熄焦利用惰性循環(huán)氣體N2在干熄爐內(nèi)與紅焦換熱，使焦炭冷卻，并產(chǎn)生高溫氣體，經(jīng)過一次除塵器除塵后進入干熄焦鍋爐，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽，進入汽輪機發(fā)電并網(wǎng)。干熄焦發(fā)電工藝主要由抽氣系統(tǒng)、凝結(jié)水系統(tǒng)、冷凝器抽真空系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、減溫減壓系統(tǒng)、供油系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)、發(fā)電電氣系統(tǒng)等組成[7]。

整個自動控制系統(tǒng)包含：減溫減壓系統(tǒng)，汽水系統(tǒng)控制，循環(huán)水系統(tǒng)控制，供油系統(tǒng)控制，SOE報警系統(tǒng)，TSI系統(tǒng)和DEH系統(tǒng)的接口通訊系統(tǒng)等。

2.1 減溫減壓系統(tǒng)

將干熄焦系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽送入減溫減壓系統(tǒng)，使其溫度和壓力經(jīng)過PID控制調(diào)節(jié)，使其與汽輪發(fā)電機組的工藝參數(shù)相匹配。

2.2 汽機汽水系統(tǒng)

儀表主要包括溫度、壓力、流量、液位測點參數(shù)控制；設(shè)備主要包括冷凝水泵、射水泵、疏水泵等互備互投及連鎖控制功能，重點是凝氣器水位控制。

2.3 汽機油路系統(tǒng)

儀表包括汽機油路系統(tǒng)壓力、溫度、液位測點的監(jiān)控；設(shè)備主要包括高壓交流油泵、交流潤滑油泵、直流潤滑油泵、頂軸油泵、主油泵、高壓抗燃油EH系統(tǒng)等互備控制機與油壓的連鎖控制，重點是油箱的液位及溫度控制。

2.4 循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)水冷卻系統(tǒng)主要由冷卻塔、循環(huán)水池、循環(huán)水泵、旁濾系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、控制儀表系統(tǒng)及管道、閥門等組成。溫度通過循環(huán)水回水母管上的溫度在線檢測儀表測量和顯示，并通過冷卻塔的變頻風(fēng)機和旁通管的溫度調(diào)節(jié)閥進行控制。供水壓力通過循環(huán)水供水干管上的壓力在線檢測儀表測量和顯示。當(dāng)循環(huán)水泵采用變頻泵時，可通過變頻電機調(diào)節(jié)循環(huán)水供水壓力。如果循環(huán)水供水管的壓力持續(xù)過高，而壓力調(diào)節(jié)閥已達到最大開度或循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速已達到最低狀態(tài)，則可以停止一臺至幾臺循環(huán)水泵，直至壓力滿足系統(tǒng)要求。集水池上裝有液位計在線檢測和顯示，并通過控制補充水管上設(shè)有的液位調(diào)節(jié)閥來控制補充水量，從而使集水池保持一定的液位。

2.5 順序事件記錄SOE功能

在發(fā)電工業(yè)過程控制領(lǐng)域中，不但對機組控制的穩(wěn)定性和安全性要求很高，而且在機組發(fā)生故障停機時，需要對引起故障的原因進行分析，而在分析原因的過程中往往需要事件順序記錄（SOE，Sequence of Events）功能。SOE是電廠重要的運行狀態(tài)監(jiān)測、記錄、事故分析工具。發(fā)電廠的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，監(jiān)測參數(shù)眾多，當(dāng)事故發(fā)生的瞬間，需要記錄很多信息，幫助分析事故原因，采取相應(yīng)措施。SOE記錄的參數(shù)如下：潤滑油壓低停機、軸振動大停機、軸位移大停機、膨脹差大停機、轉(zhuǎn)速大停機、凝氣器真空低停機、緊急停機、發(fā)保柜停機、主汽門關(guān)閉等信號。

2.6 汽機TSI監(jiān)測系統(tǒng)

汽機TSI監(jiān)測系統(tǒng)主要包括汽機本體壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動、脹差、軸位移等重要參數(shù)的監(jiān)控。信號進行可靠性處理，保證信號安全可靠。

2.7 汽機危急保護系統(tǒng)（ETS）

汽機危急保護功能在DCS系統(tǒng)實現(xiàn)，DCS系統(tǒng)通過硬線通訊的方式讀取汽輪機的軸振、軸位移、脹差、汽輪機轉(zhuǎn)速等汽輪機本體參數(shù)，以及DEH系統(tǒng)轉(zhuǎn)速、電氣參數(shù)等，在DCS系統(tǒng)進行綜合處理，一旦出現(xiàn)異常，立刻發(fā)出停機指令，控制停機電磁閥動作，實現(xiàn)停機保護功能。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)選擇

余熱發(fā)電系統(tǒng)一般采用分布式控制系統(tǒng)（DCS），國內(nèi)常用DCS系統(tǒng)為和利時MACS系統(tǒng)、科遠NT6000系統(tǒng)和西門子PCS7系統(tǒng)等。與和利時MACS系統(tǒng)、科遠NT6000系統(tǒng)相比，西門子PCS7控制系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)勢。

（1）PCS7系統(tǒng)支持CPU冗余、以太網(wǎng)通訊冗余、Profibus-DP通訊冗余，且支持I/O模塊的熱插拔功能，組態(tài)結(jié)構(gòu)清晰，以子站為單元進行分布式配置。而和利時MACS系統(tǒng)、科遠NT6000系統(tǒng)中的模塊組件都是單獨放置，模塊體積偏大，結(jié)構(gòu)沒有PCS7硬件系統(tǒng)緊湊[8]。

（2）PCS7軟件功能強大，自帶APL庫，能夠滿足余熱發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)備控制的需要，比如電機、閥門等，可以直接調(diào)用庫自帶的功能塊和面板組合，進行快速編程，同時自動編譯產(chǎn)生WINCC操作畫面，集成參數(shù)設(shè)置、報警記錄、曲線記錄、操作記錄等常用功能，非常方便實用，大大提高調(diào)試效率。而和利時MACS系統(tǒng)、科遠NT6000系統(tǒng)沒有這么強大的功能，更多采取的都是傳統(tǒng)的軟件編程和上位機HMI制作方式，效率遠遠不如PCS7軟件系統(tǒng)。

（3）PCS7系統(tǒng)穩(wěn)定，硬件成熟可靠，軟件應(yīng)用廣泛，工廠運維人員比較熟悉，容易上手。和利時MACS系統(tǒng)中軟件組成復(fù)雜，兼容性差，一般運維人員很難上手，萬一出現(xiàn)問題，排除故障時間較長，而科遠NT6000系統(tǒng)中硬件模塊穩(wěn)定性太差，容易出現(xiàn)硬件故障，影響發(fā)電效率[9]。

（4）西門子系統(tǒng)在鋼鐵冶金行業(yè)應(yīng)用廣泛，并且本項目中干熄焦主體控制系統(tǒng)也是采取的PCS7系統(tǒng)，那么在余熱發(fā)電系統(tǒng)中選擇PCS7系統(tǒng)更有利于技術(shù)人員進行系統(tǒng)運維，備品備件的種類和數(shù)量也會大大減少。而采用和利時MACS系統(tǒng)、科遠NT6000系統(tǒng)就需要單獨準(zhǔn)備備品備件，運維人員也需要花大量精力去熟悉新的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

鑒于以上優(yōu)勢和業(yè)主實際需求，該自動控制系統(tǒng)采用西門子S7-400H冗余系統(tǒng)，由冗余的西門子 414-5H CPU[10]、冗余的 Profibus-DP 通訊網(wǎng)絡(luò)、冗余的工業(yè)以太網(wǎng)、1臺工程師站和2臺操作員站組成。編程軟件采用西門子最新版本的PCS7 V8.0 SP1，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

3.2 硬件配置

（1）CPU模塊：采用冗余自動化控制站西門子414-5H CPU，出現(xiàn)故障自動切換，具備事件同步功能。兩個CPU之間通過高速同步光纖連接，可靠保證兩臺CPU的程序和數(shù)據(jù)一致。在主CPU發(fā)生故障、突然死機的情況下，處于監(jiān)控狀態(tài)的CPU馬上切換為主CPU。

（2）I/O信號采集：每個子站配置兩個ET-200M通訊模塊，CPU通過冗余Profibus-DP現(xiàn)場總線與ET-200M連接，保證對I/O模塊數(shù)據(jù)交換的實時通訊。當(dāng)其中一個ET-200M通訊模塊發(fā)生故障時，系統(tǒng)能自動切換到另一個ET-200M通訊模塊，保證通訊正常運行，提升了控制系統(tǒng)的通訊可靠性。每個ET-200M的有源背板總線上插有兩個IM153通訊模塊，實現(xiàn)冗余功能，并支持帶電熱插拔功能。

（3）下位機與上位機通訊：采用西門子CP1623以太網(wǎng)卡，實現(xiàn)操作員站與冗余CPU的通訊，當(dāng)CPU切換時，網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無擾切換，不會出現(xiàn)像使用普通網(wǎng)卡發(fā)生短時斷網(wǎng)的情況，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

（4）供電：PLC系統(tǒng)的供電由兩路電源提供，采用雙路電源切換設(shè)備，保證其中一路斷電時另外一路可保證系統(tǒng)無干擾地平穩(wěn)運行。同時，配置一臺大容量的UPS系統(tǒng)，保證控制系統(tǒng)繼在停電的情況下能夠繼續(xù)運行一小時以上。

3.3 軟件設(shè)計

西門子PCS 7系統(tǒng)是完全無縫集成的自動化解決方案?？梢詰?yīng)用于所有工業(yè)領(lǐng)域，包括過程工業(yè)、制造工業(yè)、混合工業(yè)以及工業(yè)所涉及的所有制造和過程自動化產(chǎn)品。作為先進的過程控制系統(tǒng)，SIMATIC PCS7形成了一個帶有典型過程組態(tài)特征。PCS7是西門子的DCS系統(tǒng)，基于過程自動化，從傳感器、執(zhí)行器到控制器，再到上位機，自下而上形成完整的TIA（全集成自動化）架構(gòu)。主要包括Step7、CFC、SFC、Simatic Net和WinCC以及PDM等軟件，組態(tài)對象選用S7-400高端CPU，一般應(yīng)用于鋼鐵冶金和石化等行業(yè)。PCS7并不等同于Step7+WinCC，PCS7中的OS中的很多模板和畫面都是在Step7中用CFC和SFC自動生成的，變量記錄和報警記錄也都是由Step7中編譯傳送到WinCC中去的，并不需要像使用普通WinCC那樣手動組態(tài)畫面、變量記錄和報警記錄。

本項目編程語言主要以S7-CFC（Continuous Function Chart，連續(xù)功能圖）為主。CFC是西門子一種圖形化程序編輯器，提供了可視化的模塊間的連線編程，清晰可見信號間的I/O流向，適合數(shù)據(jù)運算和處理編程使用。它通過給預(yù)先編輯好的塊指定參數(shù)或者建立連接，從而實現(xiàn)創(chuàng)建CPU程序結(jié)構(gòu)，同時也可使用STEP7中的標(biāo)準(zhǔn)塊，并通過簡單的連線來降低開發(fā)成本并減少錯誤，非常適合于過程控制系統(tǒng)。

同時，程序中大量使用高級過程控制庫（APL，Advanced Process Library）中的功能，如模板驅(qū)動、過程控制功能集（PID算法、馬達控制、閥門控制）、聯(lián)鎖報警等。利用系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，可以很方便的對項目進行自下而上的AS控制算法開發(fā)，且OS畫面組態(tài)性能上也更加優(yōu)化。當(dāng)用戶在PCS7系統(tǒng)中定義一個功能塊，例如一個功能塊類型Block Type，在AS控制器側(cè)，它是一個功能塊（Function Block）；然而在OS側(cè)，它卻是此功能塊對應(yīng)的功能塊圖標(biāo)（Block Icon）和一套操作面板（Faceplate）。

通過APL庫設(shè)置CFC回路的一般流程如下，如圖2所示。

圖2 CFC調(diào)用APL功能的一般流程

3.4 關(guān)鍵控制技術(shù)實現(xiàn)

PCS7系統(tǒng)功能強大，操作便捷，在工程實施時間緊張的情況下，高效完成了整個控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)，同時很好的實現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備的控制要求[11]。

（1）供油回路聯(lián)鎖控制

汽輪機在額定轉(zhuǎn)速下正常運行時，當(dāng)已經(jīng)建立適當(dāng)?shù)臐櫥蛪汉?，交流油泵和高壓備用密封油泵的?lián)鎖開關(guān)投入，事故油泵和輔助油泵處于停運狀態(tài)。當(dāng)潤滑油總管壓力小于下限值時，交流事故油泵自動投入，當(dāng)潤滑油總管壓力小于下下限值時，直流事故油泵自動投入，當(dāng)調(diào)節(jié)油總管壓力小于下限值時，交流輔助油泵自動投入，連鎖控制邏輯如圖3所示。該連鎖控制使用APL實現(xiàn)，操作界面如圖4所示。如果連鎖功能缺失，就極有可能造成汽輪機的軸承在摩擦發(fā)熱時因缺少潤滑油而導(dǎo)致軸瓦和軸頸燒壞的嚴(yán)重后果。

圖3 供油回路聯(lián)鎖控制邏輯圖

圖4 供油回路電機操作界面

（2）系統(tǒng)冷水池液位自動控制

控制工業(yè)水補水調(diào)節(jié)閥，以此來穩(wěn)定循環(huán)水池的水位。低于下限值，調(diào)節(jié)閥自動全開，水位高于上限值，調(diào)節(jié)閥自動全關(guān)。

（3）均壓箱壓力自動控制

根據(jù)均壓箱壓力測量值，通過PID來控制汽封壓力調(diào)整分配閥，使均壓箱保持一定的壓力。當(dāng)均壓箱中壓力低于下限值時，高于預(yù)設(shè)壓力值的抽汽通過該分配閥向均壓箱補充，當(dāng)均壓箱中壓力高于上限值時，多余的蒸汽也通過汽封壓力調(diào)整分配閥排入冷凝器中，PID調(diào)節(jié)邏輯如圖5所示。

圖5 均壓箱壓力PID調(diào)節(jié)邏輯圖

（4）冷凝器熱井液位自動控制

汽輪機在運行中，凝汽器熱井水位高低關(guān)系到機組的安全運行，水位太高會淹沒冷卻水管，造成凝汽器真空降低，機組出力不足；水位過低容易造成凝結(jié)水泵汽蝕和斷水，影響凝結(jié)水泵的正常運行，特別是在負荷波動較大時，熱井水位極難控制。系統(tǒng)通過PID控制調(diào)節(jié)閥，保證熱井水位穩(wěn)定，PID調(diào)節(jié)邏輯如圖6所示。該PID控制使用CFC編程實現(xiàn)。

圖6 熱井液位PID調(diào)節(jié)邏輯圖

4 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)自投運以來，達到工藝要求，系統(tǒng)硬件安全可靠，軟件功能完善，各種連鎖控制嚴(yán)謹，過程調(diào)節(jié)平穩(wěn)，保障了機組的長期安全可靠穩(wěn)定運行，生產(chǎn)效率顯著提高。同時，該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)清晰，軟件編程通俗易懂，運維人員能夠很快適應(yīng)，排除故障時間大大縮短，尤其是當(dāng)現(xiàn)場需要修改或增減一些檢測信號的時候，支持在線不停機下載程序，操作簡單，而MACS系統(tǒng)或NT6000系統(tǒng)遇到這種情況操作相當(dāng)復(fù)雜，很容易造成停機事件。本項目中，發(fā)電機組為15MW，如果按一年300天正常生產(chǎn)來計算，一年發(fā)電量超過1000萬度，降低鋼廠能耗明顯，經(jīng)濟效益顯著[12]。同時，作為節(jié)能環(huán)保項目，余熱蒸汽用于發(fā)電，取代了相應(yīng)規(guī)模的燃煤發(fā)電，從而減少了燃煤發(fā)電中燃煤灰渣、燃煤廢氣、粉塵對環(huán)境的污染，達到環(huán)境污染防治的目的，是一舉多得的資源綜合利用項目。