maxDNA大型分散控制系統(tǒng)在9F雙軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的應(yīng)用

劉 舟 陳子靜

（南京國電南自維美德控制系統(tǒng)有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

近年來，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及對(duì)節(jié)能環(huán)保的進(jìn)一步重視，燃煤火電機(jī)組的投建工作已受到明顯制約，而燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組憑借效率高、啟動(dòng)快、環(huán)境污染小、調(diào)峰性能好等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為未來電力行業(yè)發(fā)展的一個(gè)主要方向。多年的國內(nèi)外應(yīng)用研究表明，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組技術(shù)已趨于成熟，其中F級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組整體效率可達(dá)58%～60%，而兼顧發(fā)電和供熱的機(jī)組，其熱效率可達(dá)到88%以上。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由燃?xì)廨啓C(jī)與余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)共同構(gòu)成，燃?xì)廨啓C(jī)做功后排出的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐將給水加熱成蒸汽，再將蒸汽注入蒸汽輪機(jī)。由于燃?xì)廨啓C(jī)核心部件加工條件極其苛刻以及核心技術(shù)依舊由國外幾大公司掌握，國內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的主要設(shè)備還需從國外進(jìn)口，其控制系統(tǒng)及控制策略也都由國外提供，因此研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的分散控制系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)其在9F級(jí)重型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中的成功應(yīng)用，對(duì)于打破國外技術(shù)壟斷，提高我國電力自動(dòng)化水平具有長遠(yuǎn)意義。

石家莊2×9F燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組燃?xì)廨啓C(jī)采用西門子9F型燃機(jī)，型號(hào)為SGT5-4000F，型式為單軸、重型（工業(yè)型），額定出力為311.95 MW，控制系統(tǒng)采用西門子T3000系統(tǒng)；余熱鍋爐由東方菱日鍋爐有限公司生產(chǎn)，型式為臥式、三壓、無補(bǔ)燃；蒸汽輪機(jī)由東方電氣股份有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為LN145-11.7/563/563，型式為沖動(dòng)式、三壓、再熱、雙缸、帶3S離合器、下排汽、抽凝供熱，額定出力為144 MW；DCS及DEH控制系統(tǒng)均采用國電南自維美德自動(dòng)化有限公司自主研發(fā)的maxDNA大型分散控制系統(tǒng)。

maxDNA是一套由國電南自維美德自動(dòng)化有限公司自主研發(fā)的大型分散控制系統(tǒng)，目前已成功實(shí)現(xiàn)在華電石家莊2×9F燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中DCS和DEH一體化應(yīng)用，運(yùn)行安全可靠，操作方便快捷。

1 maxDNA控制系統(tǒng)

1.1 maxDNA控制系統(tǒng)概述及其技術(shù)特點(diǎn)

maxDNA控制系統(tǒng)源自美國利諾公司，其產(chǎn)品歷經(jīng)4代，分別為MAX1、MAX1000、MAX100+以及maxDNA，是20世紀(jì)電力部電廠控制系統(tǒng)準(zhǔn)入八大系統(tǒng)之一，maxDNA控制系統(tǒng)經(jīng)過90多年的技術(shù)研究和工程累積，目前已為全球1 000多個(gè)工廠提供了可靠、高效的服務(wù)，并取得了眾多成功業(yè)績。maxDNA系統(tǒng)架構(gòu)由底層I/O、控制器層、外部連接（第三方通信）、操作員接口層、信息管理層及工廠管理層組成，是一套成熟可靠的分散控制系統(tǒng)。

1.2 maxDNA系統(tǒng)硬件部分

maxDNA控制系統(tǒng)提供了高可靠性的DPU，DPU安裝在Linux操作系統(tǒng)下，采用工業(yè)嵌入式應(yīng)用處理器——Intel Atom控制處理器，主頻為1 GHz，是maxDNA控制系統(tǒng)的硬件處理引擎，可完成模擬控制、順序控制和數(shù)據(jù)采集，具有優(yōu)異的數(shù)據(jù)處理能力及穩(wěn)定性。另外，在控制器內(nèi)通信處理器和運(yùn)算處理器是相互獨(dú)立的，從而保證了通信及數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和可靠性。同時(shí)DPU內(nèi)有多速處理系統(tǒng)，可允許采用三種不同時(shí)間等級(jí)，最快掃描周期可達(dá)10 ms。maxDNA控制系統(tǒng)同時(shí)還提供了種類眾多的高可靠性I/O模件，主要包括模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、熱電阻輸入模塊RTD、熱電偶輸入模塊TC、開關(guān)量輸入模塊DI、開關(guān)量輸出模塊DO、脈沖輸入模塊PI、I/O總線擴(kuò)展模塊、串口通信模塊、現(xiàn)場總線接口模塊等。

1.3 maxDNA系統(tǒng)軟件部分

maxDNA控制系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)，界面直觀，操作方便，可支持Win XP、Win7及Win10操作系統(tǒng)。maxDNA控制系統(tǒng)離線組態(tài)軟件采用maxDPUTools，其提供了表格式和圖形化兩種組態(tài)方式，并可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況通過基本功能塊組合或腳本自定義生成新的功能塊，擴(kuò)展能力強(qiáng)，并支持增量在線下裝和離線全局下裝組態(tài)。在線組態(tài)修改軟件maxVUE可在線修改邏輯，即時(shí)生效，為系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)帶來了極大的便利，maxVUE軟件同時(shí)還是簡單易學(xué)的畫面工具，具有豐富的控件，足以滿足現(xiàn)場所需的各種要求，并提供強(qiáng)大的腳本支持，以滿足用戶各種特殊需求。maxVUE Runtime軟件作為工業(yè)控制過程畫面監(jiān)視工具，提供了報(bào)警信息查詢、事件記錄、報(bào)表生成及打印、強(qiáng)制點(diǎn)查詢等諸多方便實(shí)用的功能。

1.4 maxDNA系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

maxDNA控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由現(xiàn)場控制單元、通信網(wǎng)絡(luò)maxNET以及人機(jī)界面maxSTATION組成。maxDNA的現(xiàn)場控制單元主要由maxDPU和maxPAC I/O模塊組成，現(xiàn)場控制系統(tǒng)內(nèi)的控制器、電源以及網(wǎng)絡(luò)均采用冗余配置，完全滿足電廠控制要求，I/O總線擴(kuò)展模塊BEM可通過光纜連接本地I/O柜和遠(yuǎn)程I/O柜，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)2 000 m。maxNET采用可靠的交換式快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，主干網(wǎng)支持全雙工工作方式，可有效提高通信速度和帶寬，交換機(jī)支持多路同時(shí)通信，任一時(shí)刻，由通信活動(dòng)和指令來指定通信路徑，均可同時(shí)完成雙向的和各站間通信，并且不會(huì)產(chǎn)生沖突。

2 石家莊9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組DCS設(shè)計(jì)

2.1 石家莊9F級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組DCS系統(tǒng)簡介

華電石家莊熱電廠DCS控制系統(tǒng)包括單元機(jī)組和公用系統(tǒng)，單元機(jī)組按系統(tǒng)劃分可分為鍋爐系統(tǒng)、汽機(jī)系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)；公用系統(tǒng)按系統(tǒng)劃分可分為公用電氣系統(tǒng)、公用熱控系統(tǒng)及輔網(wǎng)系統(tǒng)，其中公用熱控系統(tǒng)主要由熱網(wǎng)系統(tǒng)、壓縮空氣、調(diào)壓站、增壓機(jī)及制冷站等部分組成，輔網(wǎng)系統(tǒng)按分系統(tǒng)劃分又可劃分為化學(xué)水、工業(yè)廢水、生活污水、循環(huán)水加藥及尿素區(qū)。

石家莊2×9F燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組DCS設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括硬件和軟件兩個(gè)部分：（1）硬件設(shè)計(jì)主要為根據(jù)現(xiàn)場電纜清冊(cè)、現(xiàn)場橋架布置、系統(tǒng)劃分及現(xiàn)場要求對(duì)I/O清冊(cè)及DPU進(jìn)行分配，對(duì)控制柜I/O模塊進(jìn)行選型及分配，并設(shè)計(jì)生產(chǎn)控制柜，設(shè)計(jì)接地電纜、電源電纜及網(wǎng)絡(luò)電纜清冊(cè)；（2）軟件部分主要為根據(jù)現(xiàn)場要求采購并配置工作站，搭建現(xiàn)場DCS網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，完成監(jiān)控畫面編輯、邏輯組態(tài)等工作。

2.2 DPU分配及機(jī)柜設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場電纜清冊(cè)、系統(tǒng)劃分及現(xiàn)場要求，單元機(jī)組共設(shè)計(jì)14對(duì)DPU、21面I/O控制柜、1面繼電器柜、1面電源柜及1面網(wǎng)絡(luò)柜。其中鍋爐系統(tǒng)共設(shè)計(jì)4對(duì)DPU、7面I/O控制柜；汽機(jī)系統(tǒng)共設(shè)計(jì)7對(duì)DPU、10面I/O控制柜，其中1對(duì)DPU專門用于APS；電氣系統(tǒng)共設(shè)計(jì)3對(duì)DPU、4面I/O控制柜、1面繼電器柜。單元機(jī)柜均布置在單元電子間。

公用系統(tǒng)共設(shè)計(jì)9對(duì)DPU、15面I/O控制柜、1面繼電器柜、2面電源柜及2面網(wǎng)絡(luò)柜。其中公用電氣系統(tǒng)共設(shè)計(jì)2對(duì)DPU、2面I/O控制柜、1面繼電器柜；熱網(wǎng)系統(tǒng)、壓縮空氣、調(diào)壓站及制冷站共設(shè)計(jì)2對(duì)DPU、4面I/O控制柜，其中調(diào)壓站大部分測(cè)點(diǎn)通過第三方通信接入DCS系統(tǒng)；化水系統(tǒng)共設(shè)計(jì)2對(duì)DPU、4面I/O控制柜；工業(yè)廢水及生活污水共設(shè)計(jì)1對(duì)DPU、3面I/O控制柜，生活廢水通過I/O總線擴(kuò)展模塊BEM連接至工業(yè)廢水系統(tǒng)；尿素區(qū)共設(shè)計(jì)1對(duì)DPU、1面I/O控制柜；循環(huán)水加藥共設(shè)計(jì)1對(duì)DPU、1面I/O控制柜。公用電氣系統(tǒng)及公用熱控系統(tǒng)控制柜均布置在單元電子間，化學(xué)水、工業(yè)廢水、生活污水、循環(huán)水加藥及尿素區(qū)系統(tǒng)控制柜分布在各個(gè)分系統(tǒng)就地電子間。

2.3 I/O模件選型及分配

現(xiàn)場控制信號(hào)類型可分為模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、熱電偶輸入模塊TC、熱電阻輸入模塊RTD、開關(guān)量輸入模塊DI、開關(guān)量輸出模塊DO、脈沖輸入模塊PI、事件順序記錄信號(hào)SOE以及I/O總線擴(kuò)展模塊BEM。石家莊DCS側(cè)設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)如表1所示，單元系統(tǒng)的模件數(shù)量統(tǒng)計(jì)如表2所示。單元系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)總數(shù)為4 280，公用系統(tǒng)測(cè)點(diǎn)總數(shù)為3 047，考慮到系統(tǒng)的安全性、可靠性及經(jīng)濟(jì)性，在模件設(shè)計(jì)時(shí)，模擬量在現(xiàn)有測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加25%的冗余度，開關(guān)量在現(xiàn)有測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加20%的冗余度。

2.4 工作站配置

每套單元機(jī)組共配置7臺(tái)工作站及3臺(tái)打印機(jī)，在集控室設(shè)置3臺(tái)操作員站及2臺(tái)打印機(jī)，在工程師站間設(shè)置1臺(tái)工程師站、1臺(tái)高性能歷史站、1臺(tái)與SIS通信的OPC站、1臺(tái)LINK站以及1臺(tái)打印機(jī)，LINK站用于與大屏LED及電氣PLC進(jìn)行通信。

公用系統(tǒng)共配置8臺(tái)工作站及2臺(tái)打印機(jī)，在集控室設(shè)置2臺(tái)操作員站及1臺(tái)打印機(jī)，在工程師站間設(shè)置1臺(tái)工程師站、1臺(tái)高性能歷史站、1臺(tái)具有LINK站功能的OPC站以及1臺(tái)打印機(jī)，在化學(xué)水、工業(yè)廢水以及尿素區(qū)各設(shè)置1臺(tái)操作員站，公用系統(tǒng)OPC站除與SIS通信外，還與電氣PLC、調(diào)壓站及增壓機(jī)進(jìn)行485通信。

2.5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

MaxNet 通信網(wǎng)絡(luò)將每臺(tái)機(jī)組的分散控制單元（DPU）、MaxLINKS接口機(jī)、工程師站、歷史站、操作員站、大屏幕系統(tǒng)及公用系統(tǒng)的分散控制單元（DPU）、MaxLINKS接口機(jī)、工程師站連接在一起，并通過應(yīng)用服務(wù)器與電廠SIS網(wǎng)絡(luò)連接，2臺(tái)機(jī)組網(wǎng)絡(luò)之間通過公用系統(tǒng)的一對(duì)交換機(jī)進(jìn)行連接。每臺(tái)機(jī)組通過4對(duì)總線擴(kuò)展模件（BEM）將空壓機(jī)遠(yuǎn)程、燃油泵房遠(yuǎn)程、爐頂遠(yuǎn)程、發(fā)電機(jī)遠(yuǎn)程連接到相應(yīng)的遠(yuǎn)程控制單元（RPU）中。系統(tǒng)的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)在硬件底層是連通的，在應(yīng)用層面上采用特有的域機(jī)制，將其劃分為3個(gè)不同的域，1單元可以同時(shí)訂閱自身域以及公用域的數(shù)據(jù)，2單元可以同時(shí)訂閱自身域以及公用域的數(shù)據(jù)，公用域可以同時(shí)訂閱自身域以及2個(gè)單元域的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

3 結(jié)論

maxDNA大型分散控制系統(tǒng)在華電石家莊2×9F雙軸燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組中得到了成功應(yīng)用，自機(jī)組投運(yùn)以來，maxDNA控制系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，各項(xiàng)功能完備，各項(xiàng)性能指標(biāo)突出，獲得了用戶的一致認(rèn)可。