現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在數(shù)字化電廠DCS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中運(yùn)用分析

國(guó)電電力大同發(fā)電有限責(zé)任公司 常進(jìn)剛

本火力發(fā)電在原有2×600MW 發(fā)電機(jī)組的基礎(chǔ)上開(kāi)展了二期機(jī)組擴(kuò)建工程，該工程施工過(guò)程中添加了兩臺(tái)1000MW 的超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，并同步開(kāi)展了脫硫、脫硝體系建設(shè)工作。為實(shí)現(xiàn)火電廠鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)以及相應(yīng)熱力系統(tǒng)中各類(lèi)機(jī)械設(shè)備的有效管控，火電廠方面以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了數(shù)字化、現(xiàn)代化的DCS 控制系統(tǒng)，切實(shí)提高了相應(yīng)設(shè)備管控水平，降低了相應(yīng)工作人員開(kāi)展運(yùn)維檢修工作的難度。

舉例來(lái)說(shuō)，在一期工程推進(jìn)過(guò)程中，火電廠鍋爐主汽氣溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)效果較差，往往需要工作人員頻繁進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)操作，這在一定程度上降低了機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性與效率，為切實(shí)解決這一問(wèn)題，工作人員構(gòu)建了專(zhuān)門(mén)的過(guò)熱氣溫辨識(shí)模型，得到了減溫水流量擾動(dòng)下的二級(jí)減溫控制對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型。在分析過(guò)程中，鍋爐導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)、惰性區(qū)間傳遞函數(shù)分別為：G1（x）=-1/(48x+1）4、G2（x）=1/(33x+1）4，其中G1（x）指的是鍋爐導(dǎo)前區(qū)傳遞函數(shù)，G2（x）指的是惰性區(qū)間傳遞函數(shù)，x指的是狀態(tài)變量。鍋爐狀態(tài)空間表達(dá)式為：

以上公式中：x指的是狀態(tài)變量，y指的是主蒸汽溫度，y1指的是當(dāng)前溫度，主蒸汽溫度y=x1。在實(shí)踐活動(dòng)中，主蒸汽溫度（y）與前溫度（y1）均可直接測(cè)量，其余狀態(tài)變量需要利用狀態(tài)觀測(cè)器間接測(cè)量?？紤]到火電廠控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中主要分析的狀態(tài)觀察器數(shù)據(jù)為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)而不是靜態(tài)數(shù)據(jù)，為提高數(shù)據(jù)處理工作的可靠性，需要結(jié)合狀態(tài)觀察器輸出的狀態(tài)變量開(kāi)展數(shù)據(jù)的微分處理工作，以便達(dá)到推動(dòng)控制系統(tǒng)朝著無(wú)靜差控制方向推進(jìn)的目的[1]。在完成控制系統(tǒng)優(yōu)化工作后，參照火電廠DCS 參數(shù)趨勢(shì)圖可以了解到，鍋爐的過(guò)熱氣溫波動(dòng)范圍明顯下降，主氣溫能夠控制在規(guī)定范圍內(nèi)。因此可認(rèn)為以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)，優(yōu)化后的控制系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足本火電廠機(jī)組升降負(fù)荷過(guò)程中，熱蒸汽品質(zhì)控制工作的需要，為機(jī)組的安全運(yùn)行打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)原則

為保證本廠的發(fā)電機(jī)組能夠持續(xù)穩(wěn)定提供電流，工作人員結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)總線和數(shù)字化發(fā)展需求開(kāi)展了數(shù)字化總線設(shè)計(jì)工作，在此過(guò)程中不僅要充分利用常規(guī)DCS 系統(tǒng)，還需要盡可能提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性。具體來(lái)說(shuō)，本次工程項(xiàng)目為二期擴(kuò)建項(xiàng)目，因此在開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)總線布設(shè)工作時(shí)，工作人員需要以原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)開(kāi)展設(shè)計(jì)施工活動(dòng)，以便在節(jié)約整體施工成本的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化升級(jí)。

同時(shí)，在布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)總線時(shí)，為保證控制系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電力供應(yīng)工作的可靠性，工作人員需要將DCS 控制系統(tǒng)融入關(guān)鍵的控制系統(tǒng)體系構(gòu)建工作中，并在其他系統(tǒng)機(jī)組布設(shè)工作階段安裝現(xiàn)場(chǎng)總線。在此過(guò)程中，為避免某類(lèi)設(shè)備發(fā)生故障、對(duì)其他設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利影響，工作人員可以在同一段網(wǎng)段上，以現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)工藝相關(guān)設(shè)施的有效連接，使得系統(tǒng)控制功能分散在常規(guī)的DCS 系統(tǒng)中。盡管這一控制系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中存在一定的容量冗余，但系統(tǒng)的分散性管控提高了系統(tǒng)整體運(yùn)行的可靠性。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

2.1 單元機(jī)組硬件部分

在本場(chǎng)火電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，氣機(jī)控制系統(tǒng)、水泵汽輪機(jī)控制系統(tǒng)、爐膛火焰電視等系統(tǒng)的配置質(zhì)量，與電廠發(fā)電工作可靠性之間存在著直接的聯(lián)系。在本火電廠機(jī)組控制系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，硬件主要包括控制系統(tǒng)柜、遠(yuǎn)程I/0站節(jié)點(diǎn)以及系統(tǒng)各設(shè)備間的通訊連接電纜、現(xiàn)場(chǎng)總線，網(wǎng)絡(luò)配件以及總線電纜；汽車(chē)控制系統(tǒng)的硬件主要包括處理器及其外圍設(shè)備、采樣模塊、輸入輸出模塊、保護(hù)動(dòng)作模塊、工程師站通訊網(wǎng)絡(luò)及接口模塊等；汽水泵汽輪機(jī)控制系統(tǒng)主要硬件配置與機(jī)組DCS 相同；爐膛火焰電視主要由鍋爐廠提供，每臺(tái)鍋爐均配備有一套相對(duì)應(yīng)的爐膛火焰電視系統(tǒng)，這一系統(tǒng)主要由鏡頭管、攝像機(jī)、控制器、切換器、鏡頭冷卻裝置等部分組成。

2.2 輔助生產(chǎn)控制系統(tǒng)

2.2.1 控制功能

由于本次工程項(xiàng)目是在一期已建成車(chē)間基礎(chǔ)上開(kāi)展擴(kuò)建工作，因此輔助系統(tǒng)監(jiān)控方案應(yīng)結(jié)合本廠實(shí)際情況開(kāi)展機(jī)組運(yùn)行管理模式的設(shè)計(jì)工作。具體來(lái)說(shuō)，在本次工程項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，新建輔助系統(tǒng)需要對(duì)凝結(jié)水、化學(xué)取藥、加藥控制、灰渣控制等系統(tǒng)加以管控。在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中可以利用DCS 硬件為主控設(shè)備，在精處理控制室設(shè)置臨時(shí)監(jiān)控點(diǎn)，完成凝結(jié)水、化學(xué)取藥、加藥控制工作。同時(shí)上述控制系統(tǒng)還可以與灰渣控制系統(tǒng)組成二期輔助控制網(wǎng)。此外，在本工程項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，新建的化學(xué)補(bǔ)給水、循環(huán)水加氯、原水預(yù)處理等控制系統(tǒng)則可采用PLC 聯(lián)網(wǎng)共享上位機(jī)開(kāi)展監(jiān)控工作，同時(shí)這一監(jiān)控系統(tǒng)可與儀器水網(wǎng)控制系統(tǒng)共同組成整體的水網(wǎng)管控體系，提高本廠水循環(huán)管控工作的質(zhì)量水平。

在本期工程建設(shè)過(guò)程中，DCS 控制系統(tǒng)與火電設(shè)備有效連接到了一起，在提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)管控質(zhì)量的同時(shí)，為火電廠管控工作的數(shù)字化、現(xiàn)代化發(fā)展提供了推動(dòng)力：第一，本期工程在建設(shè)凝結(jié)水系統(tǒng)時(shí)采用了DCS 控制技術(shù)，在保留原有控制室調(diào)試巡檢功能的基礎(chǔ)上，在灰控樓設(shè)置了專(zhuān)門(mén)的職工監(jiān)控點(diǎn)，通過(guò)為DCS 控制系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)化運(yùn)行軟件，自行采集單臺(tái)混床設(shè)備、分離塔等設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對(duì)其加以分析比對(duì)的方式實(shí)現(xiàn)了整個(gè)凝結(jié)水過(guò)程的集中監(jiān)管；第二，在本期工程空壓房控制工作開(kāi)展過(guò)程中，工作人員配備了兩套壓縮空氣系統(tǒng)，這兩套系統(tǒng)均自帶就地控制箱，為實(shí)現(xiàn)控制箱設(shè)備元件運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的有效監(jiān)控，工作人員利用硬接線將與空壓箱有關(guān)的狀態(tài)控制信號(hào)傳遞至公用DCS 系統(tǒng)當(dāng)中，使得系統(tǒng)在后續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中可以自行監(jiān)控空壓設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

第三，在本期工程建設(shè)活動(dòng)中，火電廠的工程煙氣脫硫系統(tǒng)采用了與機(jī)組DCS 相同的硬件，并通過(guò)將機(jī)組與DCS 控制系統(tǒng)連接到一起的方式，使得控制系統(tǒng)可以自行按照預(yù)設(shè)參數(shù)完成煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控以及事故處理工作；第四，在本期工程建設(shè)活動(dòng)中，本廠煙氣脫硝系統(tǒng)中的機(jī)組硬件、軟件與DCS 控制系統(tǒng)相同，其煙氣反應(yīng)系統(tǒng)被納入了機(jī)組DCS 控制系統(tǒng)當(dāng)中，工作人員可在集控室對(duì)煙氣脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)加以管控。在煙氣脫硝系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，DCS 系統(tǒng)可以參照煙氣反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，控制脫硝系統(tǒng)整體的啟動(dòng)與停止[2]。

2.2.2 設(shè)備配置

在本次控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，以DCS 系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)建的控制體系包括凝結(jié)水、灰渣控制系統(tǒng)等，在開(kāi)展這類(lèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)為其配置遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、上位機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)儀表等設(shè)備。其中，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中包括電源、PLC 主機(jī)、鏈路設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)控制器模塊、I/O 模塊、適配器、通訊電纜等設(shè)備。上位機(jī)站應(yīng)配備工控機(jī)、鍵盤(pán)、網(wǎng)卡、打印機(jī)LCD 等設(shè)備以及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)硬件與軟件?，F(xiàn)場(chǎng)儀表包括現(xiàn)場(chǎng)安裝的控制箱、儀表柜、保溫保護(hù)箱，就地電磁閥箱等儀表設(shè)備[3]。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)

在開(kāi)展DCS 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，工作人員應(yīng)加強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)軟硬件的管控：第一，工作人員應(yīng)保證這一控制系統(tǒng)的軟件具有良好的數(shù)據(jù)管理、通訊、編程功能，以便在后續(xù)設(shè)備管理過(guò)程中，系統(tǒng)可以結(jié)合本火電廠中各類(lèi)設(shè)備的具體需要開(kāi)展總線設(shè)備參數(shù)設(shè)定、管理工作，為后續(xù)總線設(shè)備故障診斷、檢修工作的開(kāi)展提供支持；第二，工作人員可以通過(guò)開(kāi)展通信線冗余配置工作，選擇擁有容錯(cuò)校驗(yàn)功能的通訊協(xié)議等方式，保證這一系統(tǒng)中CPU、I/O 系統(tǒng)能夠與外圍設(shè)備正常溝通交流。

第三，開(kāi)展該系統(tǒng)中央處理單元設(shè)計(jì)工作時(shí)，不僅需要結(jié)合系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)特點(diǎn)為其配置冗余，還需要為其設(shè)置輔助電源，確保系統(tǒng)保存的數(shù)據(jù)程序的存儲(chǔ)存留時(shí)間可超過(guò)六個(gè)月；第四，在構(gòu)建輸入輸出單元組件時(shí)，不僅要保證電子設(shè)備柜內(nèi)安裝的模件為低電壓器件，還應(yīng)保證所有的開(kāi)關(guān)、輸入與輸出通道處，均存在有效隔離體系；第五，在搭建上位機(jī)組織時(shí)，工作人員應(yīng)保證組件、監(jiān)控系統(tǒng)等軟硬件均為同期產(chǎn)品中的最新版本，且需為其配置高效的殺毒軟件，以便降低計(jì)算機(jī)病毒、操作失誤等情況對(duì)電廠DCS 控制系統(tǒng)安全所造成的威脅[4]。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)診斷軟件的應(yīng)用

在構(gòu)建本廠DCS 控制系統(tǒng)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)故障的高效診斷，工作人員將AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)融入現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)預(yù)防性檢修維護(hù)工作中，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中智能儀表設(shè)備狀態(tài)參數(shù)加以收集分析的方式，找出系統(tǒng)存在的問(wèn)題并及時(shí)預(yù)警，以便降低工作人員開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)檢修維護(hù)的難度，提高機(jī)組整體的運(yùn)行效率。

3.1 報(bào)警監(jiān)視

AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)故障時(shí)及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)并自動(dòng)生成電子報(bào)告，為工作人員及時(shí)開(kāi)展系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整工作提供了可靠的參照。如，可以在AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中找出現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備報(bào)警畫(huà)面的操作界面，從這一界面中可以了解本場(chǎng)各現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的具體運(yùn)行狀態(tài)，并在發(fā)現(xiàn)報(bào)警信號(hào)時(shí)及時(shí)進(jìn)入報(bào)警界面查看報(bào)警信息，找出故障出現(xiàn)的原因[5]。

3.2 在線診斷

在線診斷指的是，借助AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)可以在線分析現(xiàn)場(chǎng)總線DCS 控制系統(tǒng)中各類(lèi)設(shè)備故障產(chǎn)生的具體原因。在應(yīng)用這一功能時(shí)，可以先在AMS 智能設(shè)備軟件管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的控制模塊下找到待診斷的設(shè)備，然后進(jìn)入configure/setup界面遠(yuǎn)程操作相應(yīng)設(shè)備的閥門(mén)開(kāi)度或調(diào)整其設(shè)定性質(zhì)，之后在device diagnostics 界面開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備整體視圖分析工作，了解設(shè)備具體運(yùn)行狀態(tài)。在此過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)自行分析設(shè)備出現(xiàn)故障的原因，進(jìn)而滿(mǎn)足工作人員快速了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的目的。

如表1所示為該軟件與常規(guī)DSC 控制軟件在檢修維護(hù)工作中的耗時(shí)情況，從表中數(shù)據(jù)可以看出，相較于常規(guī)的控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)診斷軟件可以通過(guò)為工作人員直接提供設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的方式，使工作人員直接開(kāi)展故障診斷工作，達(dá)到縮短設(shè)備運(yùn)維管理周期的目的。

表1 AMS 軟件與常規(guī)DCS 控制系統(tǒng)在維護(hù)時(shí)間方面的比較

3.3 歷史記錄

AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)具有歷史參數(shù)記錄功能，在后續(xù)設(shè)備運(yùn)維檢修工作中，工作人員可以在該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)控制模塊下找到待檢查的設(shè)備，然后點(diǎn)擊該設(shè)備的歷史記錄，即可完成設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)查詢(xún)工作[6]。

綜上所述，本文以本火電廠2×1000MW 機(jī)組擴(kuò)建工程為例，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)原則分析工作，了解了機(jī)組設(shè)備的配置需求，并構(gòu)建了具有針對(duì)性的AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)故障的有效管控，在提高本廠控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)質(zhì)量的同時(shí)，為電力資源的穩(wěn)定供應(yīng)提供了可靠的支持。