火力發(fā)電廠輔助機(jī)電設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘 要:火力發(fā)電廠眾多的輔助機(jī)電裝備的自動(dòng)化控制已經(jīng)成為火電輔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，本論文主要結(jié)合火電輔機(jī)的控制需求及技術(shù)要求對(duì)火電輔機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，給出了輔機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案與功能模塊，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)探討了輔機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，從基于硬件的下位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)與基于組態(tài)軟件的上位機(jī)開發(fā)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)角度詳細(xì)論述了火電輔機(jī)控制系統(tǒng)及其集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于進(jìn)一步提高火電輔機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平具有一定借鑒和指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:火電輔機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)化控制集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào):TB1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2011)05(a)-0009-02

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源、鋼鐵、交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)得到了前所未有的巨大發(fā)展，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)揮著極其重要的作用，然而自動(dòng)化程度不高越來越成為制約經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，其中電能尤其顯得特別突出。在大力發(fā)展電力行業(yè)的同時(shí)，以集散控制及工控機(jī)技術(shù)為核心的電廠生產(chǎn)過程自動(dòng)控制技術(shù)也得到了空前的發(fā)展，并逐步成熟起來，普及到輸煤、化水及除灰、脫硫等電廠的輔助系統(tǒng)。

本論文主要針對(duì)火力發(fā)電廠的設(shè)備特點(diǎn)和自動(dòng)化控制的需求，對(duì)火電輔機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，以期從中找到可行有效的火電輔機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)方案，并以此和廣大同行分享。

2 火電輔機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下，包括:數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、控制輸出、設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視、報(bào)警監(jiān)視、遠(yuǎn)程通信、變量的趨勢(shì)和歷史顯示、日志記錄、報(bào)表生成、事件順序識(shí)別、圖形顯示、控制調(diào)節(jié)、順控設(shè)備等。

(1)數(shù)據(jù)采集:完成實(shí)時(shí)模擬量、開關(guān)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能，系統(tǒng)掃描周期為15ms;用于控制的點(diǎn)，系統(tǒng)掃描周期一般為50ms:開關(guān)量SOE掃描周期為lms。

(2)設(shè)備和狀態(tài)監(jiān)視:從操作員站上可監(jiān)視到系統(tǒng)本級(jí)以下的所有硬件的狀態(tài)，特別是通過現(xiàn)場(chǎng)控制站可以監(jiān)測(cè)到FO模件一級(jí)的設(shè)備，采用帶Profibus-DP、ControlNet等現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備還可以檢測(cè)到通道一級(jí);還可以診斷到各節(jié)點(diǎn)、打印機(jī)、網(wǎng)卡的故障。

(3)報(bào)警監(jiān)視:系統(tǒng)報(bào)警監(jiān)視的內(nèi)容包括工藝報(bào)警和一般故障兩種類型。工藝報(bào)警的對(duì)象來自現(xiàn)場(chǎng)采集站采集的外部變量、內(nèi)部計(jì)算處理的變量、由網(wǎng)絡(luò)或串行通訊接收的來自其它系統(tǒng)的變量。一般故障報(bào)警反映系統(tǒng)本身及其相關(guān)設(shè)備故障以及某些特定事件，并提供故障的詳細(xì)信息。

(4)遠(yuǎn)程通信:系統(tǒng)可以通過各種通訊控制模塊與其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊，也可以通過現(xiàn)場(chǎng)控制站主控模塊的多功能接口卡使用RS-232、RS-485等協(xié)議與其它系統(tǒng)進(jìn)行通訊，在不方便連線的場(chǎng)合還可以用無線通訊模塊進(jìn)行無線通訊。使用光纖可以輕易將通訊距離擴(kuò)展到幾千米。

(5)變量的趨勢(shì)和歷史顯示:系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)可按照模擬量掃描周期和開關(guān)量狀態(tài)變化保留一段時(shí)間內(nèi)的所有點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)和事件，在此基礎(chǔ)上，各種軟件系統(tǒng)都支持變量的成組跟蹤顯示和歷史顯示。

(6)日志記錄:日志功能是按時(shí)間順序自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)和查詢運(yùn)行過程中發(fā)生的各種隨機(jī)突發(fā)事件的功能，為運(yùn)行人員提供事故分析的詳細(xì)依據(jù)。包括所有模擬量超限報(bào)警、超量程;開關(guān)量狀態(tài)改變、開關(guān)量抖動(dòng);計(jì)算機(jī)系統(tǒng)故障、電源故障;人工操作記錄等，并可形成報(bào)表輸出。

(7)圖形顯示:模擬流程圖以圖形方式表現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)的主要工藝流程和有關(guān)的動(dòng)態(tài)信息，并具有對(duì)動(dòng)態(tài)點(diǎn)進(jìn)行操作的手段。模擬流程圖組態(tài)功能中，用戶可以用繪圖工具生成各種對(duì)象，并將其加入對(duì)象庫(kù)中。也可以從對(duì)象庫(kù)中直接調(diào)出已有的對(duì)象。每個(gè)對(duì)象既可以作為對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況的顯示，也可定義為對(duì)某些現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象的操作。

(8)報(bào)表打印:報(bào)表大致分為定時(shí)報(bào)表和實(shí)時(shí)報(bào)表。定時(shí)報(bào)表一般用來在規(guī)定的時(shí)刻打印生產(chǎn)過程的操作記錄和統(tǒng)計(jì)(求和、平均等)，主要用來取代操作工的抄表工作。實(shí)時(shí)報(bào)表則用來隨機(jī)打印某個(gè)時(shí)刻的報(bào)表或者歷史報(bào)表，它由人工觸發(fā)。

2.2 輔機(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)輔助系統(tǒng)的地理位置和功能不同，火電輔控系統(tǒng)一般分為水、灰渣、輸煤、脫硫四個(gè)域，每個(gè)域設(shè)一對(duì)冗余分支交換機(jī)，各個(gè)域內(nèi)的輔助車間以控制站或遠(yuǎn)程I/O方式的接入各個(gè)域，其目的將全廠輔機(jī)的控制系統(tǒng)(包括脫硫控制系統(tǒng))組成一個(gè)完整的輔助系統(tǒng)集中控制網(wǎng)絡(luò)，使全廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)清晰、功能明確。

運(yùn)行人員可在集中控制室內(nèi)的輔助系統(tǒng)集中控制網(wǎng)絡(luò)操作員站上對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控。由于輔助車間設(shè)備分散，分布面廣，為了系統(tǒng)調(diào)試和啟動(dòng)初期方便，在就地可預(yù)留各輔助系統(tǒng)的工程師站接口，可在就地調(diào)試、操作。順便提一下，工業(yè)控制系統(tǒng)硬件一般使用PLC或者DCS系統(tǒng)硬件(其實(shí)這兩個(gè)不是一個(gè)概念，PLC以功能命名，DCS以體系結(jié)構(gòu)命名，但實(shí)際中都是這樣把它們放在一個(gè)層面上)，總體而言，PLC的順序控制功能強(qiáng)些，模擬量處理偏弱，通訊中設(shè)置和維護(hù)較復(fù)雜，DCS順控比較差些，但是開放性比較好，便于擴(kuò)展，控制方案更新方便，模擬量處理能力較強(qiáng)。所以一般象脫硫這樣模擬采集點(diǎn)多，存在大量過程自動(dòng)化控制的場(chǎng)合，都是采用DCS系統(tǒng)，規(guī)模稍小些的，順序控制占大部分的如除灰系統(tǒng)，都是采用PLC來做。近幾年隨著技術(shù)的革新，PLC和DCS系統(tǒng)之間的邊界越來越模糊，尤其是PLC的發(fā)展比較快，很多以前不怎么適用的場(chǎng)合都可以很好的勝任了，反倒是DCS由于各廠商比較封閉，發(fā)展慢些。不過不論采用何種系統(tǒng)，都可以用統(tǒng)一的通訊協(xié)議，無縫地連接到輔助系統(tǒng)集中控制網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱輔網(wǎng))中去，再往上納入廠級(jí)管理信息系統(tǒng)(MIS)乃至廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)系統(tǒng)，都沒有問題。

輔網(wǎng)采用冗余以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，每個(gè)域設(shè)置兩臺(tái)互為冗余的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，設(shè)一臺(tái)輔網(wǎng)工程師站，在集中控制室中設(shè)置數(shù)臺(tái)操作員站。各輔機(jī)控制系統(tǒng)具體設(shè)置可如下:

(1)全廠性公用水系統(tǒng)控制:鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)、綜合水泵房均納入輔機(jī)控制系統(tǒng)。控制機(jī)柜設(shè)置在各自車間，在鍋爐補(bǔ)給水車間設(shè)備設(shè)控制室;在全廠性公用水系統(tǒng)內(nèi)的子系統(tǒng)還可適當(dāng)采用遠(yuǎn)程I/O，共用控制站。

(2)凝結(jié)水精處理系統(tǒng)控制:納入輔機(jī)控制系統(tǒng)。控制機(jī)柜設(shè)置在主廠房?jī)?nèi)汽機(jī)電子設(shè)備間，就地不設(shè)控制室，無人值守。

(3)輸煤系統(tǒng)控制:納入輔機(jī)控制系統(tǒng)。控制機(jī)柜設(shè)置在輸煤配電間，就地設(shè)置備用控制室。

(4)燃油泵房控制:納入輔機(jī)控制系統(tǒng)。采用遠(yuǎn)程I/O方式實(shí)現(xiàn)對(duì)油泵房系統(tǒng)的控制。控制機(jī)柜設(shè)置在燃油泵房?jī)?nèi)，就地不設(shè)控制室，無人值守。雖然以往大多工程采用遠(yuǎn)程I/O將其納入機(jī)組控制公用網(wǎng)絡(luò)并且僅在機(jī)組操作員站上監(jiān)控，但在機(jī)組全部停修時(shí)將無法監(jiān)控，將對(duì)以后擴(kuò)建的機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生影響，因而設(shè)在全廠性的輔網(wǎng)上更為合理。

(5)除灰渣系統(tǒng)控制:納入輔機(jī)控制系統(tǒng)，電除塵/電袋除塵、濕式或干式除渣及干灰輸送都采用冗余PLC系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)控制，通過通訊站接入輔機(jī)控制系統(tǒng)。控制機(jī)柜設(shè)置在除灰綜合樓內(nèi)，并設(shè)置備用控制室。

(6)空壓站控制:空壓站現(xiàn)場(chǎng)無人值守，空壓機(jī)及干燥裝置均自帶程控，壓縮空氣系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，納入除灰渣系統(tǒng)控制或直接接入輔網(wǎng)系統(tǒng)。

(7)脫硫系統(tǒng)控制:納入輔機(jī)控制系統(tǒng)。控制機(jī)柜設(shè)置在脫硫綜合樓，就地不設(shè)控制室。

3 火電輔機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 輔機(jī)下位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火力電廠輔機(jī)控制系統(tǒng)很多，針對(duì)每一套輔機(jī)都應(yīng)該設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)，同時(shí)這樣的控制系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊接口，即遠(yuǎn)程I/O通訊口，在完成控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)將相關(guān)傳感監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制指令通過遠(yuǎn)程I/O通訊口聯(lián)網(wǎng)傳輸。這里以基于PLC實(shí)現(xiàn)的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)為例說明PLC構(gòu)成的下位機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。如下圖1所示，由PLC控制的變頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)，主要由PLC、變頻器、水位傳感器、動(dòng)力控制線路以及水泵等組成。

PLC控制模塊讀取水位傳感器傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序運(yùn)算，通過通**信電纜將控制信息傳送到變頻器，從而改變電源頻率，再通過電纜連接到兩臺(tái)水泵電機(jī)上，從而改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，繼而改變供水回路的水壓，達(dá)到恒壓供水。變頻器具有RS 485通信接口，PLC與變頻器通信，控制變頻器的運(yùn)行、讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率累計(jì)運(yùn)行時(shí)間和過壓、過流、過負(fù)載等全部報(bào)警信息。這樣具有較高的運(yùn)行可靠性，節(jié)省了PLC的I/O通道。

水網(wǎng)程控系統(tǒng)還配備水位顯示儀表，可進(jìn)行高低位報(bào)警，通過PLC可確保取水在合理水位，同時(shí)也保護(hù)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。流量計(jì)能顯示一段時(shí)間的累積流量和瞬時(shí)流量，可進(jìn)行出水量的統(tǒng)計(jì)和每臺(tái)泵的出水流量監(jiān)控。以清水池水位為控制目標(biāo)，以供水時(shí)間、季節(jié)為參考值，合理組合開泵臺(tái)數(shù)，減少開停泵次數(shù)，達(dá)到穩(wěn)定水壓、節(jié)電供水之目的。

3.2 輔機(jī)控制上位機(jī)軟件開發(fā)

(1)軟件技術(shù)要求

除各大DCS廠商及PLC廠商都各自有其自行研發(fā)推廣的組態(tài)軟件外，而最常用的第三方上位機(jī)組態(tài)軟件主要有Intellution公司(現(xiàn)為GE所收購(gòu))的iFix及Wonderware公司的Intouch，代表著目前主流組態(tài)軟件的兩個(gè)方向。這些軟件各有優(yōu)劣，都能滿足絕大部分的輔網(wǎng)設(shè)計(jì)需要，其中ifix由于其VBA的開放性接口，能夠擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)的功能多，對(duì)各種硬件、軟件協(xié)議及數(shù)據(jù)庫(kù)等的兼容性比較好，適用于大型的或較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，而Intouch在易用性和高性能上面獨(dú)樹一幟，比較適用于中小型系統(tǒng)，我們應(yīng)根據(jù)需要選擇合適的組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。輔網(wǎng)和各輔機(jī)控制系統(tǒng)之間通過冗余的以太網(wǎng)接口進(jìn)行通訊，并設(shè)置有操作員站，可完全實(shí)現(xiàn)各控制系統(tǒng)上位機(jī)功能，即不僅能顯示各系統(tǒng)風(fēng)機(jī)、泵、閥門等系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、過程參數(shù)、報(bào)警等，還可以進(jìn)行各運(yùn)行方式的選擇和切換，進(jìn)行自動(dòng)程控操作，同時(shí)還具有模擬量參數(shù)顯示、棒狀圖顯示、聲光報(bào)警、打印制表等功能。可通過軟件設(shè)置輔網(wǎng)操作員站與分區(qū)集控點(diǎn)上位機(jī)的操作權(quán)限以避免沖突;當(dāng)運(yùn)行人員在分區(qū)集控點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，輔網(wǎng)操作員站只能監(jiān)視不能操作。

輔網(wǎng)配置一臺(tái)輔助系統(tǒng)文件/數(shù)據(jù)服務(wù)器，負(fù)責(zé)各輔機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)集中、數(shù)據(jù)備份，用于系統(tǒng)監(jiān)控范圍內(nèi)某輔控系統(tǒng)故障時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)、減輕網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷及管理輔機(jī)控制系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通訊等;可存儲(chǔ)和查詢各種打印信息，必要時(shí)可連接打印機(jī)實(shí)現(xiàn)打印輸出;同時(shí)兼作工程師站，可對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控范圍內(nèi)各控制系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和畫面進(jìn)行編輯組態(tài)和修改。

(2)輔網(wǎng)上位機(jī)系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)輔網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)配置及輔網(wǎng)控制要求，要將所有子網(wǎng)系統(tǒng)的控制畫面，集中到輔網(wǎng)上位機(jī)中，實(shí)現(xiàn)輔網(wǎng)操作員站對(duì)子網(wǎng)所有系統(tǒng)的監(jiān)視與控制。這部分設(shè)計(jì)是最考驗(yàn)功力的。要綜合分析硬件配置的性能，各廠商采用的總線、協(xié)議規(guī)格，驅(qū)動(dòng)的兼容性，以及對(duì)畫面風(fēng)格，操作習(xí)慣、權(quán)限分配、報(bào)警記錄、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、可靠性乃至經(jīng)濟(jì)成本在內(nèi)的眾多要求，選擇出最合適的軟件和開發(fā)模式。以iFix為例，由于iFix的歷史數(shù)據(jù)庫(kù)開放性不夠。開發(fā)人員對(duì)其內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及組織方式無法深入了解，因此對(duì)歷史數(shù)據(jù)的操作能力也就比較差。而且基于管理的要求，MIS或SIS系統(tǒng)需要了解整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，包括生產(chǎn)情況、值班情況、重要操作記錄查詢、報(bào)警查詢等以實(shí)現(xiàn)廠級(jí)生產(chǎn)調(diào)度的集中管理。而現(xiàn)有的iFix系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)不適宜于數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)共享，所以本文建議采用iHistorian工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)+EXCEL將整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器中。它支持C/S，B/S模式，支持ODBC及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)復(fù)制，支持標(biāo)準(zhǔn)XML技術(shù)等，具有良好的開放性，容易與其他應(yīng)用系統(tǒng)等接口。iHistorian數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)成為iFix數(shù)據(jù)庫(kù)之外的一個(gè)重要輔助系統(tǒng)。它將管理一些重要的數(shù)據(jù)，并成為本系統(tǒng)與上級(jí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的通道。就我的工程應(yīng)用中，如果采用的是Schneider的硬件，還可以更進(jìn)一步，在輔網(wǎng)上采用Vijeo Citect HMI/SCADA軟件，它的模塊化任務(wù)和負(fù)載平衡技術(shù)，可以降低單機(jī)數(shù)據(jù)處理負(fù)荷，根據(jù)實(shí)際情況向不同上位機(jī)分?jǐn)側(cè)蝿?wù)。由于和Modicon良好的兼容性，變量標(biāo)簽庫(kù)可以動(dòng)態(tài)同步更新，避免項(xiàng)目從各輔機(jī)控制系統(tǒng)向上級(jí)轉(zhuǎn)移更新時(shí)的錯(cuò)誤。而且Citect是全冗余結(jié)構(gòu)，可大大提高在大系統(tǒng)應(yīng)用中的可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究和分析了火電廠輔機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的性能要求與技術(shù)需求，重點(diǎn)利用PLC和DCS、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)總線和開放式軟件平臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)火電輔機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)的邏輯控制，現(xiàn)場(chǎng)控制層采用PLC等技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用工業(yè)以太網(wǎng)，軟件平臺(tái)綜合了主流組態(tài)軟件、工業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)、面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)等，以保證數(shù)據(jù)的可靠采集傳輸和記錄。這種上下位一體的結(jié)構(gòu)改變了以往串口通信等模式在傳輸速率及擴(kuò)展的局限性，改變了上下位機(jī)一對(duì)一的開發(fā)監(jiān)控模式，為系統(tǒng)提供了易于擴(kuò)展的開放性接口。對(duì)于進(jìn)一步提升火力發(fā)電廠或者其他工廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、自動(dòng)化控制，提升自動(dòng)化控制水平具有一定的借鑒指導(dǎo)意義。

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