MaxDNA集散控制系統在火力發電廠中的應用

何滔 張宇飛

該文根據MaxDNA集散控制系統在某火力發電廠的應用，從系統配置、硬件、軟件、通信等幾個方面對系統進行闡述，對MaxDNA集散控制系統在該電廠中實現的主要功能進行了研究、概括，研究對MaxDNA系統在同行業生產過程中的應用具有一定參考價值。

MaxDNA；集散控制系統；火力發電

某發電有限公司規劃建設4?00MW燃煤發電機組，一期工程建設2?00MW機組，#1機組、#2機組已投入運行。該廠使用的鍋爐是由東方鍋爐廠生產的DG1025/18.2-Ⅱ13型亞臨界、一次中間再熱、自然循環、全鋼懸吊結構、單爐膛、兀型布置、平衡通風、燃煤固態排渣爐。汽輪機為東方汽輪機廠生產的N300—16.7/537/537—8型亞臨界一次中間再熱凝汽式汽輪機組。發電機為東方電機廠生產的QFSN-300-2-20B型三相二極式汽輪同步發電機。除了三大主機等主工藝系統外，還有一些輔助工藝系統，其中除灰脫硫系統也采用了MaxDNA集散控制。

1.MaxDNA系統介紹

MaxDNA集散控制系統是由上海儀表自動化有限公司引進美國MCS自動化公司研發的MAXDNA控制系統消化吸收國產化后的產品，功能強大，高效穩定，并且該系統擁有多項世界領先的專利技術，在火電控制領域有很好的應用。該套系統以自動控制為核心，實現了機組的數據采集、處理運算、監視控制、連鎖保護等多項功能，包括：數據采集功能（DAS）、模擬量控制功能（MCS）、旁路控制功能（BPS）、鍋爐爐膛安全監控功能（FSSS）、順序控制功能（SCS）、汽輪機數字電液控制功能（DEH）、汽動給水泵小汽輪機數字電液控制及保護功能（MEH、METS）、汽機主保護功能（ETS）、電氣監控功能（ECS）、鍋爐定期排污程序控制功能系統。

系統配置。操作員站MaxSTATION、工程師站MaxSTATION、歷史紀錄站MaxSTORIAN、值長操作臺、標準的液晶顯示器LCD21、特制的操作員鍵盤和球標、網絡彩色屏幕打印機、網絡黑白點陣式連續形式的打印機、鍋爐系統RPU機柜組、汽機系統RPU機柜組、DEH&MEH機柜組、公用系統機柜組、配電機柜組、繼電器機柜組、工作站機柜組。

機組網絡源。MaxDNA采用工業以太網為構架的網絡拓撲特性，采用星形的網絡拓撲結構。多重系統下實現工作站與現場處理單元（RPU）的互為通訊，并允許全局訪問實時數據。雙重以太網（Network A和Network B）提供通訊網絡的冗余，提供超過100Mbps全雙工的通訊帶寬，最大帶寬甚至可以達到1Gbps，保證了最大限度的系統可用性和數據容錯功能。如圖1所示。

MaxDNA硬件部分。分散處理單元DPU（Distributed Processing Unit）：DPU直連與MaxNet網絡連接，不需通過服務器中轉數據。該電廠使用的DPU是新版的Model4E型的DPU，可以執行各種控制運算法則，順序控制邏輯，記錄順序事件，精確到1ms。

I/O模件包括：開關量輸入卡、開關量輸出卡、高電平模擬量輸入卡件、熱電偶模擬量輸入卡件、熱電阻輸入卡件、模擬量輸出卡件、計數/時間（脈沖）卡件、I/O總線擴展卡件。各種卡件有不同的容量和適配電源以及工作特性。

MaxDNA的通訊網絡MaxNet采用符合IEEE802.3規約的雙層以太網介質，物理星型，邏輯環型拓撲。具有通訊冗余功能，網絡帶寬可以高達1Gbps，工作站和DPU4F直連MaxNet網絡，它們之間的數據通訊不需服務器中轉。

系統電源和接地：MaxDNA系統中的每一個RPU柜中有系統電源、變送器電源、邏輯電源。變送器電源提供24VDC給現場變送器，這些變送器發送4~20mA電流信號到的AI模件。邏輯電源一般可以是24VDC、48VDC或110VDC，主要是為提供干接點的開關量輸入輸出模件提供電源。而MaxDNA系統的接地也是按照上述三種電源的方式區分接地的。一般分為系統接地，變送器電源接地和邏輯電源接地。

與外系統接口服務器：允許其他控制系統通過MaxLINK接口實現外圍設備并入DCS系統。MaxLINKS接口服務器的功能使得一切符合標準工業通訊協議的一些工業子系統的設備，如對一些特殊的大設備進行汽機控制的DEH系統和進行化水處理的分析儀器儀表，都能與DCS系統間進行數據通訊。

電氣控制系統接入DCS：電氣監控系統（ECS）采用開放式、分層分布式網絡結構，整個系統分為站控層和間隔層。電氣監控設備分為兩個部分配置：發—變組、廠用電系統設備控制通過通訊處理機接入電氣監控系統100M以太網，電氣數據網通過網橋與DCS 100M以太網數據網絡通訊聯接。輔機系統電動機設備通過串口通訊（RS232C、MODBUS協議）至電氣的通訊管理機，再通過現場總線至電氣測控單元，監控相應的設備。

SIS系統接入DCS：MaxDNA系統與SIS（廠級監控信息系統）的接口配置單獨接口服務器，每一套DCS提供一套SIS接口機，以滿足SIS對實時數據的大量需求。SIS接口服務器通過100M以太網與DCS相連。通訊接口為冗余配置，DCS能在進行數據轉換的同時與SIS系統雙向交換傳輸數據。

MaxDNA軟件部分。MaxVUE：操作員可完成監視工廠過程狀態功能、開始控制動作功能、對報警做出響應并開始糾正動作、監視系統狀態、使用按鈕或熱點啟動、停止、切換至其它Windows應用程序、使用目標的連接和嵌人（OLE）與其它Windows應用程序交換數據。

MaxTOOLS包括功能塊圖、階梯圖、順序功能框圖、指令表、結構文本等各種工具。MaxSTORIAN允許MCS公司的用戶采集、管理和重新獲得有關他們的過程運行中的歷史信息。Software Backplane實現了系統內部數據的連接與訪問，可以讓操作管理人機交互的上層采用的Windows 2000平臺與DPU4F采用的嵌入式操作系統Windows CE平臺之間進行通訊。

2.MaxDNA分散控制系統實現的主要功能

該電廠MaxDNA分散控制系統以熱工自動化為核心，實現了機組的數據采集、處理運算、監視控制、連鎖保護等重要功能。它實現了如下控制功能：數據采集功能（DAS）、模擬量控制功能（MCS）、旁路控制功能（BPS）、鍋爐爐膛安全監控功能（FSSS）、順序控制功能（SCS）、汽輪機數字電液控制功能（DEH）、汽動給水泵小汽輪機數字電液控制及保護功能（MEH、METS）、汽機主保護功能（ETS）、電氣監控功能（ECS）、鍋爐定期排污程序控制功能。MaxDNA實現機組生產運行的基本功能框架如圖2所示。

模擬量控制系統MCS。該系統的基本控制策略采用美國MCS公司的專利技術DEB/ 400直接能量平衡策略。DEB利用汽機和鍋爐固有的物理特性，實現了機、爐并列系統交叉作用的解耦，采用了這種技術的MCS系統運行穩定，操作簡單，調試容易，提高了協調控制的投入率。該系統具有無擾動切換特點，不需要編程或組態。在重新加載或啟動時能與執行結構的位置自動平衡。無擾動切換的特性是MaxDNA 特有的。

數據采集功能DAS。據采集系統(DAS)主要負責連續采集和處理與機組有關的測量信號及狀態信號，同時以多種形式提供給操作和

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管理人員，以便操作人員及時了解有關的運行信息，包括：操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、趨勢顯示、報警顯示、模擬圖顯示等。

順序控制系統（SCS）。該系統主要功能是實現單元機組的主要設備功能組在啟動、停運及事故狀態下的順序控制，通過連鎖、聯跳和保護跳閘功能可保證機組的主要設備的安全運行，在爐啟停時減少機組運行人員的常規操作。在MaxDNA系統中，采用了專用的軟件模塊對應順序控制系統（SCS）的子組級和設備級。

爐膛安全監控系統（FSSS）。包括鍋爐點火準備、點火槍點火、油槍點火、煤燃燒、爐膛吹掃、油燃料系統泄漏試驗、燃料跳閘MFT等功能。系統內部結合該廠自身特點設有大量的邏輯嚴格控制操作的進行條件，保證了操作人員每一步操作的科學性與合理性。系統中的MFT功能能快速切斷所有進入爐膛的燃料，確保在非安全情況下快速停運燃料設備，減少不安全因素或鍋爐爐膛長生的不安全工況。

電氣監控系統（ECS）。該廠電氣監控系統的設計利用了MaxDNA的EDPU具有直接串行接口特性，將電動機測控單元視為DCS的電氣專用遠程I/O模件，電氣系統分散接入相應DCS控制站，通過DCS控制單元分散接入。鍋爐汽機系統和電氣監控系統的信息在控制層集中，聯鎖邏輯由DPU完成，不需硬接線，監控實現一體化，統一的通訊網絡及數據庫。這個特點利用了MAXDNA強大的網絡接入功能，提高了整個系統的效率，一定程度上降低了造價昂貴的設備使用量。

汽機數字電液控制系統（DEH）。由計算機控制部分和EH液壓執行機構組成。采用DEH控制可以提高高、中壓調門的控制精度，主要功能：汽輪機轉數控制、自動同期控制、負荷控制、參與一次調頻、機、爐協調控制、快速減負荷、主汽壓控制、單閥多閥控制、閥門試驗、汽輪機程控啟動、OPC控制、與DCS系統實現數據共享、手動控制。

其他主要功能。除去上述功能外，還包括下面幾個主要功能：給水泵汽輪機（小汽輪機）數字電液控制系統MEH、汽機旁路控制系統BPS、汽輪機危急遮斷系統ETS、吹灰及定排程控、鍋爐快冷、汽機瞬態數據管理功能（TDM）。整個MaxDNA系統龐大復雜，軟硬件結合，自動化計算機通訊設備緊密結合成為一個整體。

DCS系統解決了現代化大生產中過程控制傳統的儀表控制系統難以勝任的問題，而相對計算機集中控制來說故障還是分散的，在許多方面有其獨特的優點，是傳統的儀表控制系統和計算機集中控制系統所無法比擬的。自MaxDNA系統在該電廠投入運行多年以來，極大地減少了維護工作量，方便運行人員操作，能夠保證發電機組及輔助系統的安全、穩定運行。

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