基于單域網絡環境的主輔DCS一體化控制方案

斯林軍，張成文，陳若春，吳偉軍，唐秋杭，朱繼峰

（1.浙江省電力設計院，杭州310012；2.華潤電力（溫州）有限公司，浙江溫州325800；3.浙江浙能中煤舟山煤電有限責任公司，浙江舟山316131）

發電技術

基于單域網絡環境的主輔DCS一體化控制方案

斯林軍1，張成文2，陳若春1，吳偉軍1，唐秋杭1，朱繼峰3

（1.浙江省電力設計院，杭州310012；2.華潤電力（溫州）有限公司，浙江溫州325800；3.浙江浙能中煤舟山煤電有限責任公司，浙江舟山316131）

針對1個電廠存在不同控制系統（DCS和多種品牌PLC）并有多個運行值班點的現狀，通過對多個輔控網配置方案進行技術性、經濟性比較，提出先進的主輔DCS一體化設計方案。結合浙能六橫發電廠和華潤蒼南發電廠的系統特點和運行管理模式，量身定制了不同特點的技術方案，并都已成功投運。

輔控DCS；主輔一體化控制；單域網絡；集中監控

0 引言

從2002年開始，我國電力行業進行了“廠網分開，競價上網”電力體制改革，電源與電網企業分開，電力建設飛速發展，新建燃煤機組以超超臨界1 000 MW等級機組為主。各主力機組工藝流程、設備性能基本一致，為降低火電廠標準煤耗，需要充分利用自動化技術發展的成果，在現有的主、輔廠房生產流程監控基礎上，進一步對控制系統和監控平臺的配置進行優化和提高。

1 電廠監控現狀和優化思想

現有燃煤電廠單元機組都采用DCS（集散控制系統）集中監控，已實現爐、機、電全能值班運行模式[1]。而輔助生產系統仍多采用PLC（可編程邏輯控制器）加上位機控制方式，一般設置水、煤、灰3個獨立子網和監控點。隨著工業化和信息化水平的提高，大部分電廠都在此基礎上通過以太網構建全廠BOP（輔控集中監控）網，實現在機組集控室或輔控集控室內對各輔助系統的集中監控。該方案雖然成熟可靠，但與機組主控水平仍存在較大差距。

針對當前1個電廠存在不同控制系統（如DCS和多種品牌PLC）的現狀，全廠控制系統集成優化思路不外乎全廠采用統一的控制系統，搭建統一的監控平臺，即主輔控DCS一體化配置。最近幾年，國內外已有不少輔助車間采用DCS監控的成功案例，而且實現形態多元化，但其輔控DCS有別于機組DCS模式，一般采用多域網絡環境模式，即水、煤、灰等子控制系統各自組織成獨立域，各域之間互相隔離，然后通過上層監控網絡連接，實現數據連通，但其實質是每個域各有1套獨立DCS核心結構，包含數據庫、服務器站、歷史站、工程師站等上位機，集成化程度落后于機組DCS水平。

真正實現主輔DCS一體化配置、與機組DCS配置水平和網絡方式完全一致，特別是在1 000 MW燃煤機組輔控DCS采用單域網絡環境模式的案例仍較為少見。

2 輔控網方案研究

燃煤電廠輔助系統（車間）與主廠房工藝系統相比較，有其明顯的特點：單個系統規模小、區域分散、互相間隔遠、分屬不同工藝專業工作范圍。輔助系統采用DCS集中監控，并不僅僅是用DCS軟硬件簡單替代PLC系統，而是需要從燃煤電廠輔助系統生產特性分析入手，重點研究分析DCS的網絡架構、帶站能力、I/O卡件抗干擾能力以及DCS制造商成套組態、調試的能力等。

最新建設的1 000 MW燃煤機組，其輔助系統規模更大、車間分布更廣、控制要求更高，主輔DCS一體化控制實施產生的效益必然更為顯著，更具示范效應。

2.1 輔助系統集中監控可行性

對輔助系統生產特性進行分析，結合發電廠的運行管理模式和生產需求，確定各輔助系統（車間）監控點設置。

燃煤電廠輔助生產系統按其物理屬性，通常劃分為水系統、灰系統、輸煤系統以及其它系統。

常規電廠灰、水工藝系統和設備的分布區域相對集中，被控設備的可控性較好，將除灰、化水2個監控點合并到機組集控室或輔控集控室的方案成熟可行。常規輸煤系統包括翻車機房、貯煤場、轉運站、輸煤棧橋、煤倉間等區域，存在環境惡劣、分布區域廣、布置分散、維護困難等多種不利因素，更適合就近設置獨立的監控點。但具體問題需具體分析，有些工程的煤場中心距離煤倉間相對較近，系統流程簡潔、設備分布區域小且相對集中，其監控點也完全可以合并。華潤蒼南電廠即實現了在輔控集控室對全部輸煤系統（包括碼頭）的集中監控。

2.2 輔控DCS與PLC方案比較

不同的概念基礎、不同的發展道路使得DCS和PLC有著各自不同的技術特點，而技術的發展也不是封閉的，相互學習相互滲透始終貫穿在DCS和PLC發展過程中，兩者的主要技術對比見表1。

如表1所述，DCS和PLC控制器處理能力各有所長，但DCS追求分散控制，體現了風險分散的理念，有利于提高控制系統整體安全性。DCS在數據通信和組態維護方面優勢明顯。DCS的帶站能力以及兩站之間的最遠允許距離完全能滿足輔助車間控制要求，如FOXBRO的Mesh網絡控制器采用預置光纜連接至交換機，同一網絡的控制器之間的可靠工作距離可達到10 km以上。而且現在DCS板卡抗干擾能力已得到了很大的提高，如FOXBRO I/A卡件為封閉結構。因此大型燃煤電廠輔助系統采用DCS集中監控完全可行。

另外，DCS品牌之間競爭激烈，生產廠商直接參與競爭，在巨大的市場壓力下，不斷下調設備制造費用和工程實施費用。而PLC的生產商不直接參與競爭，其競爭常限于同一品牌的各工程承包商之間，只能下調工程承包商自身有限的工程費用，所以PLC價格下調幅度不如DCS明顯。根據筆者多年設計經驗和積累數據測算，大型PLC系統平均單位價格約為500~600元/點，進口品牌DCS的單位采購價格已與之基本持平，而國產品牌DCS平均單位價格約為300~400元/點。1 000 MW等級燃煤機組，DCS競爭更是白熱化，推進全廠DCS一體化配置方案，擴大DCS采購規模，大幅度降低DCS單位采購價可以預期。

表1 DCS和PLC的主要技術對比

3 主輔DCS一體化方案

結合不同業主運行管理模式，大力推進主輔DCS一體化進程，為六橫發電廠和蒼南發電廠2個2×1 000 MW燃煤工程量身定制了不同特點的技術方案，首次在1 000 MW燃煤機組輔控DCS中采用了單域網絡環境模式，與機組DCS配置水平和網絡方式完全一致。2臺1 000 MW燃煤電廠主輔DCS一體化配置的典型網絡結構如圖1所示，采用獨立1套DCS連接各輔助車間控制系統，DCS設備（控制站、人機接口站等）的網絡通信系統都是按照單網段多節點的數據交換方式設計的，數據庫采用統一順序編址。

圖1 全廠自動化網絡結構

3.1 六橫發電廠技術方案及特點

浙能舟山六橫發電廠新建2臺1 000 MW超超臨界燃煤機組，是我國首個按照天然氣排放標準建設的百萬等級機組。全廠設置2套機組DCS和1套輔控DCS，主輔DCS一體化配置，均采用日立的HIACS-5000系統，DEH（汽輪機數字電液控制系統）和MEH（小汽輪機電液控制系統）也采用該系統，與DCS一體化配置。該技術方案最大特點是機組DCS集成化程度高，監控范圍廣。與機組運行密切相關的輔助生產系統，如除灰、脫硫、脫硝、干除渣、全廠空壓機、循環泵房、燃油系統等全部納入機組DCS集中監控，濕式電除塵、WGGH（熱媒水煙氣換熱系統）等超低排放系統也首次納入機組DCS集中監控，單元機組I/ O規模達到16 000多點。

作為煤炭基地配套電廠，六橫發電廠煤系統的監控有其特殊性，更適合單獨配置1套輸煤程控系統，就近設立監控點。輔控DCS相對比較純粹，主要是水處理系統（包含海水淡化及預處理系統）監控，與電廠的運行和管理模式非常相符。

全廠設置2個集中監控點：機組集控室和輔控集控室。機組集控室設于兩爐之間的集控樓，兩機一控，實現2臺機組的機、爐、電、網、灰以及脫硫系統的集中監控，操作臺上同時布置有2臺輔控DCS全能值班操作員站，當輔控系統穩定、人員培訓成熟時，在機組集控室實現對水處理以及其他輔助系統的集中監控。輔控集控室設于水處理區域中心——海水淡化樓。

3.2 蒼南發電廠技術方案及特點

華潤浙江蒼南發電廠設置3套DCS，主輔DCS一體化配置，均采用福克斯波羅的I/A系統。其DCS監控范圍覆蓋全廠生產范圍，包括了機、爐、電和全部輔助生產系統，在1 000 MW燃煤機組中首次將輸煤碼頭、卸煤設備、皮帶機等全部輸煤系統納入DCS集中監控。該技術方案主要特點是輔控DCS監控范圍廣，I/O規模達到12 000多點，與1臺單元機組的I/O規模相當。脫硫系統采取單獨外包運行模式，所以納入輔控DCS監控，與機組DCS聯鎖信號采用硬接線交換，并在脫硫車間設立就地控制室。

輔控DCS按工藝流程和設備布置區域合理配置控制器，充分利用DCS控制分散、風險分散的特點，共采用25對控制器，機柜布置按就近集中原則，并合理設置遠程I/O站。其控制器和機柜分配方案如表2所示。

全廠設2個集中監控點：機組集控室和輔控集控室。機組集控室實現2臺機組的機、爐、電、網集中監控，并預留3號、4號機組操作臺位置。輔控集控室設在水處理區域的輔控樓，實現水、煤、灰、脫硫以及其他輔助系統集中監控。

4 存在及需注意的問題

實現主輔DCS一體化控制后，在設計、組態、調試等方面都帶來新的挑戰，工程組織建設也發生變化，必須引起充分重視。

4.1 設計深度、內容和手段變化

（1）全廠DCS需整體設計、統一采購。統一編制主、輔控以及脫硫DCS的技術規范書。

（2）需注意協調輔助系統工藝設備與DCS設備采購時間的銜接。

（3）輔助系統施工圖設計要求更精細化。常規精處理、輸煤等程控系統隨工藝系統成套設計并供貨，采用DCS控制后，原來許多成套廠家的設計工作需由設計院完成。

表2 蒼南發電廠輔控DCS控制器及機柜分配方案

（4）增強與業主單位配合，量身定做。全廠DCS技術方案應與電廠運行管理模式相匹配。集中監控點、人機接口、就地臨時調試點的設立以及就地電子間的規劃都應結合電廠長遠規劃和現行運行模式來確立。

4.2 工程組織建設變化

采用常規PLC方案時，單個輔助系統（車間）可根據工程設計進度，分別采購、組態調試、投運。但采用DCS一體化方案后，傳統模式必須進行調整，應根據工程建設工期和進度要求，采用整體設計、統一采購、整體組態、分段調試的方法實施。例如，DCS供貨商一般對機爐工藝系統比較熟悉，對輔助系統組態則較陌生，為保證工程順利實施，2個依托工程都采取組態單獨外包方式，分別委托具有豐富主、輔廠房車間調試經驗的西安熱工研究院有限公司和國網浙江省電力公司電力科學研究院組態。

5 結語

主輔DCS一體化控制方案在1 000 MW燃煤機組的成功應用，驗證了本文提出的總體設計和全過程控制方案的合理性，為同類工程設計和實施提供了成功范例。主輔DCS一體化方案不僅直接降低全廠控制設備采購成本，還減少了業主方運行、維護的工作量，減少了控制系統備品備件種類和數量，并減少了與第三方接口，有利于管控一體化，具有節能降耗社會效益和長遠經濟效益。

[1]高玉玲，王剛建，郭獻軍.火力發電廠主-輔控一體化DCS網絡與應用[J].化工自動化及儀表，2013，41（7）∶839-841.

[2]錢培峻.超超臨界機組主輔控一體化控制的設計研究[J]．華東電力，2010，38（7）∶998-1001．

（本文編輯：徐晗）

Control Scheme of Integrated Main and Auxiliary DCS System Based on Single-domain Network

SI Linjun1，ZHANG Chengwen2，CHEN Ruochun1，WU Weijun1，TANG Qiuhang1，ZHU Jifeng3
（1.Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012，China；2.China Resources Power（Wenzhou）Co.，Ltd.，Wenzhou Zhejiang 325800，China；3.Zhejiang Zheneng Zhongmei Zhoushan Coal&Electricity Co.，Ltd.，Zhoushan Zhejiang 316131，China）

In the view of different control systems(DCS and several brands of PLCs)and multiple operation duty points in a power plant,this paper presents an advanced design scheme of main and auxiliary DCS system integration by comprehensive comparison of multiple schemes of main and auxiliary network in terms of economy and technology.Combining with the system characteristics and operation and management mode of Zhejiang Energy Group Liuheng Power Plant and China Resources Cangnan Power Plant,it customizes technical schemes with different characteristics,which are already successfully implemented.

auxiliary DCS;integrated control of main and auxiliary system;single-domain network;centralized monitoring

TK39

B

1007-1881（2015）06-0031-04

2015-03-30

斯林軍（1977），男，高級工程師，從事發電廠熱控專業設計工作。