大型動力站鍋爐控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計與開發(fā)

張國民

摘 要：以浙江中控ECS-700作為動力站集散控制系統(tǒng)，研究了系統(tǒng)選型及硬件設(shè)計。從控制器、I/O模塊、工程師站、操作員站、OPC服務(wù)器、AMS服務(wù)器和歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器等幾個方面對系統(tǒng)進行了硬件選型。就機柜、I/O點分配、系統(tǒng)配電、接地等方面進行了硬件設(shè)計。對硬件進行了組態(tài)。

關(guān)鍵詞：鍋爐控制系統(tǒng)；中控ECS-700；DCS

1 論文背景

1.1 項目背景

我國“缺油、少氣、富煤”的能源格局，決定了煤炭在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)核心地位[1]。到2050年，煤炭仍將占中國能源消費比例的50%以上[2]。鍋爐作為發(fā)電或化工裝置的動力來源，為全廠提供蒸汽與熱源。隨著國家工業(yè)水平的提高和環(huán)保意識的增強，對鍋爐控制系統(tǒng)的要求越來越高。開發(fā)先進的、高效的鍋爐控制系統(tǒng)對于提高企業(yè)生產(chǎn)效率和市場競爭力具有重要意義。

1.2 DCS簡介

DCS是利用計算機技術(shù)對工業(yè)過程進行集中監(jiān)控管理和現(xiàn)場分散控制的新型計算機控制系統(tǒng)[3]。采用多層體系結(jié)構(gòu)，將功能分至不同層，使危險分散，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。各類DCS結(jié)構(gòu)基本相同，可分為三層：過程控制層、集中操作監(jiān)控層和綜合信息管理層。各層之間通過通信網(wǎng)絡(luò)進行通訊，層內(nèi)各站通過本層網(wǎng)絡(luò)進行通訊。與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比，DCS具有可靠性高、硬件積木化、軟件模塊化、協(xié)調(diào)性強和控制功能強大的特點。

1.3 鍋爐裝置控制系統(tǒng)選型

文章所研究的鍋爐有4×600t/h超高壓煤粉鍋爐（記為A1#鍋爐-A4#鍋爐）和6×640t/h超高壓煤粉鍋爐（記為B1#鍋爐-B6#鍋爐）為全廠提供各種等級的蒸汽與熱源。用浙江中控的WebField系列控制系統(tǒng)之一的ECS-700系統(tǒng)作為DCS。

WebFieldTMECS-700系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制站、操作站和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)場控制站（FCS）直接控制和監(jiān)視生產(chǎn)過程；操作員站（OPS）提供操作人員控制和監(jiān)視生產(chǎn)過程界面。系統(tǒng)的選型主要包括控制器、I＼O卡件、操作員站、工程師站和服務(wù)器等。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 引言

ECS-700具有先進的現(xiàn)場總線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，支持多種國際標準現(xiàn)場總線的接入，如PROFIBUS、FF、MODBUS、HART等，還支持多種異構(gòu)系統(tǒng)的集成，具有可用性、可靠性和開放性等特點。控制節(jié)點包括現(xiàn)場控制站及過程控制網(wǎng)上與異構(gòu)系統(tǒng)連接的通信接口等。操作節(jié)點包括工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、組態(tài)服務(wù)器等連接在過程信息網(wǎng)和過程控制網(wǎng)上的人機接口等站點。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括I/O總線、過程信息網(wǎng)、過程控制網(wǎng)和企業(yè)管理網(wǎng)等。

2.2 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ECS-700的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括企業(yè)管理網(wǎng)、過程信息網(wǎng)SONET、過程控制網(wǎng)SCNET和I/O總線（包括L-BUS和E-BUS）4部分[4]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）企業(yè)管理網(wǎng)實現(xiàn)對生產(chǎn)的管理和監(jiān)控。（2）過程信息網(wǎng)基于工業(yè)以太網(wǎng)，連接系統(tǒng)中所有的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、組態(tài)服務(wù)器等操作節(jié)點，并在其間傳輸歷史數(shù)據(jù)、操作記錄和報警信息等。（3）過程控制網(wǎng)絡(luò)SCNET連接DCS系統(tǒng)所有操作員站、工程師站、值長站、AMS維護站、AMS服務(wù)器、OPC服務(wù)器、歷史趨勢服務(wù)器和現(xiàn)場控制站等單元，傳送工廠過程數(shù)據(jù)。（4）I/O總線L-BUS和E-BUS。本地I/O總線L-BUS。L-BUS是ECS-700系統(tǒng)本地I/O通訊總線，用于連接控制器和控制器所在機柜的I/O模塊。擴展I/O總線E-BUS。E-BUS是ECS-700系統(tǒng)擴展I/O通訊總線，用以連接控制器和各類通信接口模塊（如I/O連接模塊、串行通信模塊等）。

本項目中DCS系統(tǒng)主要由以下單元組成：

系統(tǒng)控制節(jié)點：包括現(xiàn)場控制站（FCS）及過程控制網(wǎng)上與異構(gòu)系統(tǒng)連接的通信接口（COM741）等。

系統(tǒng)操作節(jié)點：包括主工程師站（CES）、擴展工程師站（EES）、操作員站（OPS）、組態(tài)服務(wù)器（SVR）、域數(shù)據(jù)服務(wù)器（SVR）、歷史趨勢服務(wù)器（HIS）、SIS數(shù)據(jù)服務(wù)器（SIS）及網(wǎng)絡(luò)打印機（PRT）等連接在過程控制網(wǎng)上的人機會話接口站點。

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)：包括擴展I/O總線（E-BUS）、本地I/O總線（L-BUS）、過程控制網(wǎng)（SCNET）等。

企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)（AMS）：由SAMS服務(wù)器和SAMS客戶端共同組成企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)。

OPC接口（OPC）：DCS系統(tǒng)提供單獨服務(wù)器作為OPC服務(wù)器作為ECS-700系統(tǒng)OPC接口。

時鐘同步系統(tǒng)：本項目采用中央控制室（SCR）和現(xiàn)場機柜間（FRR）模式，設(shè)置中心控制室（SCR）1個，現(xiàn)場機柜間（FRR）10個，其中與鍋爐相關(guān)的FRR有5個，分別為FRR29～33。

2.3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.3.1 機柜

本項目的機柜含電源分配柜（PDP）、網(wǎng)絡(luò)柜（NET）、主燃料跳閘柜（MFT）、系統(tǒng)柜（SYS）、安全柵柜（BAR）、繼電器柜（REL）、端子板柜（MAR）和服務(wù)器柜（SVC）等8種。

（1）交流電源柜（PDP）。SCR和FRR設(shè)置有交流電源柜，分別為UPS電源柜和GPS電源柜。

（2）網(wǎng)絡(luò)柜（NET）。SCR和FRR均設(shè)置網(wǎng)絡(luò)柜，用于過程控制網(wǎng)交換機、交換機、光纖接續(xù)盒、時鐘同步服務(wù)器和空氣開關(guān)等設(shè)備安裝。本項目集中控制室SCR配置有三個網(wǎng)絡(luò)柜。其中2個網(wǎng)絡(luò)柜安裝與FRR網(wǎng)絡(luò)互連的交換機，另一個安裝與上層互連的交換機、GPS時鐘服務(wù)器等。

（3）主燃料跳閘柜（MFT）。本項目設(shè)計為2套獨立的得電動作MFT硬回路，分別為A回路（220VAC回路）和B回路（220VAC回路），對于常開控制接點采用A回路與B回路輸出接點并接的方式驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備，對于常閉控制接點采用A回路與B回路輸出接點串接的方式驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備，此設(shè)計方式可保證任一個MFT硬回路繼電器組動作時，均能停運相應(yīng)的現(xiàn)場設(shè)備，有效地防止拒動。

MFT硬回路控制信號由操作臺手動停爐信號、DCSMFT動作輸出信號、FSSS系統(tǒng)柜電源監(jiān)視信號、DCSMFT復(fù)位信號組成。MFT動作時，DCS輸出3個MFT動作信號送至MFT繼電器柜，按三取二原則進行配置，當MFT繼電器柜接收到2個以上MFT動作信號時，這時MFT柜硬繼電器動作，繼而動作直接驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)緊急停爐。操作臺手動停爐信號由兩個按鈕的輸出信號組成，同時按下兩個按鈕，這時MFT柜硬繼電器動作，繼而動作直接驅(qū)動現(xiàn)場設(shè)備的驅(qū)動繼電器，實現(xiàn)緊急停爐。

（4）系統(tǒng)機柜（SYS）。現(xiàn)場機柜間設(shè)置有DCS系統(tǒng)機柜，用于安裝各類DCS卡件，以及相關(guān)供電和通訊設(shè)備。安裝有控制器的系統(tǒng)機柜為本地機柜，沒有安裝控制器的系統(tǒng)機柜為擴展機柜。

（5）安全柵柜（BAR）。在安全柵柜中布置有所需各種類型的安全柵、安全柵型號采用MTL4541和MTL4511型號。

（6）繼電器柜（REL）。繼電器柜里安裝繼電器和DI轉(zhuǎn)接端子板（TUA711-DIO32）、DO轉(zhuǎn)接端子板（TUA711-GS00）。非本安DI信號轉(zhuǎn)接端子的正極采用帶燈熔絲端子，負極采用刀閘端子。

機柜背面左側(cè)下方安裝ACB01、ACB02、ACB03三個空開，來自交流電源柜的兩路UPS電源分別接入空開ACB01和ACB02，第三路電源（市電）接入電源空開ACB03。

（7）端子柜（MAR）。對于沒有配置繼電器和安全柵的測點全部采用端子板進行轉(zhuǎn)接。端子柜中主要安裝轉(zhuǎn)接端子板。

（8）服務(wù)器柜（SVC）。SVC電源上面安裝有導(dǎo)軌機架和平板，用于安裝OPC服務(wù)器。最多安裝7臺服務(wù)器和一臺顯示器，加裝2個機架式插座給設(shè)備供電。

2.3.2 DCSI/O點分配

DCS系統(tǒng)鍋爐控制部分的機柜間有FRR-29、FRR-30、FRR-31、FRR-32和FRR-33。各機柜間分別有控制器6對，操作站2臺，擴展工程師站1臺，AMS維護站1臺，打印機2臺。所有的I/O模件滿足以下要求：

所有I/O模件輸入通道、輸出通道、工作電源之間以及與外部信息交換采用單通道隔離，任一I/O點信號接地不影響其它I/O點的正常工作。

不同的I/O模件完成冗余輸入變送器信號的處理，單個I/O模件故障不能引起設(shè)備故障或跳閘。I/O模件單點故障不能影響整個模件正常工作。

每個模擬量輸入模件點數(shù)至多為16點，且需備用2點，即最多占用14點，具有單獨的輸入電路和A/D轉(zhuǎn)換器。每個模擬量輸出模件輸出點數(shù)最多16點，有各自單獨的D/A轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器變換精度高于0.02%量級。每個開關(guān)量輸入模件點數(shù)至多32點，需備用4點，即最多占用28點。每個開關(guān)量輸出模件點數(shù)至多16點，需備用2點，即最多占用14點。

所有輸入輸出模件抗共模干擾電壓為500V，繼電器輸出抗共模電壓為350V。

系統(tǒng)共模抑制比為120分貝，差模抑制比（50赫茲）為60分貝。

2.3.3 系統(tǒng)配電

（1）交流供電原則。交流供電設(shè)備包括DCS供貨的各種類型機柜、操作站及打印機。項目在SCR設(shè)置2面UPS電源柜，現(xiàn)場來的2路UPS電源分別接入這兩面電源柜中，SCR電子設(shè)備間中機柜的風(fēng)扇和照明供電設(shè)計在第二個UPS電源柜的分配回路中FRR機柜間按照獨立互不干擾的原則，為每個大的工藝系統(tǒng)各設(shè)置1面UPS電源柜（對應(yīng)2路UPS電源）和1面GPS電源柜（對應(yīng)1路市電電源）。DCS系統(tǒng)的機柜和操作節(jié)點的冗余電源來自UPS電源柜，機柜風(fēng)扇和照明供電來自GPS電源柜。

DCS機柜供電：DCS機柜包括交流電源柜、網(wǎng)絡(luò)柜、服務(wù)器柜、系統(tǒng)柜、MFT柜、安全柵柜、繼電器柜、端子柜等。

交流電源柜的供電由電氣配置的UPS裝置或電氣母線段提供，SCR中設(shè)計2面UPS電源柜，分別對應(yīng)2路UPS電源，F(xiàn)RR機柜間每個大工藝系統(tǒng)設(shè)計1面UPS電源柜和1面市電電源柜，UPS電源柜對應(yīng)2路UPS電源，市電電源柜對應(yīng)1路市電電源。

除交流電源柜外，其它機柜的交流供電則由DCS交流電源柜提供。每個機柜根據(jù)用電情況，設(shè)置有三個2進線空開ACB01、ACB02、ACB03，分別對應(yīng)A、B兩路UPS工作電源和1路GPS電源，如柜內(nèi)僅有風(fēng)扇、照明用電，則只設(shè)計有一個空開ACB03，接GPS電源。

操作節(jié)點供電：操作節(jié)點包括工程師站、操作員站、服務(wù)器、打印機等節(jié)點。操作節(jié)點的供電來自于所在機柜間的UPS電源柜。

來自UPS電源柜的2路電源通過安裝在操作臺中的交流電源切換器切換后為SCR及FRR中的操作節(jié)點提供工作電源。UPS電源柜中各操作節(jié)點空開的容量配置為10A的2P空開。

其它系統(tǒng)220VAC供電：DCS系統(tǒng)為需由其供電的其它系統(tǒng)提供2路UPS電源。供電空開的容量按照用電設(shè)備最大啟動電流50%余量進行配置。

（2）直流供電原則。直流供電設(shè)備包括系統(tǒng)柜內(nèi)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換機、安全柵、繼電器。系統(tǒng)柜內(nèi)配置兩個20A的直流電源和1個PW715配電盒，配電盒提供2路DC24V輸入接口和8路DC24V輸出接口，輸入接口接直流電源的輸出，輸出接口分別給系統(tǒng)控制器基座、機架、L-BUS交換機或E-BUS交換機供電。

網(wǎng)絡(luò)柜、安全柵柜、繼電器柜等需要直流供電的外配柜都裝有兩個20A直流電源模塊，分別接收2路UPS電源，通過冗余模塊輸出的24VDC給分電端子排，直接向柜內(nèi)部件進行供電。

系統(tǒng)柜內(nèi)供電原則：以控制器基座、機架、交換機為單位進行供電；控制器基座、機架、交換機以兩路冗余開關(guān)電源以獨立供電方式進行供電，A路電源和B路電源相互獨立。

安全柵柜內(nèi)設(shè)備供電原則：供電電源來自安裝于機柜背面的直流電源，直流電源容量為20A，配置兩個直流電源冗余模塊。

以安全柵底板為單位進行供電，每塊安全柵底板供2路電源；安全柵對應(yīng)的正負極轉(zhuǎn)接端子配置刀閘端子。

繼電器供電原則：供電電源來自安裝于機柜背面的直流電源，直流電源容量為20A，配置兩個直流電源冗余模塊。

以16個繼電器一組為單位進行供電；DI繼電器供電正極端子配置帶燈保險絲端子，容量1A。負極端子配置刀閘端子；DO繼電器供電端子正負極端子均配置刀閘端子。

2.3.4 系統(tǒng)接地

（1）接地分類。根據(jù)本項目的要求，接地有兩類：保護接地、工作接地。

保護接地：為保障人身安全和電氣設(shè)備安全，設(shè)置保護接地。對控制系統(tǒng)機柜、操作臺、配電柜等用電設(shè)備的金屬外殼，正常不帶電的金屬部分，以及有可能帶危險電壓者，均作保護接地。若現(xiàn)場儀表低于36V供電且不與高于36V電壓設(shè)備接觸，如無特殊要求可不做保護接地。

工作接地：儀表、控制系統(tǒng)工作接地分為儀表信號回路接地和屏蔽接地兩部分，隔離信號可以不接地。“隔離”是指每一輸入信號（或輸出信號）的電路與其它輸入信號（或輸出信號）的電路絕緣、對地絕緣，且電源獨立、相互隔離。非隔離信號通常是以直流電源負極為參考點，并接地。這也是信號分配的參考點。單點接地、信號回路中避免產(chǎn)生接地回路是儀表工作接地的原則，同一線路上的信號源和接收儀表都不可避免接地時，需要采用隔離器將兩點接地進行隔離。

（2）接地方法。DCS系統(tǒng)的保護接地、工作接地要求分類匯總連接到同一接地匯流母排上，最終連接到全廠電氣接地系統(tǒng)，以實現(xiàn)等電位接地。

控制系統(tǒng)遵循單點接地原則。采用等電位接地方式時，控制系統(tǒng)在接地網(wǎng)上的接入點應(yīng)和防雷地、大電流或高電壓設(shè)備的接入點保持不小于至少10米的距離。

各工作接地在匯總之前不應(yīng)與保護接地混接。在接至總接地板之前，各接地線、接地匯流排、接地干線等工作接地，除正常的連接點外，都應(yīng)當絕緣。工作接地最終應(yīng)從總接線板單獨接線與接地體或接地網(wǎng)連接。信號屏蔽電纜的屏蔽層接地經(jīng)本機柜工作接地匯流排、工作接地分干線最終接到工作接地匯總板。

（3）接地連線。接地系統(tǒng)的導(dǎo)線采用多股絞合銅芯絕緣電線或電纜。接地匯總板用厚度不小于6mm銅板制作。機柜內(nèi)的保護接地匯流排與機柜有可靠的電氣連接。工作接地匯流排、工作接地匯總板固定時采用絕緣支架。接地線、接地總干線、接地干線與接地匯流排、接地匯總板采用銅接線片和鍍鋅鋼質(zhì)螺栓進行連接。接地系統(tǒng)的標識顏色為綠色或綠、黃兩色相間。

（4）接地電阻。接地連接電阻指的是儀表或設(shè)備的接地端子到接地極之間的導(dǎo)線與連接點的電阻總和。接地電阻是指接地極對地電阻與接地連接電阻之和。儀表及控制系統(tǒng)的接地電阻為工頻接地電阻，不大于4歐姆。儀表及控制系統(tǒng)的接地連接電阻不大于1歐姆。

2.3.5 系統(tǒng)硬件組態(tài)

系統(tǒng)的硬件組態(tài)使用VFIOBuilder.exe完成。VFIOBuilder采用樹狀結(jié)構(gòu)管理組態(tài)信息，在組態(tài)過程中能清晰地把握系統(tǒng)的組態(tài)情況，具有良好的擴展性。

控制器下可組態(tài)的硬件設(shè)備包括：本地I/O連接模塊（虛擬I/O連接模塊）、I/O連接模塊、PROFIBUS主站通信模塊、EPA通信模塊、串行通信模塊等。

3 結(jié)束語

文章簡單介紹了我國能源現(xiàn)狀，簡要介紹了DCS的概念及特點。針對本項目所研究的鍋爐控制系統(tǒng)，給出了基于中控ECS-700的硬件設(shè)計。首先，詳細地介紹了ECS-700的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分層次地分析了企業(yè)管理管理網(wǎng)、過程信息網(wǎng)、過程控制網(wǎng)和I/O總線的功能與特點。其次，介紹了本項目中所使用的各種機柜及其功能，對鍋爐控制系統(tǒng)的I/O點進行了分配，對系統(tǒng)配電、接地進行了詳細說明，并對硬件進行了組態(tài)。

參考文獻

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