HOLLiAS MACS現場總線控制系統在超超臨界百萬千瓦機組的應用

吳公寶（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519000 ）

HOLLiAS MACS現場總線控制系統在超超臨界百萬千瓦機組的應用

吳公寶（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519000 ）

本文介紹了和利時公司HOLLiAS MACS現場總線控制系統在某電廠百萬千瓦超超臨界機組的應用，詳細說明了現場總線配置方案、網絡結構和控制器分站，介紹了HOLLiAS MACS現場總線控制系統應用過程中存在的問題和處理方案，總結了HOLLiAS MACS現場總線控制系統的應用經驗，提出了提高系統可靠性的意見和建議。

現場總線；HOLLiAS MACS；應用

1　引言

現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網絡等綜合技術為主要內容，既是一個開放通信網絡，又是一種全分布控制系統，它適應了工業控制系統向數字化、分散化、網絡化、智能化發展方向。當前1000MW級超超臨界機組已成為國內火電建設的主流，由于超超臨界機組壓力、溫度等參數較多，控制對象復雜，能否提供安全可靠的控制和調節，是大型機組DCS面臨的主要挑戰。雖然國內和利時、國電智深等DCS設備制造商已經擁有了常規百萬超超臨界機組的成功應用經驗，但大規模現場總線控制技術目前還沒有在百萬機組成功投運的業績。

2　系統概況

某電廠擴建兩臺超（超）臨界1000MW燃煤發電機組，三大主機由東方電氣集團制造，鍋爐采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、對沖燃燒方式∏型變壓直流鍋爐，汽輪機采用一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、抽凝式汽輪機。單元機組和脫硫DCS控制系統采用杭州和利時HOLLiAS MACS V+SM220系統，采用四機一控模式，實現一鍵啟停。DEH、MEH、METS、FMEH、FMETS控制系統一體化，控制規模超過12000點，其中主機總線設備達到1000臺以上。共配置39面現場總線柜，152根光纖，共分配83個PA網段，71個DP網段，其中鍋爐側47個PA網段， PA設備222臺，43個DP網段 ，DP設備432臺；汽機側36個PA網段，PA設備219臺，28個DP網段，DP設備223臺。總線設備約占整個控制設備的60%，是國內現場總線應用最廣泛的項目之一。

2.1系統網絡

DCS網絡采用實時數據通訊的P-P單層網絡結構，如圖1所示。實時數據通訊服務由數據需求方（操作員站）與數據的供給方（控制器）直接通訊，系統內配置一對冗余的歷史站為整個系統提供報警服務、歷史數據服務和其他服務。MACS-SM控制站集成PROFIBUS現場總線，冗余的主控制器與操作員站、工程師站點對點連接，控制器通過冗余的現場總線與IO從站、DP Y-LINK、DP/PA LINK設備相連，現場總線將智能儀表、執行機構、高低壓智能保護裝置及電磁閥接入DCS系統，實現機組操作及設備信息管理。系統具備數據采集、運算與處理、邏輯組態與下裝、畫面監視與控制等多項功能。輔助控制系統集中在機組集控室管理，脫硫進入主機DCS系統，實現了一體化監控。

圖1　網絡結構示意圖

2.2控制器分配

控制器按照以工藝系統為主，兼顧控制功能的原則進行合理分配。冗余的系統分布在不同控制器，獨立的系統分布在同一控制器，既保證冗余性，又保證獨立系統的完整性，起到信息共享、減少站間引用和系統通訊任務量的作用，能夠優化系統、降低網絡負荷率、降低系統風險以及降低維護工作量。單元機組總共35對控制器，其中鍋爐20對、汽機14對，電氣1對，公用2對。

2.3總線結構

控制器通過冗余的現場總線與IO從站、DP Y-LINK、DP/PA LINK設備相連，DP Y-LINK、DP/PA LINK在上級網絡中作為從站，在下級DP總線系統中作為主站。DCS主控柜與總線柜采用光纖連接，對于1個主控柜到多個總線柜的連接，網段間采用DP中繼器進行隔離（見圖2）。DP網段中冗余DP設備采用DP中繼器連接，并進行網段間隔離，單DP網段采用DP/Y設備連接，冗余DP和單DP網段采用DP中繼器進行隔離。通信速率9.6k～12Mb/s，主要用于電動門、電磁閥、電動機、分析儀表等開關量和復雜設備。PA網段采用DP/PA設備連接，通信速率31.25kb/s，能給總線供電，主要用于變送器、定位器等模擬量儀表和設備。現場總線拓撲方面，支持現場總線通訊卡件本地、遠程安裝，遠程安裝通過光電收發器實現樹型拓撲。

圖2　現場總線結構示意圖

3　系統問題分析與處理

3.1數據運算與顯示不一致

機組啟停機、試驗等工況下，由于參數不滿足等條件限制，需要在邏輯中對某些信號進行強制。調試過程中發現，在組態軟件中操作人員對數值變量修改后不下裝到控制器，啟動動態時顯示正常，被修改的數值變量動態顯示的是修改后的數值，但在邏輯運算中實際使用的卻仍然是修改前的數值，該問題存在較大的安全隱患。如果組態人員進行強制賦值后忘記下裝控制器，啟動動態查看參數無異常后進行試驗啟停設備，由于顯示的數據和實際參與運算的數據不一致，必然導致設備誤動作。目前該問題還沒有從技術角度解決，主要通過規范操作、加強監護等管理方式避免。

3.2趨勢曲線功能不豐富

趨勢曲線可以分屏顯示，如顯示兩個、四個等不同數量窗口曲線，但是卻不能全屏顯示，也沒有按照系統列出曲線組功能，只能通過操作人員添加曲線組和曲線，并且不能使用鼠標在曲線組里選取曲線，對某系統進行試驗、故障分析時需要手動操作，不便于迅速地進行曲線分析。現有曲線的最小分辨率是1秒，可以以曲線或者數據記錄等方式查看，但控制器運算周期為100毫秒，ETS、METS等重要系統運算周期甚至為50毫秒，系統及設備故障時部分變量在1秒內已經發生了一次或多次變化，而趨勢曲線往往不能有效記錄當時的正確工況，給事故分析帶來較大的不便。

HOLLiAS-MACS系統使用了“域”為基礎單元的管理模式，“域”主要區分不同區域的工藝和設備，如鍋爐、汽輪機、脫硫、公用等區域熱力工藝設備。“域”間信號的傳遞需要使用域間變量或硬接線的方式來完成，不能在畫面中將不同“域”的變量組在同一個曲線中進行分析比對。

3.3通信與軟件功能不完善

畫面及組態軟件中變量命名不規范。為了工程組態方便，和利時使用一套自有的變量命名規則，主要根據變量所屬的區域、系統進行流水編號。DCS畫面變量窗口上方能明顯地顯示編號，但KKS編碼等與設備息息相關的信息只顯示在“點詳細參數”列表中，在操作和檢修設備時需要認真核對設備信息，否則容易誤操作。另外，在DCS畫面現場總線拓撲圖中設備顯示狀態不清晰明確，拓撲圖中設備運行、停止、故障等狀態沒有通過顏色變化等方式加以區別，只有屬于該設備的信號，如開關狀態、故障、力矩等信號有報警，不利于設備巡檢和異常檢查。組態軟件中打開報表組態會造成整個工程組態軟件退出。

驗收測試時發現，冗余DP現場總線設備單口網絡故障時操作員站無報警，在DCS系統的HAMS設備管理軟件中，PROFIBUS總線設備也無報警和統計功能，PROFIBUS總線設備無法通過工程導入的方式在HAMS管理軟件中進行配置和參數修改，造成設備掃描慢（10臺設備約1.5min），為總線設備管理和故障診斷帶來困難。

由于現場總線設備的類型和廠家眾多，用戶的GSD文件和設備內部固件處理出現不一致，導致通訊失敗，產生了DCS系統與總線設備兼容性問題。調試時和利時公司利用其測試平臺對SIPOS、EMG等電動執行機構及KM超聲波液位計、Rosemount壓力變送器等設備進行了兼容性測試，發現SIPOS電動執行機構測試中存在數據跳變、部分設備無法通訊等現象。為有效解決該問題，系統軟件除了必須提供靈活的參數設置選項、用戶可以根據實際通訊狀態對默認值進行修改外，還要完善GSD文件解析，收集GSD文件進行兼容性測試。

3.4變量中文注釋不能更改

在組態軟件中，各種設備、測點或功能模塊注釋是DCS邏輯組態的一項重要內容，有助于使用者閱讀組態邏輯，理解控制策略。本版本的軟件中，可以根據數據庫中該設備、測點或功能模塊信息，在邏輯組態方案頁變量前自動生成中文注釋并且不能更改。組態軟件中手操器、PID運算器等模塊具有不同功能的引腳，組態時可以使用“功能塊—引腳”的方式進行邏輯連接，由于系統功能的限制，使用“功能塊—引腳”的方式進行組態時，只是自動生成了“功能塊”的中文注釋，對具體功能的“引腳”不區分，導致組態中大量使用的手操器、PID運算器自動、手動、輸出等不同功能引腳注釋全都一樣，給邏輯閱讀造成很大的干擾，目前通過手動再增加中文注釋的方式解決。

3.5控制器負荷升高

采用單層P-P網絡結構后，各個操作員站不再依賴于實時數據服務器，系統沒有實時服務器的瓶頸限制，各個節點的故障不會影響其他節點，提高了系統的可靠性與安全性。但是，實時數據服務功能下移至控制器后，控制站需要直接對各操作員站分別提供數據服務，使得控制器的負擔加重、負荷加大。通過在控制器讀取約20000點模擬測試發現，與和利時兩層Client/ Server網絡結構相比，控制器負荷最高提升了3%左右，控制器負荷在20%到31%之間。雖然各項性能指標都滿足要求，在沒有經過機組運行惡劣工況的檢驗，限制控制器負荷升高的問題仍需要關注。目前采取了限制直接與控制器通訊的操作員站個數、優化操作員站數據請求數量、提高控制器CPU配置的方式進行解決。

3.6機柜電纜布線不規范

機柜總線電纜布線和隔離方面，主要存在220V電源接線連接時沒有很好地與通信電纜分線槽布置，存在交叉的現象。機柜無電源和溫度監視、DP電纜屏蔽層連接不當。現場總線機柜由于設計的不合理，導致光纖接線盒及光電轉換器應在模件柜及通信柜中擺放布置不寬裕，光跳線連接容易有死角，鎧裝光纜與光電轉換器之間存在互相擠壓，機柜內部分DP及PA電纜余量過大，導致電纜在線槽內折疊或彎曲夾角小于90度，現場總線電纜屏蔽層出現外露等情況。上述問題通過優化設備布置、合理預留電纜長度等方法已解決。

4　應用經驗與建議

4.1應用經驗

該電廠在DCS系統技術協議簽訂不久就安排熱控及運行人員進行學習和監造，第一次設計聯絡會確定了進度、配置、接地等問題，第二次聯絡會確定了區域劃分、總線網段劃分、控制器分配、通訊接口、系統總體規劃。控制策略以主機廠提供的說明為基礎，同時參考華能海門、國華綏中等同類型電廠的成功經驗。在近6個月的時間內多次組織審查DCS畫面，邀請專家組進行了兩次大規模的邏輯外審。軟硬件及現場總線積極借鑒吸收了國華臺山、大唐虎山等電廠經驗，將系統缺陷消除在萌芽狀態，減少了調試階段的故障率。

在工廠測試和驗收階段，電廠積極安排人員全方位配合廠家技術人員進行設備安裝、系統調試及故障處理工作，機組邏輯組態和畫面組態、軟硬件測試和出廠驗收等工作由電廠人員操作，FCS制造廠技術人員負責監督核查，鍛煉了電廠技術人員的技能，從實際操作中更加深入掌握系統的特點。

在設備安裝、調試階段，對同型號主機設備單位進行了深度調研。熱控和運行人員在華能海門電廠進行了長時間的學習，收集了以往工程實施的技術方案和工程經驗文獻，深入了解東方機組的運行特性，運行人員深入參與控制方案討論，形成了一套完整的具有自身特色和適應機組特性的控制策略，有效避免了由于邏輯問題而影響機組安全穩定運行。重點針對同型號系統機組進行了調研，收集了同類型系統出現的典型故障與處理方案，比如控制器切換不成功、網絡故障、服務器故障、強制異常等事件和處理方式，編制出應急預案，在調試期間反復測試，加以改進。

4.2提高系統可靠性建議

系統版本更新較快，每次更新又衍生了新的系統問題，并且新功能的使用是否安全可靠有待工程應用來驗證，給用戶帶來了風險。電廠人員需要更加積極主動的與設備制造廠、設計院、調試所、同類型機組電廠進行交流，認真研究分析系統性能、產品結構、網絡特性等，加強對制造廠在項目實施過程中的監督檢查，已經確定后的技術方案不要隨意變更。為了保證DCS系統的可靠性和穩定性，廠家應重點關注其硬件的元器件質量、制造工藝等，提高電子模件的熱拔插可靠性。保證控制器有足夠的運算和存儲能力，提高IO模件的抗干擾能力。

負責總線設備二次信息開發的HAMS管理軟件，功能要強大且方便，不只是簡單的對總線設備的信息進行顯示，還要具有對現場總線設備循環數據及非循環數據進行參數設置、報警及事件記錄、通訊狀態分析等功能，真正起到設備管理作用。

現場總線設備測試要規范。在實驗室測試期間，雖然設備制造廠搭建的總線實驗室平臺能夠進行各類總線設備的檢查測試，但實驗室平臺機柜接線、電纜布置不規范，機柜內接線混亂、總線電纜與電源線交叉布置、冗余總線設備按照單口設備標準測試，因此，嚴格按照技術規范要求測試設備，才能更好的發現問題。

在完善傳統功能的基礎上，加快新技術的研發，進一步提高產品質量，如目前單層網絡結構下如何降低控制器負荷、HAMS管理軟件功能完善等。積極開展先進優化技術、現場總線技術等的研發，增強國產DCS系統結合現場總線技術的市場競爭力，提供新技術、新功能培訓與交流平臺，便于系統使用人員能熟練地掌握各項新技術、新功能。

5　結論

HOLLiAS MACS現場總線系統在該電廠1000MW超（超）臨界燃煤機組的成功應用具有重大意義，標志著國產DCS系統具備在大容量機組上進行大規模現場總線工程實踐能力。在工程建設中，電廠熱控、運行人員全程積極參與跟蹤調試，發現并解決了一系列影響安全穩定的問題，提高了現場總線系統的穩定性，在充分借鑒國內同類型機組成功應用經驗的基礎上，積極與廠家聯系溝通解決，消除了系統的安全隱患。通過對本工程現場總線DCS系統應用過程中的經驗與問題進行總結，可以為現場總線控制系統國產化應用以及自動化技術的進步起到積極的作用。

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Application of HOLLiAS MACS Fieldbus Control System in Ultra-supercritical Millions Units

This paper introduces applications of the HOLLiAS MACS Fieldbus Control System of the HollySys company in the power plant with one million kilowatts of Ultra-super critical units. The Fieldbus configuration, the network structure and controller of substation are described, and the problems existing in the HOLLiAS MACS Fieldbus Control System in the application process and the related treatment scheme are introduced. Finally, this paper summarizes the experience of application of HOLLiAS MACS Fieldbus Control System, and proposes the opinions and suggestions of improving the reliability of the system.

Fieldbus; HOLLiAS MACS; Application

B 文章編號：1003-0492（2016）06-0102-03 中圖分類號：TP273

吳公寶（1980-），男，福建松溪人，工程師，工學學士，現就職于京能集團珠海市鈺海電力有限公司，從事熱控專業技術管理與工程建設工作。