新舊分散控制系統更換改造探討

肖勝，郭伯春

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054； 2.四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安 638000)

新舊分散控制系統更換改造探討

肖勝1，郭伯春2

(1.西安熱工研究院有限公司，西安 710054； 2.四川廣安發電有限責任公司，四川 廣安 638000)

分散控制系統(DCS)改造的原則是保證控制系統在較好的應用水平基礎上有質的飛躍。改造前后的DCS分屬不同廠家產品時改造更加復雜，對硬件分配、軟件組態及電纜接線設計進行分析和研究，可為同類型DCS的改造提供借鑒。

分散控制系統；改造；不同廠家；硬件；軟件；電纜

1 研究背景

某電廠對分散控制系統(DCS)進行改造，將原貝利公司的INFI 90 OPEN系統設計的數據采集系統、模擬量控制系統、順序控制系統、爐膛安全監視管理系統、旁路控制系統和汽輪機電液控制系統改造為艾默生公司的OVATION系統，同時對部分與之配套的控制表盤、中間轉接柜以及相關輔助系統也進行改造。由于改造前、后的DCS由不同的廠家提供，需對改造策略開展研究，并將研究成果應用到設計中。

2 分析與研究

DCS改造過程中有許多工作要注意，如改造機組雖然運行多年，但邏輯中仍存在隱患[1]，運行方式等使得這些問題沒能及時暴露，需要對此進行討論和優化，這類問題在DCS改造過程中是常見的，本文不做論述，主要討論DCS改造過程中不同廠家DCS的應用。

若從WDPF系統變更到OVATION系統，這兩個系統是同一家公司不同時期的產品，軟件和硬件都有繼承性，有利于產品的升級換代，如邏輯組態和畫面組態都可以從原有的版本轉換為現有版本，這樣就會給整個工程帶來很大的方便；還有些電廠是在保留原I/O卡件的基礎上，用OVATION系統替換WDPF系統進行升級[2]。而對于改造前、后使用不同廠家DCS的情況，所要面對的問題就很多。

2.1硬件分配

對于不同廠家的DCS，由于研發理念和系統架構不同，硬件和軟件設計上有一定的區別，所以工程技術人員在進行DCS改造時，要認真分析系統差別，才能保證改造后機組的安全性和經濟性[3]，否則會影響項目的實施效果，嚴重的還會造成事故。

DCS改造工程中，電纜敷設是一個主要工作，一般電廠的DCS改造需要在55～60 d完成，電纜施工完成后，給分系統調試所剩的時間只有15～20 d，時間非常緊張，所以在硬件設計時要考慮如何在原有電纜的基礎上合理優化，既要保證功能完善，還要降低電纜敷設施工難度，是改造前期的一個重點問題，處理不好會直接影響工程的進度。

該工程將INFI 90 OPEN系統改造為OVATION系統，由于機柜、卡件等硬件設計和結構不同，所以在硬件分配的設計過程中，要對兩種DCS原有的硬件配置進行分析，得出最優的機柜和卡件的分配思路。

對于大的功能分配，大部分遵循原來的控制器分配方案。一方面是考慮到施工中接線的問題，如果推翻原有方案，勢必會打亂原有電纜分布，不利于施工；另一方面，出于安全考慮，原計劃將設備相關溫度信號(如軸承溫度、電機線圈溫度等)移至相應的設備邏輯所在的機柜中[4]，但經過討論后認為，這些溫度信號尤其是熱電阻信號的正確顯示與接線有很大關系，調整時需要對這些溫度信號的電纜進行中間轉接，會加大溫度信號出現誤差的幾率，所以最后實施時還是將這些溫度信號保留在原有位置。

在原來的控制器分配方案基礎上，在小的功能分配上進行了合理優化[5]：如原來A，B兩側的A，B引風機分在同一過程控制單元(PCU)中，只是在多功能處理器(MFP)中進行了分散；而在OVATION系統中，將重要設備的A，B側分在了不同的控制器中。

INFI 90 OPEN系統與OVATION系統在機柜上有很大區別。INFI 90 OPEN系統機柜分為模件柜和端子柜， OVATION系統機柜只有I/O卡件柜，即信號采集處理模件和IO端子板是在一起的，分配卡件時主要考慮從原INFI 90 OPEN端子板到現OVATION卡件的改造關系。圖1為INFI 90 OPEN系統端子柜和OVATION系統I/O卡件柜的布置示意圖。

圖1 兩種系統機柜布置示意

為了充分利用原有電纜，避免因為轉接而加大工作量，盡量將信號布置在原有位置附近，如需移動盡量向著電纜進入的方向往下移動。設計之前對原有DCS進行了考察，發現電纜是從電子間入口的方向進入的，同時對原INFI 90 OPEN系統端子板安裝的高度進行了測量，得出原端子板與現端子板位置的大致關系，見表1(以A列端子為例)。參考這個對應關系對信號清單進行分配，如A8卡件位置的信號可以根據需要移至背面D1，或相鄰槽道B1、相鄰槽道背面C8(因為電纜長度有一定裕量可以往遠移動一些)。

表1 原端子板與現I/O卡件的大致位置對應

2.2組態軟件

DCS改造過程中，參考原有組態是很重要的，主要原因如下。

(1)改造前機組已運行10～15年，組態已經根據運行人員習慣、設備情況及電廠特殊要求進行了改進，所以邏輯相對完善，有重要的借鑒價值[6]。

(2)原有組態的很多參數都要在現有組態中進行整理設置，如4～20 mA模擬量的量程、熱電偶信號的分度、熱電阻信號的測量元件型號、比例-積分-微分(PID)調節器的初始參數、流體流量開方后的系數等，都要和原有組態進行認真核對。

(3)流程畫面的設計一般也要借鑒原有風格，這樣運行人員才能更好更快地適應[7]。

下面就此次工程中在組態軟件方面需要注意的幾個問題進行闡述。

(1)改造過程中，自動調節系統的PID參數一般都要參考原有邏輯先放好初始參數，然后在此基礎上進行細化調整。在設置初始參數時要注意兩種系統PID功能塊的不同，對原有參數進行換算后才能填入現有PID功能塊中。

OVATION系統PID功能塊的運算公式為[8]

(1)

式中：Ex為輸出；Er為偏差；KP為比例增益；τi為積分時間；KD為微分增益；τd為微分時間。

INFI 90 OPEN系統PID功能塊運算公式為[9]

(2)

式中：K為增益放大倍數；Kp為比例增益；Ki為積分常數；Kd為微分增益；Ka為微分滯后常數。

比較上面兩個公式后，得出兩種系統的PID參數換算關系

(2)機組的流體流量如風量、水量都參與了保護，計算公式要和原有組態進行認真核對。在核對過程中要注意，兩種系統的求平方根功能塊中都有一個系數，但這個系數在兩種系統功能塊中的作用不同，INFI 90 OPEN系統中是用該系數乘以輸入信號的平方根，而OVATION系統中是用該系數乘以輸入信號后再求平方根，雖然是微小的差別，但如果用錯了，將會使運算結果差很多，直接影響機組安全穩定運行。

(3)4～20 mA模擬量信號的量程也要與原有組態一一核對，但兩種系統的量程設置方式不同，INFI 90 OPEN系統是通過設置量程上下限來設置，OVATION系統是通過設置系數來設置，這樣就需要對原量程上下限進行換算，求得換算系數，換算關系為

C1=(RU-RL)/0.016 ，

C2=(5RL-RU)/4 ，

式中：C1，C2分別為OVATION系統中的系數1和系數2；RU，RL分別為INFI 90 OPEN系統中的量程上限和下限。

在核對量程上下限時，一定要打開功能塊查看，不能只看功能塊外面的描述，因為描述有可能和里面實際設置的不一致。

2.3電纜接線設計

DCS改造項目與新建機組工程不同，一般沒有設計院參與設計，所以電纜接線設計的工作就要由改造單位完成。由于改造前后是兩種DCS，而且時間相差10～15年，電子元器件的條件也相差很多，所以在電纜接線設計時要非常仔細，尤其要注意兩種系統交叉設計時的情況，即在按新DCS設計時，還遺留了一些原有系統的設計，這種情況在DCS改造過程中比較常見，下面以實例對此進行說明。

如在OVATION系統中可以直接通過DOX板卡送6 kV設備的啟停信號到就地設備，這種DOX板卡的輸出繼電器是大容量的，而在INFI 90 OPEN系統中，6 kV設備的啟停信號是通過中間繼電器柜送到就地設備的，即通過DO板卡驅動大容量繼電器的線圈，將信號送到就地設備。在改造方案討論過程中，電廠出于檢修方面的考慮，仍然保留這種中間繼電器柜的方式，即小繼電器帶大繼電器的方式。

不論OVATION系統是 INFI 90 OPEN系統，對于主燃料跳閘(MFT)的控制方案，都是DCS將采集的參數及聯鎖信號送至MFT跳閘邏輯進行判斷，一旦輸入信號滿足MFT條件，則觸發MFT動作相關設備，切斷燃料。從保護功能的可靠性方面考慮，采用的方式是：兩路同時控制設備保護動作，一路由DCS保護控制邏輯直接動作設備，另一路由DCS輸出MFT繼電器組通過硬跳閘回路動作設備[10]。但在第2路動作形式上，兩個系統的設計思路不太一樣：OVATION系統是直接將相應設備的MFT動作繼電器的節點串入(少量設備是并入)就地控制回路當中；而INFI 90 OPEN系統可能出于當時繼電器節點容量的考慮，是通過MFT動作繼電器節點驅動上述中間繼電器的線圈，將信號送到就地設備。INFI 90 OPEN系統的設計有一個不足，如果中間繼電器故障，則控制設備保護動作的兩路就都失效了，所以最后還是采用現在的OVATION系統的設計。

如果設計中兩種方式交叉設計，即OVATION的設計是從MFT動作繼電器節點接到了就地控制回路當中，如果由于疏忽，原有的從MFT動作繼電器節點到中間繼電器線圈的電纜仍然保留，這樣就會出現就地控制回路與中間繼電器線圈回路并接的情況。6 kV設備控制回路是電廠直流系統供電，中間繼電器線圈回路是交流220 V供電，這樣，直流系統和交流系統就并接，會直接影響電廠直流供電系統的安全。圖2為兩種方式交叉設計情況，圖中虛線為錯誤接線。

圖2 電纜設計中兩種方式交叉設計情況舉例

3 結束語

對于DCS改造項目，改造前后新舊系統分屬不同廠家的情況比同一廠家時要復雜很多，在此次改造工程實施過程中進行了多方面的分析和研究，可以在同等類型的項目中加以應用，以保證機組的安全經濟運行。

[1]趙娜，張振偉.DCS改造中鍋爐側順序控制邏輯優化[J].華電技術，2016，38(2)：44-47，52.

[2]滕會英，萬暉，王蘇華，等.300 MW機組分散控制系統從WDPF到OVATION系統的升級改造[J].中國電力，2004，37(10)：73-76.

[3]馬海林.200 MW單元機組分散控制系統改造合理性探討[J].中國電力，1997，30(7)：39-42.

[4]李耀中.分散控制系統設計方法[J].煉油化工自動化，1991(6)：13-15，55.

[5]何衍慶，馬欣，俞金壽.分散控制系統中控制組態的設計[J].煉油化工自動化，1997(1)：15-18.

[6]張國斌.電廠分散控制系統改造工程關鍵技術分析[J].內蒙古電力技術，2016，34(1)：87-89.

[7]何衍慶，俞金壽.分散控制系統中過程流程圖畫面的設計[J].煉油化工自動化，1995(4)：9-14.

[8]艾默生過程管理有限公司.Ovation算法參考手冊[Z].

[9]ABB Automation University .ABB常用功能碼手冊[Z].

[10]靳允立.大機組MFT硬跳閘回路設計分析[J].熱力發電，2010，39(11)：73-76.

(本文責編：劉芳)

2017-07-19；

:2017-08-04

TM 621.6

：A

：1674-1951(2017)09-0031-03

肖勝(1978—)，男，天津人，高級工程師，工學碩士，從事發電機組自動控制技術的研究與科研管理工作(E-mail:xiaosheng@tpri.com.cn)。郭伯春(1976—)，男，四川南充人，高級工程師，從事電廠熱工儀表及自動裝置技術管理與檢修方面的工作(E-mail:guodashanren@163.com)。