火電廠集控改造研究

張鵬遠

(大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097)

1 引言

隨著信息技術的發展，我國火電廠的自動化水平不斷提高。DCS作為火電廠機組控制系統得到了廣泛的應用，同時PLC也在火電廠輔助系統得到了大量的應用。

在我國電力建設的高峰時期，火電廠通常采用兩機一控的設計方案，即兩臺機組合用一個控制室，分別設置一套DCS作為單元機組的控制系統，實現機、爐、電的集中控制。兩套DCS系統之間設置一個公用網，分別與兩臺機組的DCS通過網橋連接，公用廠用電系統，燃油泵房等通過公用網控制[1]。

輔助車間一般采用PLC+上位機的控制方式，形成幾個獨立的控制系統，并聯接成為輔助系統控制網。隨著脫硫、脫硝設施大規模投運，脫硫系統、脫硝氨區(或尿素區)往往采用獨立的PLC控制系統。廠內往往存在多種品牌、型號不一的控制系統。由于不同品牌的控制系統之間具有不同的通訊機制，且不同的工控軟件之間通訊模塊的訪問接口不一致，造成不同系統之間不能通訊，數據不能共享，形成了多個信息孤島[2,3]。

為了進一步提高火電廠自動化水平，提高數據利用效率，提高電廠管理水平，實現減員增效的目的，大集控的運行方式受到越來越多的關注。當前，國產DCS的性能水平及穩定性已經接近進口產品，而價格也不高于進口的PLC產品。新機組在建設初期便考慮大集控的運行方式，全廠輔助車間選擇與機組相同的DCS產品，實現全廠數據的統一。而建設期未考慮大集控的火電廠目前也紛紛考慮采用不同的技術手段實現全廠集中控制。本文介紹了PLC與DCS實現大集控的幾種方法，并對其優劣進行了比較分析。

2 在集中控制室設置輔網操作員站的方式

在集中控制室設置一臺全功能的輔網操作員站，操作員站通過光纜(通常集中控制室距離輔網交換機較遠)連接到輔網交換機，作為輔網的一個節點，實現了輔網在集控室的控制。這種方式最為簡單，實現了物理空間上的集中控制，機組操作員可以和輔網操作員及時溝通，處理一些突發狀況，實現部分的協同控制，一定程度上提高了管理水平，但由于沒有實現系統之間數據的通訊及共享，是一種低水平的集中控制。該方案如圖1所示。

圖1 在集控室設置輔網操作員站的大集控方案

3 OPC方式

OPC(OLE for process control面向過程控制的對象鏈接與嵌入)是一個工業標準，基于微軟的OLE(現在的Active X)、COM(部件對象模型)和DCOM(分布式部件對象模型)技術，包括一整套接口、屬性和方法的標準集，用于過程控制和制造業自動化系統。當前OPC基金的會員單位超過220家，包括了世界上主要的自動化控制、儀器儀表和過程控制的公司。

OPC采用C/S(Client/Server)模型，具有語言無關性、代碼重用性、易于集成性等優點。通過DCOM技術和OPC標準，可以創建一個開放的、可互操作的控制系統軟件，C/S模型把開發訪問接口的任務放在硬件生產廠家或第三方廠家，以OPC服務器的形式提供給用戶，解決了軟、硬件廠商的矛盾，完成了系統的集成，提高了系統的開放性和可互操作性。OPC客戶程序通過OPC接口與服務器通信，可以訪問任意的數據源，數據源可以是DCS，也可以是PLC，從而實現了DCS和PLC數據的無縫連接。OPC方式的大集控方案如圖2所示。

圖2 基于OPC的大集控方案

4 Modbus 方案

Modbus是施耐德開發的一個用于工業現場的總線協議，應用于各種數據采集和過程監控。ModBus網絡只有一個主機，所有通信都由他發出。網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數要由所用通信設備決定。采用這個系統，各PC可以和中心主機交換信息而不影響各PC執行本身的控制任務。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的，通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通信。Modbus支持RS232/RS485和以太網接口的數據通訊，許多DCS和PLC設備都支持Modbus協議作為通訊標準。使用Modbus方式的大集控方案如圖3所示。

圖3 基于Modbus的大集控方案

5 三種方案的比較

在集控室增加輔網操作員站的方案最為簡單，僅需新增一臺輔網操作員站以及網絡設備即可。但這種方案集中控制水平低，并未實現數據的共享，僅僅是將輔網操作員站的物理位置進行了遷移，在物理空間上實現了集中控制，基本不會減少操作員的數量，對于提高電廠管理水平有限。

OPC的方案需要增加一臺OPC服務器，或者也可以使用DCS操作員站作為服務器。軟硬件增加不多，但是需要建立數據庫，數據工作量較大。OPC建立在windows操作系統上，其數據處理能力取決于數據庫的容量，在PLC數據庫容量較大的情況下，數據傳輸速度較慢，有一定的延遲，因此適用于與機組運行密切相關且規模較小的PLC系統與DCS的集控，例如蒸汽吹灰系統。曾蓉，馮繼勇等[3]介紹了使用OPC實現蒸汽吹灰系統與機組DCS的集中控制方案。

Modbus方案是PLC與DCS控制器級的通訊，需要增加額外的DCS控制器來完成對PLC控制系統數據的讀寫、監視和控制。該方案軟硬件投入較大，需要對DCS進行邏輯組態與畫面組態，數據工作量較大。這種方案數據處理能力取決于DCS控制器的處理能力，當通訊的數據量較大特別是當指令信號較多時，容易導致延遲。針對這種情況，可以通過調整通訊的波特率或者增加DCS控制器的數量來改善數據處理能力。理論上這種方案可以將全廠的輔助系統PLC全部集成到DCS控制系統進行監控。陳小賓[4]介紹了DCS與PLC通過modbus集成的方法，劉林虎[5]介紹了大唐陽城電廠將10個輔助系統與DCS集成的方案，該方案中涉及到三個不同品牌的四種PLC控制器與DCS集成，效果良好。楊凱，周振輝[6,7]介紹了大唐紅河電廠13個輔助系統與DCS的集成方案，目前該廠已經基本實現了全廠設備的集中控制。

需要指出的是，由于Modbus方案由施耐德公司最早提出，因此昆騰系列PLC對Modbus的支持性也最好，最容易實現，成本也比較低。其他品牌的PLC可能需要配置額外的Modbus通訊卡件，成本較高。針對不同的PLC和DCS，需要大量細致的軟件調整工作。

綜上所述，可以針對不同的輔助系統選擇OPC方案或者Modbus方案，最終實現火電廠機組DCS和輔助系統PLC控制網絡的集中控制，達到減員增效，提高電廠運行水平和管理水平的目標。