電廠除灰系統(tǒng)DCS改造探討

張曉旭 馬金旺

河北衡豐發(fā)電有限責(zé)任公司 河北衡水 053000

電廠除灰系統(tǒng)的改造對提高能源利用率、節(jié)約資源以及環(huán)境保護(hù)均具有重要意義。電廠除灰系統(tǒng)DCS改造影響發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營和環(huán)境保護(hù)規(guī)劃的順利實(shí)施，改造除灰系統(tǒng)必須要放到火電廠新時(shí)期戰(zhàn)略發(fā)展的重點(diǎn)工作任務(wù)中。

1 原控制系統(tǒng)概述

某發(fā)電廠輸灰系統(tǒng)采用氣力除灰系統(tǒng)，由包含兩臺(tái)上位機(jī)（CRT操作站）的一套雙機(jī)冗余PLC系統(tǒng)（S7-300系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)功能，兩臺(tái)S7-300PLC間采用PROFIBUS現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。其中，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用WINCC組態(tài)軟件，分別對#1、#2爐的8臺(tái)倉泵及空壓機(jī)、庫頂卸料排氣及灰?guī)炝衔弧⒒規(guī)斓仔读稀⒎诌x風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視及控制[1]。

該電廠#1、#2號機(jī)組除灰系統(tǒng)設(shè)有獨(dú)立的除灰控制室，對整個(gè)過程系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控、運(yùn)行管理和自動(dòng)順序控制。在這其中，順序控制采用可編程邏輯控制器（PLC），其順序控制邏輯設(shè)計(jì)滿足過程系統(tǒng)的相關(guān)控制要求。

除此之外，灰處理控制室采用CRT操作站進(jìn)行監(jiān)控，即通過CRT屏幕、鍵盤和鼠標(biāo)對整個(gè)過程系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，無需常規(guī)的模擬面板。就地控制柜（箱）應(yīng)設(shè)置在壓力傳輸設(shè)備等就地場所，并在柜（箱）內(nèi)設(shè)置遠(yuǎn)程/就地開關(guān)，這樣可以對相應(yīng)的子系統(tǒng)或單個(gè)設(shè)備進(jìn)行就地操作。

S7-300系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，機(jī)架的機(jī)箱上安裝有電源模塊、CPU、各種信號模塊、通信處理器等模塊。CPU配備了采用S7協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化MPI接口，該接口既是編程接口，也是與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)訪問接口，從而形成一個(gè)多點(diǎn)接口MPI網(wǎng)絡(luò)，其構(gòu)成框圖如圖1所示。MPI網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都稱為節(jié)點(diǎn)，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有在所述S7-300硬件配置設(shè)置不同的“MPI網(wǎng)絡(luò)地址”。

圖1 S7-300系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

除灰系統(tǒng)主要采用自動(dòng)運(yùn)行方式，由上位機(jī)鍵盤和CRT界面對系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制和管理，完成以下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)對各系統(tǒng)的組態(tài)控制；

（2）對單獨(dú)設(shè)備的操作；

（3）運(yùn)行設(shè)備的控制和管理；

（4）事故報(bào)警和超限報(bào)警；

（5）對運(yùn)行事故及操作的歷史追憶。

公司采用的是兩臺(tái)S7-300PLC互為冗余的控制方式，兩臺(tái)S7-300PLC的通訊方式采用PROFIBUS現(xiàn)場總線的通訊方式。

2 改造原因

隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的不斷增長，除灰控制系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)備的不斷增加，主機(jī)系統(tǒng)對除灰控制系統(tǒng)運(yùn)行自動(dòng)化的需求也越來越高，這就導(dǎo)致了原除灰S7-300系統(tǒng)暴露的弊端逐漸增多，甚至影響電廠除灰控制系統(tǒng)的安全生產(chǎn)和平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)。

（1）原S7-300控制系統(tǒng)已經(jīng)使用十余年，因電子元器件老化、通訊電纜老化等原因?qū)е翽LC故障和通訊故障頻發(fā)，致使運(yùn)行人員不能監(jiān)視實(shí)時(shí)畫面，系統(tǒng)無法正常輸灰，嚴(yán)重影響運(yùn)行安全和生產(chǎn)效益。

（2）原控制系統(tǒng)的歷史追憶功能不健全，只有幾個(gè)重要的壓力參數(shù)能夠追憶歷史，不能為運(yùn)行人員和生產(chǎn)維護(hù)人員提供可靠的歷史數(shù)據(jù)和歷史信息，使得相關(guān)人員在調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)設(shè)備的過程中困難重重。

（3）上位機(jī)因使用年限過長、日常維護(hù)不到位等原因，主板等設(shè)備故障頻發(fā)，且因設(shè)備出廠時(shí)間較早，備品備件不易采購，正版軟件不易授權(quán)等問題導(dǎo)致經(jīng)常兩臺(tái)上位機(jī)不能正常使用。

鑒于上述原因，公司決定對#1、#2機(jī)組除灰控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造，由西門子S7-300控制系統(tǒng)改造成智深EDPFNT+DCS控制系統(tǒng)。

3 具體改造方案

3.1 DCS系統(tǒng)的構(gòu)成

在此次的改造當(dāng)中采用了智深EDPF-NT+ DCS的控制系統(tǒng)，采用了2對分散控制DPU的裝置，分別對應(yīng)了#1、#2的機(jī)組，歷史站、工程師站、MIS的通訊站各有一個(gè)，操作員站則有兩個(gè)，新的DCS系統(tǒng)由于分散控制DPU的裝置、操作的管理站、通訊網(wǎng)絡(luò)等等三部分而組成，如下圖2所示。

圖2 新DCS系統(tǒng)構(gòu)成

在新控制的系統(tǒng)當(dāng)中，DPU完成了數(shù)據(jù)的處理和控制、采集，也是整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中最為核心的組成部分。DPU分別對應(yīng)了#1、#2機(jī)組之中的除灰系統(tǒng)，完成了除灰系統(tǒng)設(shè)備當(dāng)中的順序控制、啟停、聯(lián)鎖保護(hù)與自動(dòng)調(diào)節(jié)等等功能，數(shù)據(jù)監(jiān)視、報(bào)警顯示、歷史趨勢和實(shí)時(shí)趨勢等功能完全滿足運(yùn)行人員對系統(tǒng)的監(jiān)視、操作控制和數(shù)據(jù)分析。

兩對DPU分別對應(yīng)#1、#2機(jī)組的除灰系統(tǒng)，滿足風(fēng)險(xiǎn)分散原則，其中一臺(tái)機(jī)組停運(yùn)時(shí)便可對相應(yīng)的DPU進(jìn)行檢修，時(shí)間靈活、便于維護(hù)。系統(tǒng)中，DPU、交換機(jī)、操作員站等設(shè)備均采用雙網(wǎng)線通信，安全性能將更加可靠。而且新系統(tǒng)包含信息網(wǎng)（MIS網(wǎng)），與廠級實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)通訊，更利于生產(chǎn)管理和廠級決策[2-3]。

3.2 電源系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)的電源使用雙路電源供電，分別來自于廠內(nèi)的UPS電源和保安段電源，配有電源自動(dòng)切換模塊。每個(gè)DPU控制柜也配有雙路電源模塊同時(shí)供電，提供兩路直流24V和48V電源，即使運(yùn)行中喪失一路電源，也不會(huì)對系統(tǒng)造成任何影響，從而保證整個(gè)系統(tǒng)更加安全可靠。

3.3 通訊網(wǎng)絡(luò)的冗余

所有的網(wǎng)絡(luò)連接均采用A/B網(wǎng)絡(luò)的冗余配置，保證在整個(gè)DCS系統(tǒng)中每臺(tái)包括工程師站、操作員站和歷史站等在內(nèi)的MMI站和DPU站均有兩個(gè)以太網(wǎng)地址，分別接入不同的網(wǎng)段，實(shí)現(xiàn)整個(gè)DCS同的網(wǎng)絡(luò)冗余。

4 邏輯實(shí)現(xiàn)

倉泵的輸送程序如下：初始時(shí)，倉泵內(nèi)部是空的，各閥門在關(guān)閉狀態(tài)。順序開透氣閥、進(jìn)料閥和蝶閥，倉泵進(jìn)料，當(dāng)料位計(jì)發(fā)出料滿信號或進(jìn)料計(jì)時(shí)時(shí)間到，依次關(guān)蝶閥、進(jìn)料閥和透氣閥，打開進(jìn)氣閥，將泵內(nèi)物料流化。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，打開排放閥，排放閥開始排放；當(dāng)泵壓降到設(shè)定值或排放時(shí)間過期時(shí)，關(guān)閉進(jìn)料閥、進(jìn)料閥和排放閥，出料過程結(jié)束，開始進(jìn)入下一循環(huán)。

改造后，原除灰工藝流程基本不變，但在自動(dòng)控制中，新增了一道出料工序，使整個(gè)除灰流程更加安全合理。進(jìn)料前，先進(jìn)行出料順控，確保將倉泵打空后再進(jìn)料，逐次循環(huán)，避免了倉泵在本身料位很高的情況下再進(jìn)料，會(huì)造成倉泵堵料，引發(fā)設(shè)備故障。

系統(tǒng)自動(dòng)控制程序運(yùn)行步驟為：運(yùn)行人員在CRT界面上點(diǎn)擊“自動(dòng)”按鈕，倉泵按出料——準(zhǔn)備進(jìn)料——開始進(jìn)料——進(jìn)料結(jié)束（料位到或進(jìn)料記時(shí)到）——準(zhǔn)備出料——開始出料— —出料結(jié)束，完成一個(gè)循環(huán)。

此外，改造后的控制系統(tǒng)，操作人員可以通過CRT界面設(shè)置各輸灰單元的參數(shù)，包括進(jìn)料時(shí)間、料位控制、空壓機(jī)故障報(bào)警壓力下限、管道堵塞壓力等，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出進(jìn)料時(shí)間、總進(jìn)料時(shí)間、最后進(jìn)料時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)。運(yùn)行和檢修人員可以根據(jù)統(tǒng)計(jì)出的數(shù)據(jù)，估算出系統(tǒng)已完成的工作量及整個(gè)系統(tǒng)的輸送能力。

改造后的DCS窗口圖如圖3所示：

圖3 改造后DCS窗口圖

5 改造效果

此次除灰系統(tǒng)控制程序的全面改造，從可靠性、擴(kuò)展性和歷史追憶性能等方面，均取得了較好地改進(jìn)和完善。

5.1 提高了可靠性

改造后的DCS系統(tǒng)為冗余控制系統(tǒng)，包含網(wǎng)絡(luò)、控制器、電源、操作員站、工程師站和歷史站等設(shè)備，其中任何一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)問題，系統(tǒng)都能繼續(xù)正常工作，不會(huì)影響設(shè)備運(yùn)行，增強(qiáng)了設(shè)備的可檢修性。

5.2 增強(qiáng)了擴(kuò)展性

原S7-300控制系統(tǒng)改為DCS控制系統(tǒng)后，可以根據(jù)工藝系統(tǒng)的實(shí)際需要，增加卡件和控制器，確保了系統(tǒng)的容量和擴(kuò)展性。

5.3 歷史追憶功能更健全

對比于PLC系統(tǒng)，改造后的DCS系統(tǒng)的歷史追憶功能更強(qiáng)大，任何一個(gè)測點(diǎn)都有歷史，極大地增加了檢修人員處理缺陷的判斷能力，縮短了處理故障所用的時(shí)間，極大地提高了維護(hù)效率[4-5]。

6 結(jié)語

自從電廠#1、#2機(jī)組除灰控制系統(tǒng)由PLC系統(tǒng)改造為DCS系統(tǒng)后已平穩(wěn)運(yùn)行4年，系統(tǒng)故障率大大降低，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和平穩(wěn)性得到了大幅的提高。此次改造為該電廠#3、#4機(jī)組除灰系統(tǒng)的改造升級提供了成功的參考，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，指出了光明的前景。