發電廠水處理控制系統國產化DCS改造

國家能源集團諫壁發電廠 談瑞強

某發電廠目前全廠水處理控制系統是以原來的四、五期化水新控制系統（2007年投產）為基礎進行各分系統的整合而成，各分控制系統均接入到原來的四、五期化水服務器。由于使用時間較長，控制系統工作站、服務器老化嚴重，且由于接入的系統過多造成了服務器的負荷率居高不下，工作站調用畫面、數據緩慢，系統運行的速度已不能滿足目前的生產要求。為進一步提高水處理控制系統工作的可靠性，確保全廠機組運行的供水安全，特針對現場目前存在的問題，對全廠化學水處理控制系統工作站及服務器等設備進行國產化DCS 改造，優化系統設置。

1 水處理控制系統概述

1.1 水處理的工藝流程簡介

化學水處理就是將原水（該廠為長江水）經過澄清、過濾等設備去除懸浮物、有機物、泥沙等，并采用除鹽設備處理后，使水質最終滿足鍋爐補給水的水質要求。某發電廠鍋爐補給水處理分為長江所取原水預處理及凈水處理系統、處理后的原水經過反滲透除鹽裝置進行除鹽的預脫鹽系統、已經通過陽陰床+混床等設備進行精處理的除鹽系統。

凈水處理系統是將長江所取的自然原水經過常規水處理的過濾、澄清等物理過程簡單處理后形成清水。工藝流程為：長江原水→循環水泵→升壓泵→沉淀池→空氣擦洗濾池→化水池。

預脫鹽系統采用反滲透膜的處理工藝，是將經過凈處理系統處理后的清水進行初步的除鹽的系統。其工藝處理過程為：凈水處理后的清水由清水泵打出后首先經過一套多介質過濾器過濾，然后通過活性炭過濾器再過濾，經過RO 保安過濾器后由RO高壓泵輸送至RO 反滲透膜組件再處理，然后初步處理后的預脫鹽水輸送至預脫鹽水箱，最后通過預脫鹽水泵輸送至下一步的處理環節。

除鹽系統是對經預脫鹽處理后的水進一步除鹽，由除鹽系統和酸堿還原系統兩部分組成。除鹽采用的設備主要有陽、陰離子交換器以及混合離子交換器等。陽、陰離子交換器為單元制，混合離子交換器為母管制連接，其工藝處理過程為：預脫鹽水經過預脫鹽水泵輸送至陽、陰離子交換器，經除二氧化碳器、混合離子交換器等進一步的脫鹽處理后進入除鹽水箱，最終由除鹽水泵將除鹽水輸送至發電機組主廠房內的精處理系統進行最后的水處理。酸堿還原系統采用的主要設備有輸送泵、酸槽、混合器等，其工藝系統流程為：輸酸泵→高位酸槽→酸計量泵→除鹽水與酸混合器→陽離子交換器（和混合離子交換器）；輸堿泵→高位堿槽→堿計量泵→除鹽水與堿混合器→陰離子交換器（和混合離子交換器）。

同時，化學水處理系統還要完成機組運行，以及停運保養期間的水質控制以及指標監視的相關工藝，主要包括：給水處理（加氧、加氨處理）；爐水處理（加氫氧化鈉）；熱力系統的水汽品質在線分析監控系統；凝結水精處理、工業廢水處理等。

近年來，由于火電機組環保改造等方面的工作，該廠將氨站等環保相關設施規劃在化學水處理系統區域，因此相應的氨站等控制系統也接入到了水處理控制系統中來。

1.2 水處理控制系統簡介

該發電廠的化水系統原來設計為分散布置，隨機組的建成配套完成相應的化學取制水工作。全廠分四期化水（#7、#8機組）、五期化水（#9、#10機組）、六期化水（#11、#12機組）三套制水系統，每一套化水系統相對獨立，存在著設備重復，人員機構臃腫，測量控制精確度差，自動化程度低下等弊端。2007年，電廠開始著手對化水系統進行改造，同時對整個化水控制系統進行了整合。改造后將全廠化水系統分為四、五期預處理區域，全廠水處理區域及四、五期原有的凝水精處理區域以及六期化水區域，采用工業以太網的方式連接各個水處理控制系統。

通過一體化改造取消了原有的四、五期化水控制室、凝水精處理、六期凈水等監控點，只設置了一個全廠化水集控室，同時各子系統由原來的獨立運行，變為現在的一體化運行。2011—2012年，為滿足新建1000MW 機組的供水要求，取消了六期凈水系統，建設了七期預處理系統及七期水處理系統，同時隨著1000MW 機組投產又同步將氨站控制、七期凝水精處理控制等子系統納入了水網控制。2013年，為了增加電廠的制水能力，又對化水進行了增容，化水增容子系統同步納入了水網控制。

目前，經過不斷整合，該廠化學水處理系統控制系統目前已經接入了四期預處理系統、五期預處理系統、四期凝結水精處理、五期凝結水精處理、全廠補給水、氨站控制系統、七期鍋爐補給水系統、七期反滲透預脫鹽系統、工業廢水處理控制系統、新增制水控制系統等12套PLC 控制系統，基本實現了全廠水系統統一監控。

整個水網控制系統采用了赫斯曼的千兆工業以太網Power MICE 系列交換機構建水網的主干網絡。整個控制系統從設備功能方面來看主要可分為三部分：一是智能分布式的數據采集系統，即通常所說的下位機或分站，是采用成熟的PLC 控制來實現，為了方便系統的連接，該發電廠的下位機均采用了施耐德公司生產的MODICON 系列雙機熱備硬件產品。所有下位機PLC 編程及設置軟件采用了均統一使用Unity Pro 軟件。系統主要功能是完成下位機的硬件配置、I/O 模塊配置及參數設置、通信網絡配置等功能。二是數據處理和顯示系統，即上位機人機交互（MMI）系統。三是連接這兩部分的上層通信網絡，主要由交換機+MODBUS TCP/IP協議構成。目前，系統網絡配置及數據處理和顯示的功能由ifix 監控組態軟件完成。iFix 組態軟件主要完成運行人員操作畫面組態、通信網絡配置、整個網絡的數據點管理等功能。

全廠水系統輔控網是基于七期全廠補給水控制系統基礎上建立起來，七期全廠補給水控制系統從2009年年初開始調試，至年底投入運行。后期不斷地將四期預處理、五期預處理、四/五期精處理、七期預處理、七期精處理等14套PLC 控制系統接入該輔控網系統。目前，該系統服務器中數據庫點數在17000點左右，由于該輔控網經常有新系統不斷接入，不同廠家對系統上位機監控軟件進行調試修改，致使該系統上位機出現了主備系統不能冗余的問題，造成了最近出現的主服務器宕機的情況下，備用服務器沒有正常切換運行，導致整個水系統網絡數據交換中斷、控制室失去系統監控的嚴重情況。再加上以上計算機設備已經運行了10年多，硬件性能下降，多次出現操作站故障死機的情況，影響運行人員的安全操作。

2 水處理控制系統升級改造的必要性

針對現有程控系統進行全面評估分析，目前主要存在以下八方面的問題。

2.1 程控PLC 存在嚴重安全漏洞

目前使用的PLC 部分硬件與《關于開展電力工控PLC 設備信息安全隱患排查及漏洞整改工作的通知》（國能綜安全[2015]387號）嚴重相抵觸[1]。通知第三部分有關要求的第四條“對于目前經檢測存在信息安全漏洞的施耐德PLC（以太網模塊固件版本為NOE 77101 V5.30、NOE 77111 V5.50），各有關單位應按要求開展漏洞整改工作……”。該發電廠化水系統所有控制器均為施耐德PLC 140系列，其通信模塊均為NOE 77101 V5.30，存在嚴重的信息安全隱患。

2.2 關鍵備件停產

由于水處理系統運行時間較長，控制系統所使用的軟、硬件產品中，惠普服務器（HP DL380）本身硬件老化，服務器中預裝的操作系統2003 Server、操作員站中的XP 操作系統以及iFix 軟件等均已經更新換代多個版本，部分系統PLC 的CPU、NOE、CHS 以及對應的編程軟件Concept 等已退出市場，維護備件匱乏，難以采購，且費用較高。

2.3 服務器負荷率高

該系統服務器目前實時數據庫為17000多點，同時與12套水系統中PLC 系統進行通信，導致目前服務器系統負荷過重，可能存在宕機風險。

2.4 整個系統通訊負荷率高

目前，該系統已經接入12套PLC 系統，實時數據庫17000多點，整個數據庫掃描時間為1s，整個系統通訊負荷率高，若今后再有新系統接入，勢必還要增加節點通訊負荷率，在通訊惡劣的情況下，該通訊負荷率可超過達到極限程度，威脅通訊安全，導致整個系統崩潰的可能。

2.5 歷史庫保存時間短

隨著水系統輔控網不斷有系統接入，數據庫不斷增大，系統設計的歷史數據存儲在服務器中，硬盤容量小，歷史數據存儲空間分配小，故歷史數據保存精度不高，或歷史數據保存時間不夠長，過一段時間就要進行歷史數據清理。對于運行中的缺陷處理以及異常分析不能提供有效的歷史數據支撐。

2.6 服務器電源裝置老化

服務器從采購至投運至今已有15年，其電源裝置使用年限過長，部分電源裝置出現風扇疲勞損壞、輸出電壓低于24VDC 等故障情況，且原電源設計為非密封電源裝置，灰塵對其壽命的影響較大，同時服務器始終處于高負荷運行狀態，系統易發生故障，威脅服務器供電安全。

2.7 以太網通訊報警頻發

部分通訊設備性能下降較嚴重，通訊報警頻繁發生，無法徹底排除，威脅通訊安全。

2.8 修改邏輯風險大

在目前大力倡導生產安全的形勢下，增加或改進設備是非常正常的現象，但由此帶來必要的邏輯修改與完善卻非常麻煩。由于施耐德PLC 的設計理念落后，若添加或修改一段邏輯，甚至增加一個測點，都需要對CPU 進行下裝操作。而此操作必將造成CPU重啟，影響在投設備正常工作。當前辦法是在下裝邏輯前，由工作人員到達現場，將所有設備達到就地手動。該方法弊端一是容易遺漏設備；二是工作效率非常低下；三是容易發生誤操作，安全風險非常大。

基于以上八方面的主要原因，對該電廠水處理控制系統進行改造升級是非常迫切且很有必要的。

3 水處理控制系統升級改造的技術路線及方案的確定

3.1 改造原則

化學水處理控制系統升級改造主要是圍繞運行控制、和設備維護進行。概括起來，主要有以下幾點：運行人員集中管理，設備工況隨時追蹤；操作響應迅速有效，控制系統穩定可靠；人員培訓隨時進行，邏輯修改簡單方便；設備種類精簡通用，備品備件持續供應。

新的控制系統模件種類越少越好，最佳模式是可以利用主機的模件進行維護，降低維護成本。

3.2 化學水處理控制系統改造升級的目標

化學水處理運行人員集中起來，實現同機爐主系統的運行人員一樣，對現場設備進行快速精準控制。輔控的熱工人員同主控的熱工人員一樣，通過完善的技能培訓，掌握控制系統維護的技能。

3.3 化學水處理控制系統改造升級的方案確定

鑒于目前國家對電力安全生產的高度重視，應考慮市場上主流DCS 控制系統。國產非主流DCS控制系統，在未來完全有可能在其產品未到使用壽命周期，公司本身就已經被市場淘汰了，談不上其產品的后期技術服務；其次這些DCS 沒有得到市場的充分驗證（至少時間、行業、過程應用等方面）。相比而言，國產主流DCS 控制系統，無論是在可靠性方面還是技術支持方面，在可預見的將來，是不存在任何問題。

通過調研該電廠所屬集團近幾年內投產的多臺次機組，主、輔控制系統全部采用的是由國能智深公司生產的國產EDPF-NT+系統。該電廠兩臺1000MW 超超臨界發電機組控制系統采用的也是國能智深公司的國產EDPF-NT+系統。該系統是國能智深公司通過多年的科技研發后生產的先進國產DCS 控制系統。該系統是基于最新計算機嵌入系統技術和現場總線技術的分布式控制系統，能夠滿足電廠單元機組主機、公用系統設備的監控、操作、報警、聯鎖、邏輯保護等各項功能的需求。該控制系統主要設備包括：

一是人機接口設備，主要采用國產控制主機，包括有系統工程師站、操作員站、歷史數據站、數據發送OPC 站、大屏顯示器等，所使用的軟件為國能智深自主開發的EDPF-NT+PLUS 應用軟件，以及一些基礎的三方支撐工具軟件，軟件擁有可進一步拓展開發的設計，可以較好地兼容其他控制軟件實現數據交換等功能。人機接口設備主要實現運行人員對發電機組設備監控操作、系統工程師對控制系統進行運行維護，以及歷史數據記錄和對外實時數據的傳輸等功能。

二是主網絡層設備，主要包括冗余配置的交換機組合分布式處理控制單元（DUP）。主交換機使用的是國產高性能交換機，采用工業以太網冗余配置（圖1），通信速率10/100Mbps 自適應，可以快速構建起安全的星形或環形結構的高速冗余系統主網絡，完全滿足大型發電機組數據交換量大的要求。系統內部控制網絡通過交換機接口模塊實現控制系統內所有分布式處理控制單元（DUP）和主交換機之間的連接以及數據、控制指令的傳輸，速率經測試能夠達到1.5Mbps 以上，滿足控制系統指令、數據刷新速率的要求。

圖1 冗余全網狀互聯

分布式處理單元（DPU）是系統的最基本的也是最主要的控制設備。其中，主處理器采用的是嵌入式設計的低功耗高性能計算機芯片，能夠將網絡數據通信、數據分析處理、連續指令控制、順序控制和批量處理等所有功能有機地結合起來，是較為穩定、可靠的主控制器。DUP 向上與系統網絡進行連接，向下掛接下層機柜內I/O 卡件，實現設備的控制以及數據的采集等功能。

三是下層控制設備，包括控制機柜、電源模塊、I/O 接口控制模塊等設備。主要功能為控制指令輸出、數據采集等，實現DCS 控制系統與控制設備之間的系統連接。

完成系統改造調研收資工作后，經組織相關專家進行改造可行性研究并充分論證，一致認為國能智深公司的國產EDPF-NT+系統經過大量火力發電機組項目應用，設計規范、設備可靠、備品備件充足、DCS 廠家培訓體系完備、技術支持穩定，能夠有效滿足水處理控制系統改造的要求，故決定該廠化學水處理控制系統改造采用國能智深EDPF-NT+系統。

4 水處理控制系統DCS 改造的實施

一是在西區泵房上加蓋一層集控樓，包括集中控制室、DCS 機房、DCS 工程師站，及其配套的化學化驗室、運行休息室等用處。由于西區泵房沒牢固的地基，加蓋集控室前，根據工業建筑標準做好必要的地基。二是化水集中控制室與各電子間之間的采用遠程柜信息傳輸的方式。其中，重要的DCS網絡柜、重要的機柜放在化水集控樓，遠程柜安置在各電子間，采用光纜作為二者之間傳輸媒介。三是將施耐德PLC 全部更新為國能智深公司EDPFNT+系統。四是利用機組檢修計劃，分批實施，將不同子控制系統逐步加入化學水處理控制系統的主網中來。五是增加部分數字視頻監視，淘汰落后的模擬量攝像頭，提高現場設備監控圖像的質量，拓寬視頻監控的區域。

改造后，化學制水自動控制系統功能完善，滿足機組用水需求，目前接入的子系統包括四期預處理、七期預處理、四五期化水、六七期化水、#13機組精處理、#14機組精處理；泥水系統、工業廢水系統、尿素制氨系統、六期精處理、氫站、循環水加藥系統等。改造后DCS 系統實際硬件設備配置情況如下：

一是由于分系統較多，分布面廣，整個控制系統配置上位機站21臺，其中運行人員使用的操作員共18臺，另外4臺兼作大屏幕站；工程師站內設置有1臺工程師站、兩臺歷史站供系統維護人員使用。二是系統配置分布式處理單元（DPU）共22對，下層接入硬件設備所有I/O 點共計11388個。三是系統配置主干網網絡交換機總共14臺，網絡柜安裝在工程師站內，所有分系統通過光纖與主干網進行連接，主網絡為星形、冗余結構。

改造完成后對DCS 系統進行了全面檢查，系統各項功能完備，工作穩定可靠，主要指標如下：主干網網絡負荷率＜10%；單個節點最大網絡負荷率＜3%；畫面操作響應周期≤1s，畫面數據刷新周期＜1s；SOE 數據采集周期＜1ms；實時數據控制周期≤50ms；DPU 無擾切換正常，控制器滿足無擾在線下裝要求；控制器電源冗余試驗正常。

5 結語

全廠化學水處理控制系統DCS 改造后，化學水處理控制系統的安全穩定性得到了提高，為全廠機組供水的安全提供了可靠保證，達到了系統升級改造的目的。