maxDNA大型分散控制系統在9F雙軸燃氣-蒸汽聯合循環機組中的應用

劉 舟 陳子靜

（南京國電南自維美德控制系統有限公司，江蘇南京 210000）

0 引言

近年來，隨著國家能源結構的調整以及對節能環保的進一步重視，燃煤火電機組的投建工作已受到明顯制約，而燃氣-蒸汽聯合循環機組憑借效率高、啟動快、環境污染小、調峰性能好等優點，正逐漸成為未來電力行業發展的一個主要方向。多年的國內外應用研究表明，燃氣-蒸汽聯合循環機組技術已趨于成熟，其中F級聯合循環機組整體效率可達58%～60%，而兼顧發電和供熱的機組，其熱效率可達到88%以上。

燃氣-蒸汽聯合循環機組由燃氣輪機與余熱鍋爐、蒸汽輪機共同構成，燃氣輪機做功后排出的高溫煙氣進入余熱鍋爐將給水加熱成蒸汽，再將蒸汽注入蒸汽輪機。由于燃氣輪機核心部件加工條件極其苛刻以及核心技術依舊由國外幾大公司掌握，國內燃氣-蒸汽聯合循環機組的主要設備還需從國外進口，其控制系統及控制策略也都由國外提供，因此研發具有自主知識產權的分散控制系統并實現其在9F級重型燃氣-蒸汽聯合循環機組中的成功應用，對于打破國外技術壟斷，提高我國電力自動化水平具有長遠意義。

石家莊2×9F燃氣-蒸汽聯合循環機組燃氣輪機采用西門子9F型燃機，型號為SGT5-4000F，型式為單軸、重型（工業型），額定出力為311.95 MW，控制系統采用西門子T3000系統；余熱鍋爐由東方菱日鍋爐有限公司生產，型式為臥式、三壓、無補燃；蒸汽輪機由東方電氣股份有限公司生產，型號為LN145-11.7/563/563，型式為沖動式、三壓、再熱、雙缸、帶3S離合器、下排汽、抽凝供熱，額定出力為144 MW；DCS及DEH控制系統均采用國電南自維美德自動化有限公司自主研發的maxDNA大型分散控制系統。

maxDNA是一套由國電南自維美德自動化有限公司自主研發的大型分散控制系統，目前已成功實現在華電石家莊2×9F燃氣-蒸汽聯合循環機組中DCS和DEH一體化應用，運行安全可靠，操作方便快捷。

1 maxDNA控制系統

1.1 maxDNA控制系統概述及其技術特點

maxDNA控制系統源自美國利諾公司，其產品歷經4代，分別為MAX1、MAX1000、MAX100+以及maxDNA，是20世紀電力部電廠控制系統準入八大系統之一，maxDNA控制系統經過90多年的技術研究和工程累積，目前已為全球1 000多個工廠提供了可靠、高效的服務，并取得了眾多成功業績。maxDNA系統架構由底層I/O、控制器層、外部連接（第三方通信）、操作員接口層、信息管理層及工廠管理層組成，是一套成熟可靠的分散控制系統。

1.2 maxDNA系統硬件部分

maxDNA控制系統提供了高可靠性的DPU，DPU安裝在Linux操作系統下，采用工業嵌入式應用處理器——Intel Atom控制處理器，主頻為1 GHz，是maxDNA控制系統的硬件處理引擎，可完成模擬控制、順序控制和數據采集，具有優異的數據處理能力及穩定性。另外，在控制器內通信處理器和運算處理器是相互獨立的，從而保證了通信及數據處理的實時性和可靠性。同時DPU內有多速處理系統，可允許采用三種不同時間等級，最快掃描周期可達10 ms。maxDNA控制系統同時還提供了種類眾多的高可靠性I/O模件，主要包括模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、熱電阻輸入模塊RTD、熱電偶輸入模塊TC、開關量輸入模塊DI、開關量輸出模塊DO、脈沖輸入模塊PI、I/O總線擴展模塊、串口通信模塊、現場總線接口模塊等。

1.3 maxDNA系統軟件部分

maxDNA控制系統采用Windows操作系統，界面直觀，操作方便，可支持Win XP、Win7及Win10操作系統。maxDNA控制系統離線組態軟件采用maxDPUTools，其提供了表格式和圖形化兩種組態方式，并可根據現場實際情況通過基本功能塊組合或腳本自定義生成新的功能塊，擴展能力強，并支持增量在線下裝和離線全局下裝組態。在線組態修改軟件maxVUE可在線修改邏輯，即時生效，為系統的調試和維護帶來了極大的便利，maxVUE軟件同時還是簡單易學的畫面工具，具有豐富的控件，足以滿足現場所需的各種要求，并提供強大的腳本支持，以滿足用戶各種特殊需求。maxVUE Runtime軟件作為工業控制過程畫面監視工具，提供了報警信息查詢、事件記錄、報表生成及打印、強制點查詢等諸多方便實用的功能。

1.4 maxDNA系統網絡架構

maxDNA控制系統網絡架構主要由現場控制單元、通信網絡maxNET以及人機界面maxSTATION組成。maxDNA的現場控制單元主要由maxDPU和maxPAC I/O模塊組成，現場控制系統內的控制器、電源以及網絡均采用冗余配置，完全滿足電廠控制要求，I/O總線擴展模塊BEM可通過光纜連接本地I/O柜和遠程I/O柜，最遠傳輸距離可達2 000 m。maxNET采用可靠的交換式快速以太網標準，主干網支持全雙工工作方式，可有效提高通信速度和帶寬，交換機支持多路同時通信，任一時刻，由通信活動和指令來指定通信路徑，均可同時完成雙向的和各站間通信，并且不會產生沖突。

2 石家莊9F級燃氣-蒸汽聯合循環機組DCS設計

2.1 石家莊9F級燃氣-蒸汽聯合循環機組DCS系統簡介

華電石家莊熱電廠DCS控制系統包括單元機組和公用系統，單元機組按系統劃分可分為鍋爐系統、汽機系統及電氣系統；公用系統按系統劃分可分為公用電氣系統、公用熱控系統及輔網系統，其中公用熱控系統主要由熱網系統、壓縮空氣、調壓站、增壓機及制冷站等部分組成，輔網系統按分系統劃分又可劃分為化學水、工業廢水、生活污水、循環水加藥及尿素區。

石家莊2×9F燃氣-蒸汽聯合循環機組DCS設計內容主要包括硬件和軟件兩個部分：（1）硬件設計主要為根據現場電纜清冊、現場橋架布置、系統劃分及現場要求對I/O清冊及DPU進行分配，對控制柜I/O模塊進行選型及分配，并設計生產控制柜，設計接地電纜、電源電纜及網絡電纜清冊；（2）軟件部分主要為根據現場要求采購并配置工作站，搭建現場DCS網絡平臺，完成監控畫面編輯、邏輯組態等工作。

2.2 DPU分配及機柜設計

根據現場電纜清冊、系統劃分及現場要求，單元機組共設計14對DPU、21面I/O控制柜、1面繼電器柜、1面電源柜及1面網絡柜。其中鍋爐系統共設計4對DPU、7面I/O控制柜；汽機系統共設計7對DPU、10面I/O控制柜，其中1對DPU專門用于APS；電氣系統共設計3對DPU、4面I/O控制柜、1面繼電器柜。單元機柜均布置在單元電子間。

公用系統共設計9對DPU、15面I/O控制柜、1面繼電器柜、2面電源柜及2面網絡柜。其中公用電氣系統共設計2對DPU、2面I/O控制柜、1面繼電器柜；熱網系統、壓縮空氣、調壓站及制冷站共設計2對DPU、4面I/O控制柜，其中調壓站大部分測點通過第三方通信接入DCS系統；化水系統共設計2對DPU、4面I/O控制柜；工業廢水及生活污水共設計1對DPU、3面I/O控制柜，生活廢水通過I/O總線擴展模塊BEM連接至工業廢水系統；尿素區共設計1對DPU、1面I/O控制柜；循環水加藥共設計1對DPU、1面I/O控制柜。公用電氣系統及公用熱控系統控制柜均布置在單元電子間，化學水、工業廢水、生活污水、循環水加藥及尿素區系統控制柜分布在各個分系統就地電子間。

2.3 I/O模件選型及分配

現場控制信號類型可分為模擬量輸入模塊AI、模擬量輸出模塊AO、熱電偶輸入模塊TC、熱電阻輸入模塊RTD、開關量輸入模塊DI、開關量輸出模塊DO、脈沖輸入模塊PI、事件順序記錄信號SOE以及I/O總線擴展模塊BEM。石家莊DCS側設計測點如表1所示，單元系統的模件數量統計如表2所示。單元系統測點總數為4 280，公用系統測點總數為3 047，考慮到系統的安全性、可靠性及經濟性，在模件設計時，模擬量在現有測點的基礎上增加25%的冗余度，開關量在現有測點的基礎上增加20%的冗余度。

2.4 工作站配置

每套單元機組共配置7臺工作站及3臺打印機，在集控室設置3臺操作員站及2臺打印機，在工程師站間設置1臺工程師站、1臺高性能歷史站、1臺與SIS通信的OPC站、1臺LINK站以及1臺打印機，LINK站用于與大屏LED及電氣PLC進行通信。

公用系統共配置8臺工作站及2臺打印機，在集控室設置2臺操作員站及1臺打印機，在工程師站間設置1臺工程師站、1臺高性能歷史站、1臺具有LINK站功能的OPC站以及1臺打印機，在化學水、工業廢水以及尿素區各設置1臺操作員站，公用系統OPC站除與SIS通信外，還與電氣PLC、調壓站及增壓機進行485通信。

2.5 系統網絡架構設計

MaxNet 通信網絡將每臺機組的分散控制單元（DPU）、MaxLINKS接口機、工程師站、歷史站、操作員站、大屏幕系統及公用系統的分散控制單元（DPU）、MaxLINKS接口機、工程師站連接在一起，并通過應用服務器與電廠SIS網絡連接，2臺機組網絡之間通過公用系統的一對交換機進行連接。每臺機組通過4對總線擴展模件（BEM）將空壓機遠程、燃油泵房遠程、爐頂遠程、發電機遠程連接到相應的遠程控制單元（RPU）中。系統的整個網絡在硬件底層是連通的，在應用層面上采用特有的域機制，將其劃分為3個不同的域，1單元可以同時訂閱自身域以及公用域的數據，2單元可以同時訂閱自身域以及公用域的數據，公用域可以同時訂閱自身域以及2個單元域的數據。網絡架構如圖1所示。

3 結論

maxDNA大型分散控制系統在華電石家莊2×9F雙軸燃氣-蒸汽聯合循環機組中得到了成功應用，自機組投運以來，maxDNA控制系統運行安全可靠，各項功能完備，各項性能指標突出，獲得了用戶的一致認可。