輸煤系統(tǒng)在線運(yùn)行DCS改造及其在智慧燃料中的應(yīng)用

盧曉晨，汪 鋒，王振濤，段發(fā)銀，侯建國

（1.華能山東發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.華能德州電廠，山東 德州 253004）

0 引言

智慧燃料系統(tǒng)的設(shè)想是基于火電廠燃料系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀，在智慧城市、智慧電廠概念提出的大背景下，綜合考慮國家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、煤炭市場發(fā)展和企業(yè)鞏固基礎(chǔ)火電產(chǎn)業(yè)定位提出的。智慧燃料系統(tǒng)的范圍涵蓋電量計(jì)劃與煤炭采購聯(lián)動，來煤接卸、摻配與上煤的自動控制和智慧管理，其核心技術(shù)是在煤炭存放過程中完成智慧摻配，從而實(shí)現(xiàn)降低入爐煤單價(jià)、提升燃料管理水平、增強(qiáng)火電主業(yè)競爭力［1-4］。

某電廠輸煤程控系統(tǒng)2001 年投產(chǎn)使用，采用美國某公司可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)，近20 年的運(yùn)行使控制系統(tǒng)處于故障易發(fā)的超期服役狀態(tài)，為保證輸煤系統(tǒng)的平穩(wěn)高效運(yùn)行、推進(jìn)智慧燃料項(xiàng)目的實(shí)施，需要將原PLC 控制系統(tǒng)改造為分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）。由于輸煤系統(tǒng)屬于電廠公用系統(tǒng)，其DCS 改造必須在不影響機(jī)組正常運(yùn)行、輸煤皮帶不停運(yùn)的前提下進(jìn)行。目前，系統(tǒng)停運(yùn)的離線DCS 改造技術(shù)方案已比較成熟，但針對燃煤、化水、干灰等公用系統(tǒng)的在線改造技術(shù)方案仍然存在不足［5-11］。以某電廠智慧燃料項(xiàng)目中輸煤系統(tǒng)在線運(yùn)行DCS 改造為例，簡述DCS 在線改造的總體設(shè)計(jì)、具體流程和主要問題。所提出的系統(tǒng)在線運(yùn)行DCS改造方案，可為其他電廠公用系統(tǒng)的DCS 改造提供方案借鑒。

1 輸煤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

該輸煤PLC 控制系統(tǒng)的型號為1785-L80C15型，上位機(jī)系統(tǒng)采用iFix3.5。系統(tǒng)由集控室操作員站（Operator Unit，OPU）、電子間PLC 主站、10 號皮帶遠(yuǎn)程I/O 站、筒倉遠(yuǎn)程I/O 站和2 號轉(zhuǎn)運(yùn)站組成；輸入、輸出回路均采用交流220 V 中間繼電器進(jìn)行隔離，通過ControlNet 搭建通信網(wǎng)絡(luò)；控制DO 指令由系統(tǒng)PLC 主站發(fā)出至輸煤設(shè)備的機(jī)電控制中心（Motor Control Center，MCC），輸煤設(shè)備反饋DI 信號至I/O 站，輸煤設(shè)備信號、拉繩信號、速度信號、跑偏信號等直接接入I/O 站DI 卡件。PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。

圖1 輸煤PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structural principle of coal transport PLC system

DCS 改造后，采用了上海某公司的OC6000e 控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的全冗余設(shè)計(jì)可有效提高輸煤系統(tǒng)的控制性能，從而提高輸煤系統(tǒng)的可靠性。控制系統(tǒng)的控制器均采用雙冗余配置，可同時(shí)保證電源供電冗余、內(nèi)部直流模塊冗余、機(jī)組數(shù)據(jù)高速通道（Unit Data Highway，UDH）網(wǎng)絡(luò)冗余和I/O 接口冗余。控制系統(tǒng)采用對等的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2 所示，所有控制器節(jié)點(diǎn)和人機(jī)接口站直接接入U(xiǎn)DH 網(wǎng)絡(luò)并共享系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

圖2 OC6000e DCS控制器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network structure of OC6000e DCS controller

為保證輸煤系統(tǒng)供電的絕對可靠性，改造后的DCS 采用雙路交流供電，外加一路容量為16 kVA 的直流不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）作為備用電源。兩路主電源一路采用400A 段380 V交流供電，另一路采用400B 段220 V 交流供電，備用電源采用蓄電池110 V 直流供電。在電源切換方面，本次改造采用了無切換時(shí)間的AC/DC、DC/AC 雙變換技術(shù)，逆變器在逆變與旁路的切換時(shí)間小于1 ms；采用了可靠穩(wěn)定的靜態(tài)旁路功能，真正實(shí)現(xiàn)DCS 不間斷電源的目標(biāo)，保證DCS 安全穩(wěn)定運(yùn)行。

改造后的DCS 共配置五對分布式處理單元（Distributed Processing Unit，DPU），其中集控室電子間配置主站兩對冗余DPU，10 號皮帶遠(yuǎn)程站、筒倉遠(yuǎn)程站分別設(shè)置一對冗余DPU，2 號轉(zhuǎn)運(yùn)站配置虛擬Modbus 通信DPU。控制器的分散配置將整個(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng)，從而分散控制風(fēng)險(xiǎn)。除DPU的分散配置外，改造后的DCS 還利用人機(jī)交互（Human Machine Interface，HMI）類型的不同，分散部署控制功能。設(shè)置一個(gè)工程師站，具備工程師權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)軟件組態(tài)、畫面編輯等功能；設(shè)置兩個(gè)操作員站，具備操作員權(quán)限，可操控、顯示系統(tǒng)所有設(shè)備，其中一個(gè)操作員站配置語音報(bào)警，另一個(gè)配置兩路用于對象鏈接與嵌入的過程控制（Object Linking and Embedding for Process Control，OPC）的服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)與廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（Supervisory Information System for Plant Level，SIS）、智慧燃料系統(tǒng)的OPC 通信；設(shè)置一個(gè)歷史站，負(fù)責(zé)收集輸煤系統(tǒng)歷史記憶文件，實(shí)現(xiàn)追憶功能。基于不同HMI 類型的控制功能的分散部署，從系統(tǒng)功能層面進(jìn)一步分散控制風(fēng)險(xiǎn)、保證輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。綜上，DCS 的主、遠(yuǎn)程站設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 DCS主站與遠(yuǎn)程站網(wǎng)絡(luò)配置Fig.3 Network configuration of DCS main station and remote station

2 改造實(shí)施方案

2.1 總體方案

本次改造的輸煤系統(tǒng)摻配煤任務(wù)重、機(jī)組負(fù)荷高，其安全平穩(wěn)運(yùn)行對電廠安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)具有重要意義［12-14］。為避免輸煤系統(tǒng)改造對電廠正常生產(chǎn)運(yùn)行的影響，工作人員創(chuàng)新性地采用了系統(tǒng)在線運(yùn)行（不停運(yùn)）的DCS 改造技術(shù)。在DCS 改造期間，只允許輸煤系統(tǒng)單設(shè)備短期內(nèi)退出運(yùn)行，不允許單設(shè)備長期停運(yùn)或存在雙設(shè)備停運(yùn)間隙，從而控制DCS 改造給系統(tǒng)運(yùn)行造成的擾動最小化。總體設(shè)計(jì)方案概述如下：將DCS 安裝就位以后，以一臺套輸煤設(shè)備為單位，逐個(gè)接入原PLC 系統(tǒng)和就地設(shè)備之間，DCS 與PLC 系統(tǒng)的信號交換通過敷設(shè)臨時(shí)電纜的硬回路實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在DCS 中進(jìn)行編程以完善邏輯軟回路；在系統(tǒng)不停運(yùn)調(diào)試期間，DCS 作為PLC 系統(tǒng)的執(zhí)行單元，接受PLC 系統(tǒng)的控制指令以實(shí)現(xiàn)對就地輸煤設(shè)備的單體控制，保證調(diào)試期間輸煤程控系統(tǒng)的安全運(yùn)行。系統(tǒng)在線運(yùn)行的DCS 改造方案原理見圖4。

圖4 改造接線方案原理Fig.4 Principle of the wiring scheme for the transformation

2.2 接線施工方案

按照總體改造方案，綜合考慮系統(tǒng)不能停運(yùn)的要求、改造成本與施工安全等因素，DCS 的I/O 信號需要與就地設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成回路，且原PLC 機(jī)柜的線路拆除、電纜的重新敷設(shè)與常規(guī)DCS 改造接線施工方案均有不同。本次改造的接線施工方案創(chuàng)新性地保持原PLC 機(jī)柜中的各個(gè)信號接線位置不變，而將原單層端子排更換為雙層端子排，以便使就地信號能夠分別接入PLC 系統(tǒng)或DCS。此外，改造中接線施工采用的逐個(gè)信號芯線接線的工藝，也較大程度上降低了接線錯(cuò)誤的概率，提升了改造過程的容錯(cuò)率。在改造接線施工過程中，首先將DCS 一側(cè)的線纜全部接好，再根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的需求，按照是否具備改造接線條件的原則，逐個(gè)芯線、逐臺設(shè)備地進(jìn)行過渡接線并調(diào)試改造，改造接線施工原理見圖5。考慮到感應(yīng)電的問題，在機(jī)柜的安裝過程中需要隔開機(jī)柜接地線、信號接地線與屏蔽接地線，三者需要在柜內(nèi)統(tǒng)一匯至接地母排。DCS 機(jī)柜內(nèi)的過渡電纜統(tǒng)一接至接地母排后，再通過單根線統(tǒng)一接至系統(tǒng)接地點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地要求。需要注意的是，在改造過程中要保證PLC 系統(tǒng)的控制優(yōu)先級高于DCS，從而保證單體設(shè)備DCS 改造期間PLC 系統(tǒng)對流程內(nèi)其他未改造設(shè)備的控制可靠性。

圖5 改造接線施工原理Fig.5 Principle of the wiring construction for the transformation

單體設(shè)備的DCS 改造完成后，需要將已經(jīng)接入DCS 的單體設(shè)備串聯(lián)進(jìn)原PLC 系統(tǒng)的控制流程中，以驗(yàn)證該設(shè)備的功能正確性，同時(shí)保證控制指令可在輸煤系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下由PLC 系統(tǒng)經(jīng)DCS下發(fā)給就地設(shè)備。本次改造工作量大，輸煤系統(tǒng)需要改造的設(shè)備共計(jì)208 臺。輸煤系統(tǒng)中的所有設(shè)備均按照上述調(diào)試措施逐臺進(jìn)行過渡調(diào)試，直至全部設(shè)備均通過驗(yàn)證。

2.3 程序邏輯設(shè)計(jì)方案

通過接線將控制系統(tǒng)信號由PLC 系統(tǒng)過渡至DCS 后，搭建新的控制程序邏輯回路，完善DCS 控制的頂層畫面，并驗(yàn)證所搭建控制功能的邏輯正確性。單臺設(shè)備的DCS 改造在OC6000e 的總控軟件中進(jìn)行。首先在組態(tài)軟件中搭建邏輯組態(tài)；然后將設(shè)備的實(shí)時(shí)反饋信號接入Device 功能塊，并輸出設(shè)備的啟停信號；最后設(shè)置相關(guān)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)邏輯層面上DCS 對單體設(shè)備的控制。組態(tài)搭建完成后，設(shè)計(jì)控制頂層HMI 界面，實(shí)現(xiàn)DCS 中單體設(shè)備的啟停控制及狀態(tài)顯示、報(bào)警保護(hù)等功能［15-17］。單體設(shè)備的DCS 改造通過關(guān)閉功能塊及強(qiáng)制賦值的方式驗(yàn)證組態(tài)搭建及界面設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確有效。改造程序邏輯設(shè)計(jì)原理見圖6。

圖6 改造程序邏輯設(shè)計(jì)原理Fig.6 The design principle of the logic of the transformation program

為實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)經(jīng)DCS 對流程內(nèi)設(shè)備的控制，在Device 控制塊中設(shè)置連鎖啟停端口，用于PLC 系統(tǒng)對DCS 啟停指令的接入。該端口是系統(tǒng)改造的關(guān)鍵接入點(diǎn)，其設(shè)置既能保證DCS 控制正確實(shí)現(xiàn)，也能保證PLC 控制的優(yōu)先級，降低DCS 在線改造期間控制系統(tǒng)的擾動，有利于系統(tǒng)改造的平穩(wěn)過渡。同時(shí)，為了避免設(shè)備過渡期間的誤動、誤操作現(xiàn)象，在單體設(shè)備的Device 控制塊指令出口側(cè)增加And 功能塊，只有同時(shí)接收到PLC 系統(tǒng)與DCS 的啟停指令后，才能下發(fā)控制指令至現(xiàn)場設(shè)備。該功能塊的設(shè)置保證了設(shè)備控制指令流向的單一性，有效提高了設(shè)備過渡期間輸煤系統(tǒng)的安全性。另外，結(jié)合現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際控制需要，Device 功能塊還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的啟動允許條件、跳閘首出、電流顯示和報(bào)警等功能。

2.4 在線DCS改造流程控制過渡調(diào)試

輸煤系統(tǒng)中所有參與流程順控的設(shè)備均過渡到DCS 內(nèi)且相關(guān)HMI 界面已按要求設(shè)計(jì)完成后，需要對輸煤系統(tǒng)的DCS 流程控制進(jìn)行調(diào)試。

流程控制的改造調(diào)試與單體設(shè)備相同，遵循先搭建邏輯組態(tài)再進(jìn)行調(diào)試的思路。輸煤系統(tǒng)的流程控制總共分為九組，每一組流程都要先在組態(tài)軟件中進(jìn)行流程邏輯組態(tài)的搭建，然后再分步實(shí)施流程控制的調(diào)試。每調(diào)試完畢一條流程，此流程的運(yùn)行控制就完全移交至DCS，由DCS 中的軟件閉鎖PLC系統(tǒng)對此流程的控制。本次改造的輸煤系統(tǒng)包含九組路徑共93 條流程，按流程進(jìn)行調(diào)試，DCS 逐步獲得對系統(tǒng)流程控制的權(quán)限，調(diào)試完成后原PLC 系統(tǒng)對流程的控制權(quán)限被全部閉鎖。

經(jīng)過DCS 改造后，輸煤系統(tǒng)整體的操作流程和路徑選擇更加多樣，在流程控制頁面中通過豐富流程選擇與路徑判斷環(huán)節(jié)可提高運(yùn)行人員工作的直觀性與靈活性。以圖7 所示的改造后的葉輪給煤機(jī)至煤場的路徑選擇頁面為例進(jìn)行說明。甲、乙兩套葉輪給煤機(jī)可相互協(xié)作，當(dāng)輸煤系統(tǒng)輸煤量大于機(jī)組實(shí)際需要或保熱供電期間等情況下有儲煤要求時(shí)，操作員可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)在DCS 控制畫面中選擇合適的輸煤路徑。例如，當(dāng)輸煤系統(tǒng)中甲葉輪機(jī)和乙斗輪機(jī)同時(shí)故障或檢修時(shí)，可選擇圖7 中紅色的輸煤路徑。

圖7 DCS改造后的路徑選擇界面Fig.7 Path selection interface after DCS transformation

然而，選擇、判斷等多種可變因素的加入也會使過渡調(diào)試環(huán)節(jié)中的邏輯判斷程序更為復(fù)雜。為厘清各控制流程中控制對象與被控對象之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確流程選擇控制，本次改造共編輯程序邏輯700 多頁。原PLC 系統(tǒng)的控制、顯示、報(bào)警等功能已全部在DCS 中實(shí)現(xiàn)，原PLC 系統(tǒng)具備退出實(shí)際運(yùn)行的條件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)不停運(yùn)前提下的DCS 在線升級改造目標(biāo)。

3 基于DCS的智慧燃料應(yīng)用

火電廠的發(fā)電成本主要是燃料消耗，近年來隨著煤炭成本的上漲以及“雙碳”目標(biāo)的提出，智慧燃料的概念已得到廣泛關(guān)注［18］。智慧燃料通過對來煤接卸、摻配上煤等環(huán)節(jié)的自動控制和智慧管理，可提升燃料管理水平、降低入爐標(biāo)煤單價(jià)，進(jìn)而增強(qiáng)火力發(fā)電廠的競爭力。完成DCS 改造后，輸煤系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳，從而為智慧燃料的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

為實(shí)現(xiàn)智慧燃料的應(yīng)用，首先在輸煤系統(tǒng)中建立智慧燃料智能數(shù)字化服務(wù)器平臺（以下簡稱智慧燃料工作站），由操作員站通過OPC 通信將DCS 中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至智慧燃料工作站；然后由智能平臺通過服務(wù)器進(jìn)行來煤管理、存煤策略、摻配算法等應(yīng)用算法開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)存煤時(shí)間最短、上煤路徑最優(yōu)、摻配效果最好的目標(biāo)，達(dá)到燃煤效益最大化的目的［19-20］；最后，所開發(fā)應(yīng)用的計(jì)算結(jié)果和建議方案可通過局域網(wǎng)在前端進(jìn)行網(wǎng)頁發(fā)布、web 瀏覽，并通過智慧大屏展示三維可視化數(shù)字煤場等智慧燃料的升級應(yīng)用。基于DCS 的智慧燃料應(yīng)用如圖8 所示。

圖8 基于DCS的智慧燃料應(yīng)用Fig.8 Smart fuel application based on DCS

智慧燃料工作站所需要的數(shù)據(jù)包括輸煤設(shè)備信息、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息等生產(chǎn)過程信息，以及皮帶秤稱重量瞬時(shí)值、年度累計(jì)值、分班分倉分爐上煤量等基礎(chǔ)信息，另外還有機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)、數(shù)字化煤場信息、自動發(fā)電控制負(fù)荷指標(biāo)等信息。其實(shí)現(xiàn)的功能主要包括智慧來煤卸載、智慧煤場管理和智慧摻配上煤三個(gè)方面。

3.1 智慧來煤卸載

該應(yīng)用的主要目的是提升輸煤系統(tǒng)來煤接卸的自動化管理水平，對運(yùn)煤車輛（火車、汽車）信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括發(fā)運(yùn)時(shí)間、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間、發(fā)運(yùn)煤種、發(fā)運(yùn)供應(yīng)商、發(fā)運(yùn)量等；在卸煤環(huán)節(jié)，通過對撥車機(jī)、翻車機(jī)的智慧控制降低卸煤過程的電能損耗［21］；在煤質(zhì)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)，通過控制采樣機(jī)器人、無人駕駛小車和智能傳感器對來煤進(jìn)行自動取樣，降低現(xiàn)場運(yùn)行人員的工作量。

3.2 智慧煤場管理

智慧煤場管理是以實(shí)時(shí)掌握煤場信息為目標(biāo)，通過視頻特征識別、大數(shù)據(jù)管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對全部煤場的分區(qū)管理以及對存煤的量、質(zhì)、價(jià)等信息的實(shí)時(shí)盤點(diǎn)，以便為后續(xù)燃煤采購和配煤摻燒提供數(shù)據(jù)支撐。另外，在智慧煤場管理中可將煤場的三維可視化數(shù)字模型展示在工作人員的電腦中，以便降低煤場中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 智慧摻配上煤

智慧摻配上煤是智慧燃料應(yīng)用中最重要的環(huán)節(jié)，其決策模型將直接決定火電廠的入爐標(biāo)煤單價(jià)。在該環(huán)節(jié)中通過對歷史大數(shù)據(jù)的分析，提取歷史燃燒過程中表現(xiàn)較好的記錄，并結(jié)合當(dāng)前鍋爐的燃燒狀態(tài)和煤場存煤情況，自動定制出入爐標(biāo)煤單價(jià)最低的摻配上煤方案。另外，該環(huán)節(jié)可將當(dāng)前燃燒效果與目標(biāo)燃燒效果進(jìn)行自動比較，不斷優(yōu)化摻配上煤的決策模型。

4 結(jié)束語

針對某電廠輸煤系統(tǒng)PLC 改DCS 的實(shí)際需求以及該廠生產(chǎn)運(yùn)行不能停運(yùn)的實(shí)際情況，創(chuàng)新性地將DCS 加入原PLC 控制回路，利用雙層端子排改進(jìn)接線的方式搭建DCS 至PLC 系統(tǒng)的硬接線信號環(huán)路，實(shí)現(xiàn)了輸煤PLC 控制系統(tǒng)的不停運(yùn)在線升級改造；另外，利用DCS 數(shù)據(jù)和智慧燃料智能平臺改善了輸煤系統(tǒng)的管理水平。所采用的改造方案一方面解決了原PLC 系統(tǒng)中卡件老化、感應(yīng)電高、UPS 電源配置困難等疑難問題，另一方面在系統(tǒng)不停運(yùn)的嚴(yán)苛條件下將DCS 成功接入到智慧燃料系統(tǒng)中，可為電廠公用燃煤、化水、干灰等系統(tǒng)的升級改造，以及智慧燃料、智慧電廠項(xiàng)目建設(shè)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。