現場總線技術在數字化電廠DCS控制系統設計中運用分析

國電電力大同發電有限責任公司 常進剛

本火力發電在原有2×600MW 發電機組的基礎上開展了二期機組擴建工程，該工程施工過程中添加了兩臺1000MW 的超臨界燃煤發電機組，并同步開展了脫硫、脫硝體系建設工作。為實現火電廠鍋爐、汽輪機、發電機以及相應熱力系統中各類機械設備的有效管控，火電廠方面以現場總線技術為基礎，構建了數字化、現代化的DCS 控制系統，切實提高了相應設備管控水平，降低了相應工作人員開展運維檢修工作的難度。

舉例來說，在一期工程推進過程中，火電廠鍋爐主汽氣溫度自動調節效果較差，往往需要工作人員頻繁進行手動調節操作，這在一定程度上降低了機組運轉的安全性與效率，為切實解決這一問題，工作人員構建了專門的過熱氣溫辨識模型，得到了減溫水流量擾動下的二級減溫控制對象的動態特性數學模型。在分析過程中，鍋爐導前區傳遞函數、惰性區間傳遞函數分別為：G1（x）=-1/(48x+1）4、G2（x）=1/(33x+1）4，其中G1（x）指的是鍋爐導前區傳遞函數，G2（x）指的是惰性區間傳遞函數，x指的是狀態變量。鍋爐狀態空間表達式為：

以上公式中：x指的是狀態變量，y指的是主蒸汽溫度，y1指的是當前溫度，主蒸汽溫度y=x1。在實踐活動中，主蒸汽溫度（y）與前溫度（y1）均可直接測量，其余狀態變量需要利用狀態觀測器間接測量?？紤]到火電廠控制系統運轉過程中主要分析的狀態觀察器數據為動態數據而不是靜態數據，為提高數據處理工作的可靠性，需要結合狀態觀察器輸出的狀態變量開展數據的微分處理工作，以便達到推動控制系統朝著無靜差控制方向推進的目的[1]。在完成控制系統優化工作后，參照火電廠DCS 參數趨勢圖可以了解到，鍋爐的過熱氣溫波動范圍明顯下降，主氣溫能夠控制在規定范圍內。因此可認為以現場總線技術為基礎，優化后的控制系統能夠滿足本火電廠機組升降負荷過程中，熱蒸汽品質控制工作的需要，為機組的安全運行打下了堅實的基礎。

1 現場總線的設計原則

為保證本廠的發電機組能夠持續穩定提供電流，工作人員結合現場總線和數字化發展需求開展了數字化總線設計工作，在此過程中不僅要充分利用常規DCS 系統，還需要盡可能提高系統運行的安全性與可靠性。具體來說，本次工程項目為二期擴建項目，因此在開展現場總線布設工作時，工作人員需要以原有的網絡結構為基礎開展設計施工活動，以便在節約整體施工成本的基礎上實現網絡結構性能的優化升級。

同時，在布設現場總線時，為保證控制系統能夠安全穩定運行，提高電力供應工作的可靠性，工作人員需要將DCS 控制系統融入關鍵的控制系統體系構建工作中，并在其他系統機組布設工作階段安裝現場總線。在此過程中，為避免某類設備發生故障、對其他設備的正常運轉造成不利影響，工作人員可以在同一段網段上，以現場總線技術為基礎實現工藝相關設施的有效連接，使得系統控制功能分散在常規的DCS 系統中。盡管這一控制系統構建過程中存在一定的容量冗余，但系統的分散性管控提高了系統整體運行的可靠性。

2 現場總線控制系統的設計方法

2.1 單元機組硬件部分

在本場火電機組控制系統設計過程中，氣機控制系統、水泵汽輪機控制系統、爐膛火焰電視等系統的配置質量，與電廠發電工作可靠性之間存在著直接的聯系。在本火電廠機組控制系統構建過程中，硬件主要包括控制系統柜、遠程I/0站節點以及系統各設備間的通訊連接電纜、現場總線，網絡配件以及總線電纜；汽車控制系統的硬件主要包括處理器及其外圍設備、采樣模塊、輸入輸出模塊、保護動作模塊、工程師站通訊網絡及接口模塊等；汽水泵汽輪機控制系統主要硬件配置與機組DCS 相同；爐膛火焰電視主要由鍋爐廠提供，每臺鍋爐均配備有一套相對應的爐膛火焰電視系統，這一系統主要由鏡頭管、攝像機、控制器、切換器、鏡頭冷卻裝置等部分組成。

2.2 輔助生產控制系統

2.2.1 控制功能

由于本次工程項目是在一期已建成車間基礎上開展擴建工作，因此輔助系統監控方案應結合本廠實際情況開展機組運行管理模式的設計工作。具體來說，在本次工程項目推進過程中，新建輔助系統需要對凝結水、化學取藥、加藥控制、灰渣控制等系統加以管控。在系統構建過程中可以利用DCS 硬件為主控設備，在精處理控制室設置臨時監控點，完成凝結水、化學取藥、加藥控制工作。同時上述控制系統還可以與灰渣控制系統組成二期輔助控制網。此外，在本工程項目推進過程中，新建的化學補給水、循環水加氯、原水預處理等控制系統則可采用PLC 聯網共享上位機開展監控工作，同時這一監控系統可與儀器水網控制系統共同組成整體的水網管控體系，提高本廠水循環管控工作的質量水平。

在本期工程建設過程中，DCS 控制系統與火電設備有效連接到了一起，在提高設備運轉狀態管控質量的同時，為火電廠管控工作的數字化、現代化發展提供了推動力：第一，本期工程在建設凝結水系統時采用了DCS 控制技術，在保留原有控制室調試巡檢功能的基礎上，在灰控樓設置了專門的職工監控點，通過為DCS 控制系統設置自動化運行軟件，自行采集單臺混床設備、分離塔等設備現場運行數據，并對其加以分析比對的方式實現了整個凝結水過程的集中監管；第二，在本期工程空壓房控制工作開展過程中，工作人員配備了兩套壓縮空氣系統，這兩套系統均自帶就地控制箱，為實現控制箱設備元件運轉狀態的有效監控，工作人員利用硬接線將與空壓箱有關的狀態控制信號傳遞至公用DCS 系統當中，使得系統在后續運轉過程中可以自行監控空壓設備的運轉狀態。

第三，在本期工程建設活動中，火電廠的工程煙氣脫硫系統采用了與機組DCS 相同的硬件，并通過將機組與DCS 控制系統連接到一起的方式，使得控制系統可以自行按照預設參數完成煙氣脫硫系統運行狀態的監控以及事故處理工作；第四，在本期工程建設活動中，本廠煙氣脫硝系統中的機組硬件、軟件與DCS 控制系統相同，其煙氣反應系統被納入了機組DCS 控制系統當中，工作人員可在集控室對煙氣脫硝系統的運行狀態加以管控。在煙氣脫硝系統運轉過程中，DCS 系統可以參照煙氣反應系統實時傳輸的數據，控制脫硝系統整體的啟動與停止[2]。

2.2.2 設備配置

在本次控制系統設計工作中，以DCS 系統為基礎構建的控制體系包括凝結水、灰渣控制系統等，在開展這類系統設計工作時，應為其配置遠程控制系統、上位機、現場儀表等設備。其中，遠程控制系統中包括電源、PLC 主機、鏈路設備、網絡控制器模塊、I/O 模塊、適配器、通訊電纜等設備。上位機站應配備工控機、鍵盤、網卡、打印機LCD 等設備以及相應的網絡硬件與軟件?，F場儀表包括現場安裝的控制箱、儀表柜、保溫保護箱，就地電磁閥箱等儀表設備[3]。

2.2.3 現場總線設計

在開展DCS 控制系統設計時，工作人員應加強對系統軟硬件的管控：第一，工作人員應保證這一控制系統的軟件具有良好的數據管理、通訊、編程功能，以便在后續設備管理過程中，系統可以結合本火電廠中各類設備的具體需要開展總線設備參數設定、管理工作，為后續總線設備故障診斷、檢修工作的開展提供支持；第二，工作人員可以通過開展通信線冗余配置工作，選擇擁有容錯校驗功能的通訊協議等方式，保證這一系統中CPU、I/O 系統能夠與外圍設備正常溝通交流。

第三，開展該系統中央處理單元設計工作時，不僅需要結合系統工藝設計特點為其配置冗余，還需要為其設置輔助電源，確保系統保存的數據程序的存儲存留時間可超過六個月；第四，在構建輸入輸出單元組件時，不僅要保證電子設備柜內安裝的模件為低電壓器件，還應保證所有的開關、輸入與輸出通道處，均存在有效隔離體系；第五，在搭建上位機組織時，工作人員應保證組件、監控系統等軟硬件均為同期產品中的最新版本，且需為其配置高效的殺毒軟件，以便降低計算機病毒、操作失誤等情況對電廠DCS 控制系統安全所造成的威脅[4]。

3 現場總線控制系統診斷軟件的應用

在構建本廠DCS 控制系統時，為實現現場總線控制系統故障的高效診斷，工作人員將AMS 智能設備管理系統融入現場總線控制系統預防性檢修維護工作中，通過對現場總線系統運轉過程中智能儀表設備狀態參數加以收集分析的方式，找出系統存在的問題并及時預警，以便降低工作人員開展現場總線控制系統檢修維護的難度，提高機組整體的運行效率。

3.1 報警監視

AMS 智能設備管理系統在運轉過程中，可以實時監控相應設備的運行狀態，在發現設備運轉故障時及時發出警告信號并自動生成電子報告，為工作人員及時開展系統運行狀態調整工作提供了可靠的參照。如，可以在AMS 智能設備管理系統在運行過程中找出現場設備報警畫面的操作界面，從這一界面中可以了解本場各現場設備的具體運行狀態，并在發現報警信號時及時進入報警界面查看報警信息，找出故障出現的原因[5]。

3.2 在線診斷

在線診斷指的是，借助AMS 智能設備管理系統可以在線分析現場總線DCS 控制系統中各類設備故障產生的具體原因。在應用這一功能時，可以先在AMS 智能設備軟件管理系統數據庫的控制模塊下找到待診斷的設備，然后進入configure/setup界面遠程操作相應設備的閥門開度或調整其設定性質，之后在device diagnostics 界面開展現場設備整體視圖分析工作，了解設備具體運行狀態。在此過程中，系統會自行分析設備出現故障的原因，進而滿足工作人員快速了解設備運行狀態信息的目的。

如表1所示為該軟件與常規DSC 控制軟件在檢修維護工作中的耗時情況，從表中數據可以看出，相較于常規的控制系統，現場總線控制系統診斷軟件可以通過為工作人員直接提供設備運行參數的方式，使工作人員直接開展故障診斷工作，達到縮短設備運維管理周期的目的。

表1 AMS 軟件與常規DCS 控制系統在維護時間方面的比較

3.3 歷史記錄

AMS 智能設備管理系統具有歷史參數記錄功能，在后續設備運維檢修工作中，工作人員可以在該系統的數據庫控制模塊下找到待檢查的設備，然后點擊該設備的歷史記錄，即可完成設備運轉狀態查詢工作[6]。

綜上所述，本文以本火電廠2×1000MW 機組擴建工程為例，結合施工現場的具體情況，開展了現場總線設計原則分析工作，了解了機組設備的配置需求，并構建了具有針對性的AMS 智能設備管理系統，實現了現場總線控制系統運轉故障的有效管控，在提高本廠控制系統運轉質量的同時，為電力資源的穩定供應提供了可靠的支持。