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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）08-064-04中圖分類號：TP273

★高松，熊銳（國家電投集團江西電力有限公司，江西南昌330096）

★胡振中，余修斌，陳歡（國家電投集團江西電力有限公司景德鎮發電廠，江西景德鎮333036）

★裴浩然，邱寅祺（上海明華電力科技有限公司，上海200090）

關鍵詞：火力發電；DCS系統；國產化改造；組態設計

為響應《“十四五”智能制造發展規劃》《“十四五”發展規劃》《“十四五”能源領域科技創新規劃》等文件關于在關系國家安全的領域和節點構建自主可控、安全可靠的國內生產供應體系的重要論述，國內DCS企業一直致力于解決當前工控設備進口部件“卡脖子”和工控系統未全面實現自主可控等問題，也一直在進行DCS自主可控方面的研究與應用實踐。

在此背景下，本文以某660MW超臨界發電機組DCS自主可控改造項目為例，從DCS系統性能分析、組態設計、現場調試三個方面，介紹了DCS自主可控改造的實施過程，并總結了本次改造的技術要點，為其他機組改造提供了參考。

1　新老DCS系統性能對比

1號機組原DCS系統為北京日立HIACS-5000M控制系統，基本控制器為R600系列控制器^[1]。受制于其運行時間過長，系統設備已進入故障易發期和高發期，現有的備品備件數量難以維持機組DCS維護需求，同時相關功能已無法滿足現階段電廠對DCS的新需求。為積極響應國家號召，推進火電機組DCS自主可控應用工作，現DCS系統采用國核NuCon控制系統。該控制系統基于銀河麒麟操作系統開發，CPU采用龍芯芯片，其嵌入式系統采用ReWorks實時處理系統^[2]。表1詳細羅列了新老系統性能對比。

表1 新老系統性能對比

通過兩種系統對比可看出，國產化系統性能優良、界面友好、組態修改方便，具有高可靠性、實時性、安全性。由于軟硬件的100%國產化，后期維護更便利。在價格方面，國產化系統打破了進口DCS對市場的壟斷局面，降低了投資成本。

2　組態設計

2.1　網絡拓撲結構

單元機組和公用系統配置獨立網絡，通過冗余的網關站實現，公用網絡不單獨設置工程師站、歷史站和接口站，網關站兼做公用系統工程師站，公用系統的全部監控數據由網關站送給單元機組的歷史站和接口站進行統一存儲和對外發布^[3]。

控制系統平臺硬件主要包括：工程師站、操作員站、歷史服務器、時鐘服務器、控制器、控制網絡及設備、系統網絡及設備、電源轉換設備等輔助設備。

控制系統網絡主體由實時監控網、控制網及信息網三層網絡組成，均采用全冗余設計，能夠實現控制器無擾切換，避免了控制器故障切換時數據中斷的現象^[4]。系統網絡拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 系統網絡拓撲結構圖

2.2　I/O分配

不同于新建機組，涉及DCS改造的機組，在I/O設計分配上存在以下3個難點：

（1）利舊原則。即除參與機組主保護或重要輔機保護的信號因涉及以下技術變更情況而造成電纜長度不夠需重新敷設外，其他到現場的信號電纜原則上最大程度采用利舊方式。

·冗余信號需分配到不同模件。

·對照《防止電力生產事故的二十五項重點要求》及熱工技術監督要求需增加相關冗余測點及柜間電纜。

（2）不同DCS系統間需增加柜間電纜。

（3）原I/O清單未及時更新，機組歷次異動后實際組態與I/O清單差異大。

為解決上述難點，在I/O設計分配時需注重以下幾點：

（1）利用原DCS機柜位置安裝新機柜，合理確定機柜的尺寸和數量，科學選用緊湊型機柜。

（2）梳理原系統各機柜信號通道配置、柜內模塊配置、電纜進線方向、供電方式等思路，分析對比新老系統模件硬件配置，編制新系統卡件布置圖。

（3）對電纜清冊與現場電纜進行核實，確保I/O信號準確。對于老化、破損的電纜進行全部更換；對于在歷次技改中取消或變動而電纜未移除的信號，可作為備用通道使用。

（4）為了充分利用原有電纜，需要在設計階段估算每個信號電纜長度是否夠長，盡量將信號布置在原有位置附近，如需移動盡量向著電纜進入方向往下移動。

（5）對部分較短的電纜如不是保護聯鎖信號或重要調節信號可以采用端子柜集中轉接或柜內轉接端子形式，同時需要做到屏蔽電纜全程接地，防止信號干擾。

（6）梳理組態過程中發現的I/O信號不一致清單，經與廠內人員討論后，統一修改。

2.3　邏輯設計

邏輯組態設計需遵循原有DCS的組態內容，在實現原有控制功能的同時，盡可能優化提升控制性能。因此，在實施過程中需重點執行以下工作：

（1）根據當前邏輯內容，編寫控制邏輯設計說明。

（2）列舉原DCS功能塊與邏輯宏，分析新老DCS間的差異，編制功能塊對照表。

（3）系統中間點的命名需與原系統中一致，有利于和畫面組態連接。

（4）對于差異較大無法直接替代的功能塊，通過使用多種功能塊組合或搭建邏輯宏等方式實現原功能，并進行功能測試。

（5）以滿足《二十五項反措》要求為原則，以提升邏輯可靠性為目標，針對重要輔機設備、模擬量回路、聯鎖保護等邏輯進行梳理總結，提出必要的優化建議，并召開設計聯絡會分專業討論。

2.4　畫面組態設計

改造機組的畫面組態宜與原系統的風格、布局保持一致，針對不足之處進行優化設計。關鍵實施手段如下：

（1）理清原畫面組態流程圖、彈出面板、幫助畫面、光字牌等界面風格，編制新畫面設計原則。

（2）分析并羅列原畫面中各類設備的不同狀態顯示，在新DCS系統中進行功能復現。

（3）對于新開發的畫面宏，搭建邏輯組態，進行功能測試。

（4）操作面板設計時，操作按鈕的位置布局及確認方式與原系統保持一致，防止運行人員在緊急情況下因畫面不一致而誤操作。

（5）以防止運行人員誤操作為目的，與運行人員討論并形成優化清單，對原畫面設計進行逐一修改。

2.5　網絡安全防護

DCS網絡安全系統主要由邊界防護、工業入侵檢測、日志審計、終端安全衛士、網絡安全平臺、工控網絡審計等組成[5]。

（1）邊界防護：在安全I區邊界處部署工業防火墻，進行工控協議數據過濾，實現網絡邊界防護。

（2）工業入侵檢測：部署入侵檢測裝置用于對網絡行為和流量內容進行檢測，實現網絡安全監測。

（3）日志與網絡審計：部署審計系統，對工控設備及網絡等行為進行審計，及時對安全事件進行追溯或干預。

（4）終端安全衛士：部署終端安全衛士和USB防御系統，實現主機安全加固、惡意代碼防御和USB管控，構造計算環境安全防護堡壘。

（5）網絡安全平臺：部署統一安全監管平臺，集中監管安全設備，形成監管一體化的安全預警平臺。

3　調試

就調試而言，DCS改造的機組與新建機組存在很大差異，較為突出表現在時間周期緊、進度計劃難控、現場調試環境較亂、圖紙資料不全或未及時更新等方面。因此，在整個調試周期內，必須對各個調試環節加以精準把控，并在保證進度的同時，提高調試質量。

3.1　調試前準備

（1）為把控調試整體進度，根據檢修時間倒排，形成三級網絡調試計劃。

（2）明確調試組織機構及職責分工、關鍵節點人員負責安排，確保各項調試任務有序開展。

（3）編制調試大綱與各項調試方案，完善調試階段風險辨識和預控措施。

（4）結合I/O清冊圖紙、保護定值清單、邏輯控制說明等資料，梳理各類調試表單文件。

3.2　單體調試

對于改造機組，單體調試在進度把控、人員安排、缺陷管理等方面較為棘手。因此在實施過程中，需把握以下幾點：

（1）結合檢修計劃，制訂合理完善的每日調試計劃，明確調試任務，細化每日調試工作，職責分工，責任到人。

（2）將調試人員按鍋爐、汽機、電氣專業劃分，并與電廠生產、運行、檢修各專業合理對接，確保各項調試工作的有序執行。

（3）確保I/O與設備傳動的全方位100%覆蓋，發現現場信號與實際組態不同時，以最新設計圖紙為依據及時修改組態。

（4）優化調試工作流程，結合現場檢修施工情況，與電廠共同協商，形成“大票換小票”、“每日待調試清單”等文件清單。

（5）建立缺陷管理清單文件，及時更新記錄在調試過程中發現的問題，并做到“當日發現、當日整改、當日關閉”。

3.3　分系統調試

與新建機組不同，因改造機組不存在整體試運行的階段，因此在分系統調試環節中，除了對設備聯鎖、保護及必要的順控功能進行校驗外，還需進行部分MCS系統的冷態調試、MFT及大聯鎖試驗、跨系統間通訊測試等工作。在實施過程中，為保證調試質量，需著重注意以下加點：

（1）以“發現問題、解決問題”為目的，組織各專業評審邏輯功能說明，并結合二十五項反措等標準內容及現場設備實際情況，查找原邏輯的設計缺陷，優化控制邏輯，提高邏輯可靠性。

（2）在進行主保護及機爐電大聯鎖功能校驗時，應采用帶工質方式實測，精確模擬實際運行環境，確保試驗準確性。

（3）在機組啟動前，對于部分機爐側模擬量控制回路進行必要的定值擾動試驗，驗證參數設置的準確性。

（4）對于主要接口信號，應進行必要的通訊測試，包括跨系統間的信號及DCS外掛系統，驗證信號連接及通訊傳輸的可靠性。

3.4　啟動、并網與優化調試

就改造機組而言，機組并網即進入商運，任何因控制系統、邏輯功能或設備故障等原因造成的機組跳閘，都將記錄為“非停”。這對于剛進行DCS改造，尤其是原自動調節長期依賴外掛系統的機組來說，該階段的壓力不言而喻。因此，在實施過程中，應關注以下幾點工作：

（1）啟動前，盡可能進行仿真測試，模擬各類運行工況，驗證各調節回路功能的準確性。類似RB等重要功能，應進行必要的靜態功能測試及動態仿真模擬，驗證機組在事故工況下的應急響應能力。

（2）熱態工況下，進行機、爐側自動調節回路擾動試驗，驗證控制參數的正確性。

（3）積極與當地電網公司溝通，申請必要的試驗工況，進行變負荷等試驗，在驗證協調控制功能的同時，優化調節參數，提升機組調節性能。

4　改造效果

（1）系統上線后，通過第三方全面測試，驗證了軟、硬件性能均滿足相關技術標準要求，部分性能指標如測量精度、抗干擾能力等優于原DCS系統。此外，通過邏輯組態優化，進一步提升了邏輯可靠性。

（2）通過調試，機組實現鍋爐點火、汽輪機沖轉及發電機并網一次性成功，機組啟動后運行安全穩定。另外，通過協調控制功能優化，機組自動調節性能提高，汽溫、過熱度等調節品質得到大幅提升。

5　結束語

本文詳細介紹了DCS自主可控改造在大型火電廠的應用案例，并通過對新老系統性能對比、組態設計，以及調試總結，驗證了國產化DCS系統的實用性，打破了進口DCS系統的壟斷局面，為100%自主可控DCS系統在中國電力行業中的完全更迭奠定了堅實的基礎，提升了我國工業領域DCS控制系統的技術水平，對保障國家工業安全具有重要意義。

作者簡介：

高　松（1970-），男，江蘇常州人，高級工程師，學士，現就職于國家電投集團江西電力有限公司，主要從事火電板塊安全生產管理工作。

裴浩然（1994-），男，江蘇宿遷人，助理工程師，碩士，現就職于上海明華電力科技有限公司，主要從事電廠自動控制及優化技術研究工作。（本文通訊作者）

參考文獻：

[1]池潔.日立HIACS-5000M系統在火力發電廠的應用[D].北京:華北電力大學,2018.

[2]陳瑋彤,黃天一,丁呂繁,等.自主可控環境下的集成開發環境[J].現代計算機,2022,28(7):108-112.

[3]吳慶康.基于DCS的熱電廠煙氣凈化系統研究與應用[D].徐州:中國礦業大學,2021.

[4]何凱彥,李維波,許智豪,等.基于雙CPU的雙以太網與雙RS-422交互通信技術[J].中國艦船研究,2020,15(3):177-184.

[5]吳政.電廠網絡安全風險評估與防護策略分析[J].集成電路應用,2023,40(12):68-69.

摘自《自動化博覽》2024年8月刊