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1 項目簡介
(1) 2#機組DCS系統升級、完善前控制系統概述
北京京能熱電股份有限公司（以下簡稱為京能熱電）2#機組為200MW燃煤供熱機組，1989年投產。鍋爐、汽機、發電機分別由哈爾濱三大動力廠制造。
隨著火電廠控制技術的發展和對生產過程管理水平要求的提高，采用DCS來改造火力發電廠傳統的控制方式，降低成本，提高效率，已成為電廠的共識。
1999年2#機組大修中，對原熱控系統進行了初次改造。
當時DCS系統選用北京和利時系統工程股份有限公司（以下簡稱為和利時公司）的HS2000-EX系統；DEH系統由東方汽輪機廠總包，硬件仍采用和利時公司的HS2000-EX系統。
改造實現了“四功能”―數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（CCS）、順序控制系統（SCS）。汽機數字電液調節（DEH）也采用相同的DCS設備，作為DCS系統的一個子系統。
鍋爐（簡易滅火）保護及點火程控系統仍由兩套獨立的PLC完成。部分熱工外圍設備（如變送器等）、集控室盤臺、熱工信號等也進行了相應改造，但仍有大量常規儀表及操作器、操作開關。
1999年6月28日，改造后的機組啟動成功，并網運行。由于各種原因，機組的送風、協調控制一直未投。
(2) 系統升級、完善方案討論
在2003年8月~10月2#機組大修中，京能熱電對5臺制粉系統（改ZGM-95型變加載磨煤機）、2臺空予器、2臺吸風機（改為變頻調速），以及密封風機、一次風機、二次風門、燃燒器、外圍執行器等進行改造。DEH改為純電調。而原DCS系統備用容量不足，必須隨之進行升級、完善（再次改造）。
改造的前期準備階段，對下面兩種方案進行了討論。
方案一：保留原有的HS2000-EX系統機柜柜體和端子接線柜，柜內全部采用和利時公司MACSⅡ系統模件，操作員站采用DELL公司P4工業級PC機，加2臺雙冗余的DELL公司的服務器。在DAS和SCS機柜內增加相應測點使該系統功能更趨于完善。新增的純電調DEH、FSSS系統則采用新的端子/模件混裝機柜。
方案二：在原有的HS2000-EX系統的網絡上再增加2臺MACSⅡ機柜用于完善原有系統的SCS和FSSS功能。
方案二存在的問題：
? HS2000-EX系統采用CAN總線，而MACS系統的FM模塊支持Profibus-DP總線，和CAS模塊無法兼容。
? 增加2個機柜后，經計算，按MCS、SCS采樣周期250ms、DAS采樣周期1000ms、DEH采樣周期100ms、系統全部測點（包括備用點）全部刷新數據的情況下，系統網絡的通訊負荷將超過50%，會直接影響到該機組的安全生產。
為此，經過比較與論證，決定采用方案一，進行此次京能熱電2#機組DCS（DEH）系統升級、完善改造。
2 MACSⅡ系統在京能熱電2#機組上的應用
2.1 系統概述及硬件配置
(1) 系統概述
如前所述，該工程DCS系統采用和利公司的新一代分散控制系統―MACSⅡ系統。系統控制站（主控制器）功能分配仍按控制功能進行劃分設計。
由于工程的特殊性（屬升級、完善性質，而不是從頭開始改造，現場控制室空間有限等），原有的MCS、SCS、DAS模件柜柜體和端子接線柜仍需保留，MCS、SCS、DAS系統的MACSⅡ模件將安裝在舊機柜中；新增的純電調DEH、FSSS系統則采用新的MACSⅡ系統機柜。
總之，按控制功能進行劃分設計后，改造的范圍包括模擬量控制系統（MCS）、鍋爐爐膛安全監測系統（FSSS，包括FSS、BCS）、SCS、DAS、DEH。
此外，為配合DEH純電調系統改造，須對原汽輪機緊急跳閘系統（ETS）與DEH接口部分進行改進。此次改造，還有衛星校時系統（GPS）與廠管理網（MIS）通訊等功能。
此次改造的物理測點數（含DEH）為3200點左右。此次改造僅保留立盤的部分的常規操作和監視設備（如電接點水位、火焰/水位電視、安全門操作、DEH硬手操等）和部分硬光字牌。臥盤重新改造，保留了如真空破壞門、事故放水、機/爐/電手打按鈕等少許必須的硬手操按鈕。
(2) 硬件配置
表1 DCS（DEH）系統主要配置
系統配置圖如圖1所示。
圖1 系統配置圖
? 現場控制站13套，其中FSSS 3套（14、20、21站），SCS 3套（14、20、21站），DEH 1套（22站），MCS 3套（10、11、12站），DAS 3套（17、18、19站）；
? 服務器2臺（冗余配置），完成歷史數據的管理和系統裝載等功能；
? 工程師站2臺，完成系統組態調試和下裝；
? 操作員站7臺，其中6臺既可操作也可監視，1臺只用做監視；
? 通訊站2套，其中1套預留與發電機勵磁等的通訊，1套與廠管理網MIS通訊；
? GPS系統，通過接口連接到2臺服務器，用于整個系統的與衛星校時。
2.2 系統網絡配置
MACSⅡ系統為三層網絡結構。
? 第一層：控制網絡（C-NET），在現場控制站內，由Profibus-DP構成，用來與現場控制站主控單元和過程I/O單元通信，完成實時輸入/輸出數據傳送服務的專用網絡。
? 第二層：系統網絡（S-NET），由100M以太網構成，用于系統服務器與現場控制站、通信站等的連接。完成現場控制站、通信站的數據下裝，服務器與現場控制站、通信站等之間的實時數據通訊。
? 第三層：監控網絡（M-NET），由100M以太網構成，用于系統服務器與工程師站、操作員站等的連接。完成工程師站的數據下裝，操作員站等的在線數據通訊。
2.3 系統控制站（主控制器）的功能分配
DCS控制站（主控制器）的功能分配，原則上一般有兩種辦法：
(1) 按控制功能劃分
即專用式主控制器功能分配。如DAS控制、FSSS控制、SCS 控制、DEH控制、MCS控制等。
優點：使主控制器功能單一化，組態方便，也符合傳統的分工習慣。
缺點：不利于充分發揮主控制器的資源優勢；主控制器功能分配負荷不均勻，各現場控制站間數據（引用）通訊量大。
(2) 按控制對象（或者說按熱力工藝系統）劃分
除FSSS、DEH等特殊工藝控制站外，其余按照熱力工藝系統進行分配，即把機組的工藝過程劃分為數個分區（如給水、風煙、制粉等），每個分區分配數個控制站，完成該分區工藝系統的DAS、MCS、SCS等控制功能。
優點：主控制器對應性強，便于分工維護；充分發揮主控制器的資源優勢，主控制器負荷分配相對均勻；減少了站間通訊負荷；電纜走向交叉少，便于敷設。可相對減少I/O測點的冗余配置。
缺點：由與將在同一組主控制器實現相關設備/系統的監視、聯鎖/保護、調節、報警等所有功能。故對設計人員要求高，要求合理分配主控制器的功能及優化I/O的冗余配置；對維修人員素質/知識面要求高，甚至要改變原有熱工人員的分工結構。
如前所述，由于此工程的特殊性（屬升級、完善性質，不是從頭開始改造），1999年改造時即按控制功能劃分，機側仍有大量保留電纜，現有熱工人員的分工結構一時難以改變。為此，此次設計，仍按控制功能進行分站。
2.4 控制功能實現
(1) DAS部分
完成參數和設備狀態的顯示報警管理功能、趨勢管理、歷史數據管理、SOE、事故追憶、報表、打印及屏幕硬拷貝、操作記錄等功能。
(2) MCS部分
MCS系統作為主要的控制系統之一。它擔負著發電過程中水、汽、煤、風、油等各個子系統過程變量的閉環調節任務以及整個機組的負荷控制任務。
包括控制系統如下：協調控制系統，燃料控制系統，磨煤機風量控制系統，磨煤機出口溫控制系統，一次風壓控制系統，給水控制系統，送風控制系統，吸風控制系統，左、右主蒸汽溫度控制系統，左、右一級減溫控制系統，左、右再熱蒸汽溫度控制系統，除氧器水位控制系統，1#、2#熱網加熱器溫度控制系統，凝汽器水位控制系統，冷油器溫度控制系統，軸封壓力控制系統，左右送風再循環遠方操作，1#~4#汽交門遠方操作，給水300門遠方操作，風擋板遠方操作，鍋爐連排遠方操作等。
(3) SCS部分
完成所有設備的手動操作功能。一般電動機、風機、泵（電動門、電磁閥除外）都設計有禁止/允許操作切換功能，還設計有遠方/就地操作顯示功能。設計有設備開、關（啟、停）超時報警功能。還設計有軟事故跳閘報警功能。
完成機組聯鎖的功能，包括鍋爐輔機大聯鎖、工作備用的互聯及低參數聯啟備用等功能―如事故放水電動門、空預器、一次風機、密封風機、送/吸風機、2#低加1#，2#疏水泵、1#~3#凝結水泵、給水泵、空/氫側交/直流密封油泵、潤滑油泵、氫冷升壓泵、發電機冷卻水泵、熱網疏水泵、低壓缸噴水門等聯鎖。
完成輔機保護的功能，包括給水泵保護/首出、熱網循環泵保護等。
完成主要輔機順序啟停控制功能，包括射水泵順序啟停、給水泵順序啟停、定排順序啟停等。
(4) FSSS部分
取消原獨立的鍋爐（簡易滅火）保護PLC、及點火程控PLC。將點制粉系統的聯鎖保護/啟停控制等功能由原來的SCS移至BCS，FSS完成原鍋爐保護功能。
其中FSS控制器主要完成鍋爐主保護（MFT）/首出、吹掃邏輯、點火允許判斷、燃油速斷閥、探頭冷卻風機控制相關操作指導；BCS1控制器主要完成AA層四只油槍的單操、點火程控及1#、2#制粉系統等設備的單操/聯鎖、保護及相關操作指導；BCS2控制器主要完成AA層四只油槍及3#、4#、5#制粉系統等設備的單操/聯鎖、保護及相關操作指導。
(5) DEH部分
主要完成轉速閉環控制和負荷的控制；按預先設置的升速曲線自動升速和運行人員手動升速；一次調頻及限制；閥位控制；主蒸汽壓力控制等功能。還有超速試驗、閥門活動試驗、閥門嚴密性試驗、噴油實驗、閥門在線整定等功能。
完成與MCS系統接口控制功能。完成103%、110%超速保護等功能。當DEH故障、轉速故障，或接收到ETS來的危急跳閘指令時，迅速使汽機跳閘。
3 京能熱電2#機組DCS改造特點
為保證此次2#機組DCS（DEH）系統升級、完善改造工作在施工、調試階段保證質量、順利進行，相關技術人員還編寫了兩萬六千余字的《京能熱電股份有限公司2#機組DCS系統調試大綱》。大綱對京能熱電2#機組DCS（DEH）系統升級、完善改造工程的現場調試提出了技術方面和有關方面的指導性要求。
系統施工、上電、調試各階段，協調指揮組、工作組一起，按照該大綱要求積極認真開展工作，保證了各項工作的順利實施。使得DCS系統改造工作得以順利完成。
(1) 控制器/操作員電源站切換回路
解決了控制器/操作員站220VAC電源不冗余的問題，提出繼電器切換回路方案并得以實施。經試驗，滿足需要，提高了系統可靠性。
(2) 結合《火力發電廠安全性評價》相關內容進行系統設計及資料存檔
改造后，解決了2#機無凝結汽水位高報警等問題。
根據《國家電力公司電站鍋爐汽包水位測量系統配置、安裝和使用若干規定（試行）》，此次改造，將差壓式水位測量裝置的平衡容器由原雙室平衡容器改為了單室平衡容器。在MCS系統內，實現了汽包壓力/環境溫度的補償修正。
在MCS/FSSS組態邏輯中，實現了汽包水位變送器一點或二點故障退出運行時，汽包水位保護由“三取二”自動轉為“二取一”或“一取一”邏輯判斷方式。
FSSS實現了中央處理器、系統電源冗余配置；設計了“手動緊急停爐”按鈕的繼電器操作回路，單獨使用另一路廠供電源將“手動緊急停爐”按鈕動作回路與DCS系統徹底分開。
繼電器電源切換回路解決了原操作員站在DCS主/備任一路電源失去后，一半“黑屏”的問題。
此外，在“系統狀態”畫面除實現系統現場控制站故障、服務器、操作員站、網絡報警自檢外，還有FSSS、SCS、DEH1、MCS、DAS 等各主控器的負荷率實時監視功能。
針對測試、開機記錄不齊全等問題，調試、開機過程中，試驗卡/記錄以及相關的SOE、趨勢等打印記錄在試驗結束后，立即進行了收集存檔。
(3) 軟事故跳閘/光字報警功能等
SCS、FSSS均有軟事故跳閘報警功能的邏輯設計。其原理為：設備由DCS遠方啟動后，若 DCS系統沒有對設備發出停止指令，卻出現了設備狀態由啟到已停的跳變，則判斷為“事故跳閘”，在畫面上反映為該設備為黃閃，同時事故喇叭響，專用“事故跳閘”光字亮。可便于區分運行設備掉閘原因（DCS聯鎖/保護動作或手停還是電氣保護動作或事故按鈕接通等其它原因）。
同時，專門設計有事故跳閘報警速查功能，運行人員通過一鍵出圖方式，可立即查找到故障設備。而由設備操作端的停按鈕可復位事故跳閘。
此外，設計有專用機/爐側軟光字報警，同一設備/系統的多個軟光字報警任意一個報警后，驅動一個綜合硬光字牌。既減少了硬光字牌數量，又符合運行習慣。
FSSS系統的“爐壓高/低”報警光字牌，邏輯設計為由報警值的壓力開關和三個“三取二”動作值的壓力開關相或。此報警光字牌亮時，若報警值的壓力開關并未動作，則提醒熱工人員檢查動作值的三個壓力開關以及相應電纜、DI模件/通道。簡便地實現了動作值的壓力開關及、DI模件/通道的自檢。
4 結語
機組單元控制室盤臺的改造，取消了大部分常規儀表及操作器、操作開關等，電子設備間較為簡化，節約備品備件設備費用及機組檢修期間的拆裝、校驗所需人力。
汽輪機調速系統改為DEH，提高了汽機運行的安全性和穩定性，減少了機組的非計劃停機次數。DEH系統和機爐協調系統的投入，將提高機組的啟機、停機速度，節約了燃料。
改造后的機組具備了AGC的功能，大大提高的機組競爭上網的競爭能力，為機組多發電提供了機會。
改造后的機組實現了一體化控制，利于減人增效。同時，改造工程提高了熱工人員的技術水平，培養了一批技術人才，推動了公司的科技進步。
綜上所述，該系統經過試運行階段的完善，正式投入運行以來運行穩定、可靠。具備AGC、一次調頻功能。對電廠的安全、經濟運行發揮了應有的作用。
實踐證明，選用和利時公司的DCS系統進行機組的熱控系統改造，性/價比高，機組投運后取得了較好的效益，值得借鑒與推廣。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號