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作者簡介：潘鋼，男，現任北京國電智深控制技術有限公司總經理。潘鋼自1982年大學畢業后一直從事自動化專業工作至今。通過直接參與數百個項目工程，掌握了火電領域自動化專業可行性研究、產品和工藝設計，產品和應用研發、產品制造、產品應用等全過程知識。幾十年來，帶領團隊通過推廣應用1000多套國外主要自動化控制系統產品和自主研發的國產自動化控制系統產品，完全掌握了大型自動化控制系統的核心技術，進入國際先進行列。獲得多項科技進步獎等多項榮譽，發表論文多篇。
摘 要：本文介紹了大連莊河電廠600MW超臨界機組一體化平臺主輔控DCS系統的總體結構、系統功能和配置情況，并對系統和功能設計上的主要特點進行了分析。
關鍵詞：DCS；EDPF-NT；超臨界機組控制；輔控一體化
Abstract：This paper introduces the general structure，system function and configuration of the main and auxiliary shop DCS for the 600MW Supercritical Unit in Dalian Zhuanghe power plant.The main features of the system have been analyzed.
Key words：DCS；EDPF-NT；Supercritical Unit Control；Auxiliary Shop Control
1 項目總體情況
國電電力大連莊河發電有限責任公司2×600MW國產超臨界機組采用北京國電智深控制技術有限公司（國電智深）自主知識產權的EDPF-NT分散控制系統實現主輔控系統的控制，這是國內第一個采用國產自主化DCS系統的600MW超臨界機組項目，也是國內第一個采用一體化系統平臺實現600MW超臨界機組主控和輔助車間控制的項目。
該項目是《國家科學儀器和工業自動化高技術產業化重大專項－超臨界火力發電機組綜合自動化系統產業化項目》和《大型火力發電機組分散控制系統國產化項目》的依托工程。同時作為首臺套應用于600MW超臨界機組的自主化控制系統項目，該項目于2006年4月被國家發改委確定為落實《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》的第一個技術進步示范工程。
該項目于2006年2月26日正式啟動，2006年11月29日中國國電集團工程部組織了國內知名專家參加的出廠驗收評審會，與會專家一致認為：“應用EDPF-NT系統設計成套的國電電力大連莊河發電有限責任公司一期2×600MW機組自動控制系統配置合理、技術先進、功能齊全、質量可靠，符合技術規范要求，同意通過出廠驗收，可以在600MW級超臨界機組上應用”。經過緊張的現場調試工作，2007年8月6日莊河電廠#1機組順利通過168小時滿負荷試運行，#2機組于11月5日通過168小時滿負荷試運行，配套輔控系統也同時投運，實現了在集控室對主輔控系統進行集中監控。在168小時滿負荷試運行期間，自動投入率95%，保護投入率100%，機組協調控制一直投入并成功實現AGC控制，負荷、主汽壓和主汽溫等主要參數的控制精度均達到或超過電力行業標準。
2 主控DCS系統
系統總體結構如圖1所示。
圖1 主控DCS系統總體結構圖
主控DCS系統分為3個域，#1單元機組域、#2單元機組域和公用系統域。單元機組域和公用系統域之間采用自主研發的專用路由器進行硬隔離。
2.1 系統網絡結構
系統網絡結構分為兩層：
· I/O總線：負責控制器（DPU）和I/O之間的通訊，電氣協議采用RS485，通訊速率2Mbps，為冗余I/O總線。采用自主研發的EDPF-NT專用光纖收發器通過光纜連接可將I/O總線擴展到3000米遠處。
· 管控網：實時信息主干網，負責DPU之間以及DPU和上位機（操作員站、歷史站和工程師站等）之間的信息傳輸，采用交換型工業以太網，通訊速率100Mbps，冗余容錯。
系統網絡結構有如下主要特點：
（1）整個系統沒有使用專用的服務器，無單點故障點，是較為完善的分布式系統架構。任何故障都將被限制在有限范圍內，決不會導致系統崩潰，真正實現了功能分散、危險分散。
（2）管控網采用冗余雙網，在軟件上采用雙收雙發的工作方式，雙網同時工作，不存在雙網切換問題及切換時間問題。
（3）采用專用路由器實現單元機組域和公用系統域之間的硬隔離，保證了單元機組部分與公用系統部分之間的網絡相對獨立，同時通過路由器，實現了兩臺單元機組和公用系統之間操作信息和數據信息的有效單向傳輸，實現了兩臺單元機組對公用系統的操作備用和操作互鎖。
2.2 功能及配置
莊河電廠主控EDPF-NT系統功能包括DAS、FSSS、SCS、ECS、MCS、DEH、ETS、MEH、METS和BPS等，鍋爐吹灰由PLC實現，通過通訊方式在DCS系統中進行操作。該套系統實現了鍋爐、汽機、給水泵汽機、汽機旁路的控制和保護及電氣開關的控制，是目前國內火電廠主控系統采用單套DCS實現功能最齊全的系統之一，在已投運的國產DCS系統中是功能最多的，真正實現了主機的一體化控制。單元機組和公用系統I/O測點數量達到8200點，通訊點數量達3869點，系統標簽量達38015點。控制設備776個（其中馬達160個、電動門/電磁閥495個、電氣開關121個），模擬量調節設備140個。具體測點數量統計見表1。
表1
|
|
AI |
AO |
DI |
DO |
總計 |
|
單元機組 |
2139 |
194 |
3523 |
1650 |
7506 |
|
公用系統 |
26 |
0 |
496 |
161 |
683 |
|
302 |
10 |
366 |
48 |
726 | |
|
虛擬DPU |
1346 |
0 |
1797 |
0 |
3143 |
|
總點數 |
3813 |
204 |
6182 |
1859 |
12058 |
單元機組共配置控制器29對（含DEH控制器2對、MEH控制器2對），公用系統配置控制器2對。公用系統只含電氣公用部分，循環水泵房控制納入對應的單元DCS，其它通常納入公用系統的內容如燃油泵房、空壓機房、汽水取樣等全部納入輔控DCS中。單元機組配置工程師站2臺、操作員站6臺、歷史站1臺、大屏幕操作站2臺和通訊接口站2臺，公用系統配置工程師站1臺。各DPU控制內容分配見表2。
表2
|
DPU |
控制內容 |
|
MFT、OFT、爐前油系統、爐側SOE | |
|
DPU2/130 |
制粉系統A、油系統A |
|
DPU3/131 |
制粉系統B、油系統B |
|
DPU4/132 |
制粉系統C、油系統C |
|
DPU5/133 |
制粉系統D、油系統D |
|
DPU6/134 |
制粉系統E、等離子點火系統 |
|
DPU7/135 |
制粉系統F、油系統F |
|
DPU8/136 |
風煙系統A |
|
DPU9/137 |
風煙系統B |
|
DPU10/138 |
鍋爐疏放水、暖風器、水冷壁金屬溫度 |
|
DPU11/139 |
機爐協調、制粉系統EB、二次風EB |
|
DPU12/140 |
送風/引風/一次風調節、制粉系統CF、二次風CF、燃燼風 |
|
DPU13/141 |
啟動給水、給水控制、制粉系統AD、二次風AD |
|
DPU14/142 |
過熱汽溫系統、再熱汽溫系統 |
|
DPU15/143 |
汽泵A、輔汽、發電機密封油、氫氣、定子冷卻水 |
|
DPU16/144 |
汽泵B、四抽及除氧器、汽機潤滑油、EH油 |
|
DPU17/145 |
電動給水泵、低加系統 |
|
DPU18/146 |
高加、汽機疏水、主汽和再熱汽、旁路、汽機本體溫度 |
|
DPU19/147 |
凝結水系統、凝汽器及抽真空系統 |
|
DPU20/148 |
閉式循環水、開式循環水、凝汽器循環水、軸封系統 |
|
DPU21/149 |
ETS、機側SOE |
|
DPU22/150 |
循環水泵房遠程 |
|
DPU23/151 |
電氣1 |
|
DPU24/152 |
電氣2 |
|
DPU25/153 |
電氣3 |
|
DPU30/158 |
DEH |
|
DPU31/159 |
ATC |
|
DPU35/163 |
小機A、MEHA、METSA |
|
DPU36/164 |
小機B、MEHB、METSB |
|
DPU41/169 |
公用：電氣 |
|
DPU42/170 |
公用：電氣 |
3 輔控DCS系統
莊河電廠輔助車間控制系統（輔控系統）也采用EDPF-NT分散控制系統實現，其中煙氣脫硫控制DCS系統采用獨立的網絡結構，輔控系統其余部分采用一體化網絡結構。一體化輔控系統控制范圍覆蓋水、煤、灰、燃油、暖通、空壓機等系統，其中輸煤程控、電除塵、啟動鍋爐、制氫、制氯采用PLC控制，通過專用通訊卡、虛擬DPU通訊方式，采用MODBUS、MODBUS TCP/IP等通訊協議接入輔控DCS系統，實現在集控室對全廠輔助車間進行集中監視和操作的功能。整個網絡設計為多層、總線型工業以太網，輔控車間一體化網絡結構圖見圖2。
圖2 輔控系統一體化網絡結構
輔助車間DCS系統設計為三層總線網絡，最上面一層為集中控制室網絡，中間一層為化學水系統網絡和電除塵系統網絡，最下面一層為各個子車間網絡。每層網絡均采用冗余雙網（A網、B網）。子車間網絡通過路由器與中間層網絡連接在一起，路由器具有隔離性，以保證操作指令自上向下傳遞，而同級網絡之間不能互相操作。
其中化學水系統網絡包括：含油廢水/燃油泵房、工業廢水、含煤廢水、生活廢水、凝結水系統、制氫、制氯等系統。化學水控制室設有3臺操作員站，實現對以上子系統的監控。電除塵系統網絡包括：氣力除灰、爐底渣/石子煤、除渣水泵房、空壓機以及電除塵等系統。
電除塵控制室設有2臺操作員站，實現對以上子系統的監控。采暖通風系統直接接入集中控制室網絡。集中控制室設有3臺操作員站，1臺大屏幕站，1臺工程師站，1臺歷史站，1臺通訊接口站，從集中控制室可以對整個網絡進行監控。此外，每個輔助車間子系統就地各設有1臺操作員站，只能對本子系統進行監控。測點統計見表3。
表3
|
輔控系統 |
AI |
AO |
DI |
DO |
總計 |
|
系統I/O |
594 |
58 |
2837 |
1681 |
5170 |
|
通訊點 |
107 |
0 |
976 |
0 |
1083 |
|
總點數 |
701 |
58 |
3813 |
1681 |
6253 |
莊河一體化輔控系統共配置21對控制器。煙氣脫硫控制系統I/O測點數量為2960點，共配置10對控制器。
4 主要特點及創新點
4.1 適用于600MW超臨界機組控制的EDPF-NT系統的突出特點和創新點
（1）在EDPF-NT系統的研發過程中，堅持自主研發并完全掌握核心技術的技術路線，自主研發了適合于發電廠應用的控制器組態軟件及控制算法、上位機操作監控軟件、全局分布式實時數據庫、歷史數據存貯實時數據庫、基于以太網的實時通信技術及算法等全部核心軟件和DPU控制器、各類信號輸入輸出I/O模塊、連接單元機組與公用系統的路由器等關鍵硬件，EDPF-NT系統是國內自主化程度最高的系統。
（2）采用國產DCS首次實現了大型火力發電廠輔控系統一體化解決方案，采用先進的網絡“域”技術，實現了多層分布的輔助車間級控制和集控室集中監控的目標，達到降低成本、減員增效、信息共享、維護方便的效果，提高了輔助車間自動化控制和管理水平，同時使大型火力發電廠的整體控制水平得到了很大的提高。
（3）通過采用基于任務優先級的實時性能改進策略、網絡流量控制優化技術、實時數據二次壓縮算法、獨特的無需切換的冗余雙網技術等多項實時網絡應用綜合優化技術，最大限度地解決了以太網的不確定性問題，以太網的實時性能有了質的飛躍，保證了系統網絡的通暢性和魯棒性，在莊河電廠600MW超臨界機組DCS上的實際使用情況表明EDPF-NT系統采用的工業實時以太網絡性能優異、穩定可靠，保障了大型控制系統的可靠穩定。
（4）通過高精度的授時裝置（如GPS），獲取高精度的對時脈沖和絕對時間信號，經控制器（DPU）為分布的各SOE模塊提供高精度的同步時鐘信號，確保了分布在不同DPU的所有SOE模塊的精確時鐘同步，保證了整個系統SOE的分辨率小于1ms。
（5）基于硬件隔離和數據庫融合技術的公用系統解決方案完全實現了對公用系統的應用要求，網絡結構簡單清晰，數據的傳輸與隔離可靠，組態方便，控制操作簡便，并且，該方案還確保了不降低網絡與系統的安全性能，完全滿足600MW超臨界機組的應用需求。
（6）采用算法內嵌的方式實現了跟蹤狀態、串級跟蹤、低選跟蹤、高選跟蹤、升禁止、降禁止、到達高限、到達低限等8種約束狀態的判斷及在這些約束狀態下的快速返回，使算法具有了能動性，很好地提高了控制回路的響應速度，在算法層面滿足了600MW超臨界機組對控制快速性的要求，有助于提高控制精度和縮短控制過渡時間。
（7）EDPF-NT硬件系統的DPU控制器和各類I/O模塊、測控網絡都按航天軍工標準進行了一系列強化設計，包括模塊的密封封裝、電子線路的浮空設計、嚴格的電氣隔離和抗強電設計，有效地保證了系統硬件的可靠性。模擬量輸入通道間隔離電壓達400V，開關通道間、通道同CPU間的隔離電壓達1500V，通道本身可以耐220V交流強電。
4.2 莊河電廠600MW超臨界機組DCS系統功能設計的主要特點
莊河電廠DCS系統根據600MW超臨界機組過程控制的特點，突出強調了工程方案的安全性設計。超臨界機組控制對象復雜、非線性強，工質流和能量流耦合嚴重，機組蓄熱量較小，蒸汽參數高要求參數波動范圍小，所有這些都大大增加了超臨界機組的控制難度，因此需要對其控制進行優化。
（1）全面考慮工藝過程的安全性設計
在工藝過程的安全性設計方面，重點考慮了如下內容：控制器的適度分散與功能合理分配，重要參數的分控制器監視，以單點、單卡故障、單一參數失效不影響某一工藝系統或整個機組安全性為原則的I/O測點分配，以典型驅動算法功能的完善性和邏輯的嚴密性為基礎的設備控制安全性，熱工聯鎖保護的實現方法，模擬量控制回路考慮控制過程的安全性，內容全面和多重且設置優先級的報警，MFT執行部分繼電器邏輯設計，ETS和METS繼電器邏輯設計，必要的后備操作手段，電源及接地系統，控制邏輯設計與實現的規范性和標準化，控制器主副站同時掉電的極端情況下應對措施等。
（2）嚴密的機組主保護系統設計
機組主保護系統包括鍋爐安全保護系統（FSSS）、汽機緊急遮斷系統（ETS）和發電機主保護系統，這些都是機組保護系統的核心。莊河電廠600MW超臨界機組鍋爐和汽機保護系統均在DCS系統中實現，這就對DCS系統本身和工程方案的設計都提出了更高的要求。在工程方案設計中，重點把握了如下原則：
①安全性原則
a）保護控制器采用單獨控制器，冗余配置。
b）采用控制器邏輯和硬繼電器邏輯相結合的實現方式，極為重要的跳閘條件（如手動打閘和ETS中的汽機超速）在控制器邏輯和硬繼電器邏輯中同時實現。
c）控制器和硬繼電器邏輯均采用兩套電源供電。
d）保護動作指令回路采用雙套設計。
e）鍋爐保護跳閘動作指令設計成3個指令三取二方式；汽機跳閘動作4個指令分別送到液壓系統4個AST電磁閥，電磁閥采用“兩個先或然后再與”的回路布置方式，4個動作指令分別從不同DO卡件輸出。
f）重要聯鎖設備硬指令回路采用雙套設計。
g）手動跳閘按鈕采用雙按鈕的接點先并聯再串聯方式，每個按鈕采用兩副接點，每個按鈕的兩副接點先并聯，然后兩按鈕再串聯，提高按鈕動作的可靠性。
h）跳閘條件盡可能按三取二邏輯設計，且相關IO點從不同卡件輸入。
i）加強電源監視。對控制器的兩路電源進行監視。對給硬繼電器邏輯供電的兩套直流電源在切換前和切換后均進行監視，切換后電源的監視點安排在末端。
②快速性原則
根據保護對象的實際要求，盡量提高保護動作的快速性。鍋爐保護控制器處理周期為100ms，汽機保護控制器處理周期為30ms。
③跳閘條件的科學性和完善性
認真研讀相關的保護規程，嚴格依據機爐廠家提供的保護資料，深刻理解其含義和必要性，針對莊河超臨界機組的具體實際進行完善和優化，在跳閘條件延時和脈沖的使用上慎重考慮。
④硬跳設備的全面性和必要性
嚴格根據鍋爐防爆規程的要求，凡是直接危急到爐膛安全的設備，全部納入硬跳設備清單。
⑤跳閘首出原因記憶
對于機爐保護，均設計了跳閘首出原因記憶邏輯，便于準確快速尋找跳閘原因。
圖3為依據以上原則設計的莊河電廠600MW超臨界汽輪機保護系統ETS的繼電器邏輯原理圖。
圖3 莊河ETS繼電器邏輯原理圖
（3）對機組協調控制和汽水系統控制進行優化
（3）對機組協調控制和汽水系統控制進行優化
在協調控制方案中，充分考慮了超臨界機組鍋爐、汽機特性的差異，燃料、給水的平衡關系和相互影響。給水控制以燃水比為基礎，控制住中間點溫度（汽水分離器出口微過熱汽溫），同時考慮給水控制對汽溫的影響，將提供快速動態響應的減溫噴水與提供穩態汽溫調整的燃水比協調起來，使機組燃料和汽水系統控制整體上達到較優水平。啟動給水系統按功能組級設計，啟動給水系統投入自動后，在機組整個啟動、正常運行以及停止過程中，啟動給水系統設備完全處于自動控制狀態，這有助于實現超臨界直流爐從濕態運行到干態運行，以及從干態運行到濕態運行的安全穩定轉換。
莊河電廠#1機組168試運期間機爐協調控制、給水控制、過熱汽溫控制等主要控制回路均已投入，控制精度達到了較高水平。
4.3 莊河電廠輔助車間控制系統采用主廠房控制系統平臺（主輔控一體化平臺）的主要特點和優點
（1）靈活易用性
由于EDPF-NT系統應用了先進的網絡“域”技術，可以方便的在輔助車間一體化系統中加入和退出每個子系統或將子系統重新劃分，而不影響整個系統和其它子系統的正常運行，方便了輔控系統的逐步投運以及投運后電廠的檢修和維護工作。
（1）靈活易用性
由于EDPF-NT系統應用了先進的網絡“域”技術，可以方便的在輔助車間一體化系統中加入和退出每個子系統或將子系統重新劃分，而不影響整個系統和其它子系統的正常運行，方便了輔控系統的逐步投運以及投運后電廠的檢修和維護工作。
采用新一代完全自主產權的聚簇索引技術實時數據庫引擎，實現了輔控系統規模大情況下的最高實時數據檢索和更新效率，并通過系統內測點名稱可重名的動態邊界安全保障等功能，解決了輔控各子系統分步實施以及系統在線初始化過程中易出現的沖突和干擾問題，大大增強了輔控系統動態安全性和配置靈活性，方便了輔控各子系統分部實施投運。
（2）系統網絡實時、安全、可靠
EDPF-NT系統工業實時以太網采用了多項實時網絡應用綜合優化技術，現場運行情況表明性能優異、穩定可靠。
（3）系統操作安全，權限設置方便
莊河電廠輔助車間控制系統分為三層，為了系統操作安全，EDPF-NT系統加入了分級操作權限的功能，操作權限可以方便靈活的在不同的層間進行切換（不同的子系統間可以獨立切換，不會相互干預），同一時間只有一個層具有操作權限，而且只有得到操作權限的層才能對設備進行操作。
（4）控制器處理能力強
和PLC控制器相比，DCS系統除了具有優秀的開關量運算功能外，同時也提供了強大的模擬量控制功能，可以解決電廠任何復雜的控制方案，并且由于有實時多任務操作系統的支持，對于事件的響應速度更快。
（5）支持多種與第三方設備的通訊接口方式
EDPF-NT系統的冗余虛擬DPU技術和冗余COM卡技術便于實現與各種不同類型大小規模的其它系統的通訊控制。在莊河輔控DCS系統與輸煤程控（PLC）等系統的通訊控制上就充分采用了這些技術。同時借助于DCS成熟標準的網絡接口技術和開放的性能，輔助車間控制系統很容易將數據傳輸至全廠實時信息監控系統。
（6）經濟效益明顯
①由于輔助車間控制系統采用一體化設計，真正實現了輔助車間集中監視和控制，達到資源共享，合并減少或取消就地操作監控點，自動化水平提高，為電廠的減員增效起到了很好的作用，也為電廠的輔控車間級最終取消運行人員進而實現全部監控提供了可能。
②主輔控采用一體化平臺，即全部采用EDPF-NT系統，大大降低了備品備件數量，優化了電廠資源配置，減少了維護費用，降低了產品成本，為增強電廠的市場競爭力提供了重要保證。
③主輔控采用一體化平臺，對于熱控維護人員，可以不用學習和掌握多種控制系統，避免了雜而不精的情況出現，同時減少了培訓費用，也降低了熱控人員的維護工作強度。
④輔控系統依靠EDPF-NT系統先進的計算機技術、網絡通訊技術和控制技術，合理有效地提高了輔助系統的控制水平，提高了輔助車間自動化控制和管理水平，提高了電廠運行的經濟性。
5 小結
莊河電廠600MW超臨界機組主廠房和輔助車間控制系統的成功投運，是國電智深自主化EDPF-NT系統繼2007年初在河北龍山600MW直接空冷亞臨界機組上成功應用后，取得的又一項重要突破，是國內第一套成功用于600MW超臨界機組上的國產DCS系統，也是國內第一套大規模應用于600MW超臨界機組輔助車間一體化控制的DCS系統，具有里程碑的意義。
2008年，國電智深又先后和國華徐州電廠、國電諫壁電廠簽訂了1000MW超超臨界機組DCS系統供貨合同，莊河項目的成功為自主化EDPF-NT系統下一步在1000MW超超臨界機組的應用打下了堅實的基礎。
————轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號