火力發電廠輔助機電設備控制系統設計研究

摘 要:火力發電廠眾多的輔助機電裝備的自動化控制已經成為火電輔機控制系統設計的一個重要方面，本論文主要結合火電輔機的控制需求及技術要求對火電輔機控制系統進行了分析設計，給出了輔機控制系統的總體設計結構方案與功能模塊，在此基礎上重點探討了輔機控制系統的實現，從基于硬件的下位機控制實現與基于組態軟件的上位機開發實現兩個角度詳細論述了火電輔機控制系統及其集中監控網絡的實現，對于進一步提高火電輔機系統自動化控制水平具有一定借鑒和指導意義。

關鍵詞:火電輔機系統自動化控制集中監控網絡

中圖分類號:TB1文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(a)-0009-02

1 引言

隨著我國經濟的發展，能源、鋼鐵、交通等基礎設施建設得到了前所未有的巨大發展，對國民經濟發揮著極其重要的作用，然而自動化程度不高越來越成為制約經濟進一步發展的瓶頸，其中電能尤其顯得特別突出。在大力發展電力行業的同時，以集散控制及工控機技術為核心的電廠生產過程自動控制技術也得到了空前的發展，并逐步成熟起來，普及到輸煤、化水及除灰、脫硫等電廠的輔助系統。

本論文主要針對火力發電廠的設備特點和自動化控制的需求，對火電輔機控制系統進行分析研究，以期從中找到可行有效的火電輔機控制系統設計及自動化控制設計方案，并以此和廣大同行分享。

2 火電輔機控制系統總體設計

2.1 系統功能設計

系統功能設計如下，包括:數據采集、控制運算、控制輸出、設備和狀態監視、報警監視、遠程通信、變量的趨勢和歷史顯示、日志記錄、報表生成、事件順序識別、圖形顯示、控制調節、順控設備等。

(1)數據采集:完成實時模擬量、開關量的實時數據采集功能，系統掃描周期為15ms;用于控制的點，系統掃描周期一般為50ms:開關量SOE掃描周期為lms。

(2)設備和狀態監視:從操作員站上可監視到系統本級以下的所有硬件的狀態，特別是通過現場控制站可以監測到FO模件一級的設備，采用帶Profibus-DP、ControlNet等現場總線設備還可以檢測到通道一級;還可以診斷到各節點、打印機、網卡的故障。

(3)報警監視:系統報警監視的內容包括工藝報警和一般故障兩種類型。工藝報警的對象來自現場采集站采集的外部變量、內部計算處理的變量、由網絡或串行通訊接收的來自其它系統的變量。一般故障報警反映系統本身及其相關設備故障以及某些特定事件，并提供故障的詳細信息。

(4)遠程通信:系統可以通過各種通訊控制模塊與其它系統進行通訊，也可以通過現場控制站主控模塊的多功能接口卡使用RS-232、RS-485等協議與其它系統進行通訊，在不方便連線的場合還可以用無線通訊模塊進行無線通訊。使用光纖可以輕易將通訊距離擴展到幾千米。

(5)變量的趨勢和歷史顯示:系統的歷史數據庫可按照模擬量掃描周期和開關量狀態變化保留一段時間內的所有點歷史數據和事件，在此基礎上，各種軟件系統都支持變量的成組跟蹤顯示和歷史顯示。

(6)日志記錄:日志功能是按時間順序自動記錄、存儲和查詢運行過程中發生的各種隨機突發事件的功能，為運行人員提供事故分析的詳細依據。包括所有模擬量超限報警、超量程;開關量狀態改變、開關量抖動;計算機系統故障、電源故障;人工操作記錄等，并可形成報表輸出。

(7)圖形顯示:模擬流程圖以圖形方式表現現場的主要工藝流程和有關的動態信息，并具有對動態點進行操作的手段。模擬流程圖組態功能中，用戶可以用繪圖工具生成各種對象，并將其加入對象庫中。也可以從對象庫中直接調出已有的對象。每個對象既可以作為對現場情況的顯示，也可定義為對某些現場對象的操作。

(8)報表打印:報表大致分為定時報表和實時報表。定時報表一般用來在規定的時刻打印生產過程的操作記錄和統計(求和、平均等)，主要用來取代操作工的抄表工作。實時報表則用來隨機打印某個時刻的報表或者歷史報表，它由人工觸發。

2.2 輔機控制系統總體設計方案

根據輔助系統的地理位置和功能不同，火電輔控系統一般分為水、灰渣、輸煤、脫硫四個域，每個域設一對冗余分支交換機，各個域內的輔助車間以控制站或遠程I/O方式的接入各個域，其目的將全廠輔機的控制系統(包括脫硫控制系統)組成一個完整的輔助系統集中控制網絡，使全廠自動化控制系統的結構清晰、功能明確。

運行人員可在集中控制室內的輔助系統集中控制網絡操作員站上對各系統進行集中監控。由于輔助車間設備分散，分布面廣，為了系統調試和啟動初期方便，在就地可預留各輔助系統的工程師站接口，可在就地調試、操作。順便提一下，工業控制系統硬件一般使用PLC或者DCS系統硬件(其實這兩個不是一個概念，PLC以功能命名，DCS以體系結構命名，但實際中都是這樣把它們放在一個層面上)，總體而言，PLC的順序控制功能強些，模擬量處理偏弱，通訊中設置和維護較復雜，DCS順控比較差些，但是開放性比較好，便于擴展，控制方案更新方便，模擬量處理能力較強。所以一般象脫硫這樣模擬采集點多，存在大量過程自動化控制的場合，都是采用DCS系統，規模稍小些的，順序控制占大部分的如除灰系統，都是采用PLC來做。近幾年隨著技術的革新，PLC和DCS系統之間的邊界越來越模糊，尤其是PLC的發展比較快，很多以前不怎么適用的場合都可以很好的勝任了，反倒是DCS由于各廠商比較封閉，發展慢些。不過不論采用何種系統，都可以用統一的通訊協議，無縫地連接到輔助系統集中控制網絡(以下簡稱輔網)中去，再往上納入廠級管理信息系統(MIS)乃至廠級監控信息系統(SIS)系統，都沒有問題。

輔網采用冗余以太網環網，每個域設置兩臺互為冗余的實時數據庫服務器，設一臺輔網工程師站，在集中控制室中設置數臺操作員站。各輔機控制系統具體設置可如下:

(1)全廠性公用水系統控制:鍋爐補給水系統、工業廢水處理系統、綜合水泵房均納入輔機控制系統。控制機柜設置在各自車間，在鍋爐補給水車間設備設控制室;在全廠性公用水系統內的子系統還可適當采用遠程I/O，共用控制站。

(2)凝結水精處理系統控制:納入輔機控制系統。控制機柜設置在主廠房內汽機電子設備間，就地不設控制室，無人值守。

(3)輸煤系統控制:納入輔機控制系統。控制機柜設置在輸煤配電間，就地設置備用控制室。

(4)燃油泵房控制:納入輔機控制系統。采用遠程I/O方式實現對油泵房系統的控制。控制機柜設置在燃油泵房內，就地不設控制室，無人值守。雖然以往大多工程采用遠程I/O將其納入機組控制公用網絡并且僅在機組操作員站上監控，但在機組全部停修時將無法監控，將對以后擴建的機組運行產生影響，因而設在全廠性的輔網上更為合理。

(5)除灰渣系統控制:納入輔機控制系統，電除塵/電袋除塵、濕式或干式除渣及干灰輸送都采用冗余PLC系統以實現控制，通過通訊站接入輔機控制系統。控制機柜設置在除灰綜合樓內，并設置備用控制室。

(6)空壓站控制:空壓站現場無人值守，空壓機及干燥裝置均自帶程控，壓縮空氣系統在此基礎上，納入除灰渣系統控制或直接接入輔網系統。

(7)脫硫系統控制:納入輔機控制系統。控制機柜設置在脫硫綜合樓，就地不設控制室。

3 火電輔機控制系統的實現

3.1 輔機下位機控制系統設計

火力電廠輔機控制系統很多，針對每一套輔機都應該設計一套控制系統，同時這樣的控制系統還應當具有遠程網絡通訊接口，即遠程I/O通訊口，在完成控制的同時實現將相關傳感監測數據、遠程控制指令通過遠程I/O通訊口聯網傳輸。這里以基于PLC實現的變頻調速恒壓供水系統為例說明PLC構成的下位機控制系統的設計與實現。如下圖1所示，由PLC控制的變頻調速恒壓供水系統，主要由PLC、變頻器、水位傳感器、動力控制線路以及水泵等組成。

PLC控制模塊讀取水位傳感器傳來的數據，經過程序運算，通過通**信電纜將控制信息傳送到變頻器，從而改變電源頻率，再通過電纜連接到兩臺水泵電機上，從而改變電機的轉速，繼而改變供水回路的水壓，達到恒壓供水。變頻器具有RS 485通信接口，PLC與變頻器通信，控制變頻器的運行、讀取變頻器自身的電壓、電流、功率、頻率累計運行時間和過壓、過流、過負載等全部報警信息。這樣具有較高的運行可靠性，節省了PLC的I/O通道。

水網程控系統還配備水位顯示儀表，可進行高低位報警，通過PLC可確保取水在合理水位，同時也保護電機正常運轉。流量計能顯示一段時間的累積流量和瞬時流量，可進行出水量的統計和每臺泵的出水流量監控。以清水池水位為控制目標，以供水時間、季節為參考值，合理組合開泵臺數，減少開停泵次數，達到穩定水壓、節電供水之目的。

3.2 輔機控制上位機軟件開發

(1)軟件技術要求

除各大DCS廠商及PLC廠商都各自有其自行研發推廣的組態軟件外，而最常用的第三方上位機組態軟件主要有Intellution公司(現為GE所收購)的iFix及Wonderware公司的Intouch，代表著目前主流組態軟件的兩個方向。這些軟件各有優劣，都能滿足絕大部分的輔網設計需要，其中ifix由于其VBA的開放性接口，能夠擴展實現的功能多，對各種硬件、軟件協議及數據庫等的兼容性比較好，適用于大型的或較復雜的控制系統，而Intouch在易用性和高性能上面獨樹一幟，比較適用于中小型系統，我們應根據需要選擇合適的組態軟件進行設計。輔網和各輔機控制系統之間通過冗余的以太網接口進行通訊，并設置有操作員站，可完全實現各控制系統上位機功能，即不僅能顯示各系統風機、泵、閥門等系統設備的運行狀態、過程參數、報警等，還可以進行各運行方式的選擇和切換，進行自動程控操作，同時還具有模擬量參數顯示、棒狀圖顯示、聲光報警、打印制表等功能。可通過軟件設置輔網操作員站與分區集控點上位機的操作權限以避免沖突;當運行人員在分區集控點進行監控時，輔網操作員站只能監視不能操作。

輔網配置一臺輔助系統文件/數據服務器，負責各輔機控制系統數據集中、數據備份，用于系統監控范圍內某輔控系統故障時恢復數據、減輕網絡通訊負荷及管理輔機控制系統與SIS系統間的數據通訊等;可存儲和查詢各種打印信息，必要時可連接打印機實現打印輸出;同時兼作工程師站，可對系統監控范圍內各控制系統的系統軟件和畫面進行編輯組態和修改。

(2)輔網上位機系統開發

根據輔網網絡配置及輔網控制要求，要將所有子網系統的控制畫面，集中到輔網上位機中，實現輔網操作員站對子網所有系統的監視與控制。這部分設計是最考驗功力的。要綜合分析硬件配置的性能，各廠商采用的總線、協議規格，驅動的兼容性，以及對畫面風格，操作習慣、權限分配、報警記錄、數據庫查詢、可靠性乃至經濟成本在內的眾多要求，選擇出最合適的軟件和開發模式。以iFix為例，由于iFix的歷史數據庫開放性不夠。開發人員對其內部數據結構及組織方式無法深入了解，因此對歷史數據的操作能力也就比較差。而且基于管理的要求，MIS或SIS系統需要了解整個系統的運行情況，包括生產情況、值班情況、重要操作記錄查詢、報警查詢等以實現廠級生產調度的集中管理。而現有的iFix系統數據庫不適宜于數據的網絡共享，所以本文建議采用iHistorian工業數據庫+EXCEL將整個系統的數據存儲在服務器中。它支持C/S，B/S模式，支持ODBC及網絡數據復制，支持標準XML技術等，具有良好的開放性，容易與其他應用系統等接口。iHistorian數據庫管理系統成為iFix數據庫之外的一個重要輔助系統。它將管理一些重要的數據，并成為本系統與上級系統數據共享的通道。就我的工程應用中，如果采用的是Schneider的硬件，還可以更進一步，在輔網上采用Vijeo Citect HMI/SCADA軟件，它的模塊化任務和負載平衡技術，可以降低單機數據處理負荷，根據實際情況向不同上位機分攤任務。由于和Modicon良好的兼容性，變量標簽庫可以動態同步更新，避免項目從各輔機控制系統向上級轉移更新時的錯誤。而且Citect是全冗余結構，可大大提高在大系統應用中的可靠性。

4 結語

本文研究和分析了火電廠輔機自動化控制系統的性能要求與技術需求，重點利用PLC和DCS、工業網絡總線和開放式軟件平臺技術實現對火電輔機控制系統的設計，為了實現對生產的邏輯控制，現場控制層采用PLC等技術，網絡結構采用工業以太網，軟件平臺綜合了主流組態軟件、工業數據庫、面向對象的軟件開發等，以保證數據的可靠采集傳輸和記錄。這種上下位一體的結構改變了以往串口通信等模式在傳輸速率及擴展的局限性，改變了上下位機一對一的開發監控模式，為系統提供了易于擴展的開放性接口。對于進一步提升火力發電廠或者其他工廠實現數字化、自動化控制，提升自動化控制水平具有一定的借鑒指導意義。

參考文獻

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