淺析ECS-100系統在建峰熱電廠四號爐上的應用

馮 雷 楊 鵬

（1、建峰工業集團重慶MDI建峰項目部，重慶 401221；2、重慶化醫恩力吉投有限責任公司MDI公用工程指揮部，重慶 401221)

1 硬件配置及網絡結構

建峰熱電廠四號爐DCS系統采用的是浙江中控技術股份有限公司提供的ECS-100控制系統，該系統是浙江中控技術股份有限公司針對國內外大中型DCS控制系統所研發的一套技術較成熟，功能較完善、性能較穩定的控制系統。建峰熱電廠四號爐DCS系統根據設計院提供的I/O測點清單、鍋爐廠家提供的測點布置圖以及生產工藝流程的需要配置了一臺工程師站、兩臺操作員站和一臺值長站，同時配置了兩個過程控制柜、一個繼電器柜及一個電源柜。對于本套控制系統的核心部件：主控卡、數據轉發卡及現場I/O卡件配置的均是浙江中控技術股份有限公司最先進、最成熟、運算速度最快的卡件，上述硬件配置的具體參數及功能介紹如下：

2 各操作站硬件配置說明

2.1 工程師站配置及功能

工程師站配置的是一套DELL奔騰D雙核工業機，并配有標準鼠標鍵盤及專用操作員鍵盤。工程師站的主要功能是：實現控制回路組態，畫面生成，報表生成，過程趨勢和參數整定等工作，同時可以兼作操作員站和歷史站。

2.2 操作員站及值長站配置及功能

操作員站及值長站硬件配置與工程師站相同，操作員站能為電廠運行人員提供直接和直覺的訪問方式，能使運行人員實時監控現場設備的運行狀況，并能對現場重要設備進行啟、停操作，同時反饋設備狀態。值長站的功能主要是將現場設備的實時運行狀況反映給值長，使其能夠及時有效地協調和調度各車間運行人員，保證系統安全、穩定運行，值長站的操作權限最低，只能起監控作用，不能進行操作。

3 主控卡件及現場I/O卡件配置及功能

3.1 主控卡配置及功能

主控卡相當于是整套DCS系統的大腦及神經系統，是控制站軟硬件的核心，用以協調控制站內軟硬件關系和各項控制任務。它可以自動完成數據采集、信息處理、控制運算等各項功能。通過過程網與過程控制級（操作員站、工程師站）相連，接收上層的管理信息，并向上傳遞工藝裝置的特性數據和采集的實時數據；向下通過網絡與數據轉發卡通訊，實現與I/O卡件的信息交換。熱電廠四號爐DCS系統的主控卡采用冗余配置，其型號為：FW247,它是浙江中控技術股份有限公司2005年后在市場上主推的最先進的主控卡件，其主要具備如下功能特點：

a.功能強、速度快、單站容量大，掃描周期從50ms到5S可選，典型運算周期為100ms。

b.可提供192個控制回路，其中包括128個自定義回路和64個常規控制回路。

c.支持1:1熱備份冗余或非冗余配置。

d.提供主控制器、I/O卡件、I/O通道綜合故障報警。

e.支持整體在線下載。在下載過程中，不停止用戶程序，主控卡按原有組態正常工作。

f.支持梯形圖、功能塊圖、順控圖等組態工具編制的控制方案。

g.有掉電保護功能，在系統斷電的情況下，組態、過程數據均不丟失。

為了標示主控卡的網絡地址及對掉電保護功能進行設置，主控卡上配置有S1～S8共8位撥碼開關，S2～S8為地址撥碼開關，用于設置主控卡的地址，遵循8421的二進制原則，其自上向下代表高位到低位，即上側S2表示高位，下側S8表示低位，地址范圍為：2～127。S1為后備電池供電開關，S1為ON時選擇掉電保護功能，此時主控卡掉電后RAM中的組態、實時數據不會丟失。

如果主控卡按非冗余方式配置，即單主控卡工作，卡件的網絡地址記為N且必須為偶數，且滿足 2≤N＜127，N+1地址保留，不可作其他節點地址使用，如果主控卡為冗余配置，則互為冗余的兩塊主控卡網絡地址必須設置為以下格式：若起始地址為N，則另一地址為N+1，且N為偶數，滿足2≤N＜127。

在系統正常運行中，互為冗余配置的主控卡的工作卡和備用卡的狀態可以通過主控卡件面板上的狀態指示燈加以區別，指示燈狀態說明見下表：

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3.2 數據轉發卡配置及功能

數據轉發卡是控制站I/O單元（機籠）的核心，是主控卡連接I/O卡件的中間環節，它一方面通過SBUS－S2冗余工業以太網總線和主控卡通訊，另一方面通過SBUS-S1總線管理本機籠的I/O卡件。數據轉發卡可以冗余配置，在冗余配置狀態下，任意時刻只有工作卡進行實時數據通信，備用卡通過監聽保證實時數據的同步。通過數據轉發卡，一對主控卡（FW247）可擴展1到8個I/O機籠，即最多可擴展128塊不同功能的I/O卡件。熱電廠四號爐采用冗余配置的數據轉發卡，型號為：FW235。

數據轉發卡的網絡地址也是通過8位撥碼開關（SW2）設置，撥碼開關 SW2-5～SW2-8采用2進制計數，數據轉發卡的地址為0≤N＜15，且N必須為偶數，若數據轉發卡為單卡工作，則奇數為地址保留，不能作其它節點地址使用；若為冗余配置，則起始地址為N，另一地址為N+1，同時滿足0≤N＜15。SW2-1～SW2-4為系統保留資源，正常工作是必須置為OFF。

SW1為切換保護開關，用于工作卡和備用卡間的人工切換及差拔卡件時的通道保護。插拔卡件時必須按下此開關。

3.3 現場I/O卡件的配置

根據設計院提供的DCS系統測點清單，熱電廠四號爐共配置了23塊8路標準信號輸入卡，型號為FW351；8塊8路TC信號輸入卡，型號為FW352；7塊8路RTD信號輸入卡，型號為FW353；5塊8路電流信號輸出卡，型號為FW372；9塊16路數字信號輸入卡，型號為FW366；8塊16路數字信號輸出卡，型號為FW367。上述卡件均采取單卡工作，沒有冗余配置，但考慮了15%的備用通道余量。所有配置的I/O卡件均為點點隔離，即任意通道故障不影響其它通道正常使用。另外數字信號輸出卡件配置了與卡件數量相同的繼電器。

4 系統網絡結構

根據上述硬件配置及工藝要求，熱電廠四號爐DCS系統采用如下網絡配置，見圖（1）。該系統通過標準的以太網接口進行信息通訊，并符合標準的TCP/IP通訊協議

5 軟件配置及系統功能

熱電廠四號爐DCS系統配置了浙江中控技術股份有限公司的實時監控軟件、工程師站組態軟件（含系統組態、流程圖制作、報表制作、編程軟件、語言編程、圖形化編程）、溫度信號轉換軟件、SOE軟件、故障診斷軟件。通過上述軟件配置可以實現如下功能：

5.1 數據采集系統（DAS）功能

通過工程師組態軟件及實時監控軟件，本套系統可以連續采集和處理所有四號爐本體部分及所有的輔機系統的重要測點信號和設備狀態信號，并提供如下顯示功能及制表記錄：流程圖顯示、趨勢顯示、操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示、報警顯示、操作員操作記錄等；參數報表記錄、事故追憶記錄、事故順序（SOE）記錄、跳閘一覽記錄等。

5.2 模擬量控制系統（MCS）功能

5.2.1 模擬量控制系統能實現對母管制機組及輔機系統的調節控制，使機組能夠安全穩定啟停，并且可將系統劃分為若干子系統，子系統設計遵守“獨立完整”的原則。

5.2.2 模擬量控制系統具有一切必要的手段，自動補償及修正機組自身的實時數據

5.2.3 在自動控制范圍內，模擬量控制系統能處于自動方式而不需任何性質的人工干預，并具有良好的，穩定的、可靠的自動控制功能。

5.2.4 模擬量控制系統能提供聯鎖保護功能，以防止控制系統誤動作，如系統某一部分條件不滿足時，該部分自動及相關自動控制不能投入，同時保證控制系統任何部分運行方式的A/M切換，均為無擾動切換，不引起系統波動。

5.2.5 對某些重要的關鍵參數，在現場應用中采用三重冗余變送器測量。對三重冗余測量值。系統可以自動選擇中值或平均值作為被控變量，而其余變送器測得的數值，若與中值信號的偏差超過預先整定的范圍時，進行報警。如其余二個信號與中值信號的偏差均超限報警時，則控制系統受影響部分切換至手動；對某些僅次于關鍵參數的重要參數，現場采用了雙重冗余變送器測量，若這二個信號的偏差超出一定的范圍，則提供報警，并將受影響的控制系統切換至手動。

建峰熱電廠四號爐工程根據運行工藝要求及以前三套機組自動控制的投入情況，對熱電廠四號爐組態了如下的模擬量控制系統：汽包水位自動控制系統、爐膛出口負壓自動控制系統、主汽溫度自動控制系統及所有的執行機構控制回路。另外除氧器壓力及水位模擬量控制系統進入原三號機DCS系統，不進入四號爐系統。

5.3 順序量控制系統（SCS）功能

5.3.1 順序量控制系統主要用于機組的啟動和停止，在應用過程中同樣可將某個設備定義為一個子系統項。對于每一個子系統項，它們的狀態、啟動許可條件、操作順序和運行方式，均可在系統畫面上顯示。

5.3.2 順序控制系統中的每步均通過從設備來的反饋信號得以確認，每步都能監視預定的執行時間。如果順序未能在約定的時間內完成，將發出報警，且禁止順序進行下去。如果事故消除，在運行人員再啟動后，可使程序進行下去。

5.3.3 在自動順序期間，出現任何故障或運行人員中斷信號，都將使正在運行的程序中斷并回到安全狀態，使程序中斷的故障或運行人員指令將在畫面上顯示，并能通過打印機打印出來。當故障排除后，順序控制在確認無誤后可再次進行啟動。

5.3.4 順序控制中設備的聯鎖、保護指令具有最高優先級：手動指令則比自動指令優先。被控設備的“啟動”、“停止”或“開”“關”指令能互相閉鎖，以保證設備的安全穩定運行。熱電廠四號爐工程中主要的順序控制子系統項有：風機子系統項、給煤機子系統項、冷渣器子系統項、輸渣子系統項、鍋爐放水，排汽子系統項、及鍋爐點火子系統項等。

6 控制系統組態應用

6.1 控制系統組態

熱電廠四號爐DCS系統組態主要包括：硬件組態、I/O點組態、流程圖組態、自定義控制算法組態等組態步驟。硬件組態主要是對主控卡、數據轉發卡、I/O卡件及操作站進行組態定義。主控卡、數據轉發卡和I/O卡件主要是定義其卡件型號、運算周期、是否冗余、通道號等，操作站組態主要是定義各操作站的操作權限、IP地址等；I/O點組態主要是根據設計院提供測點清單定義各測點的特性及其在系統中的具體通道的位置，并對各測點的測點類型、測量范圍、報警值、通道號及是否提供趨勢畫面等進行定義，硬件組態及I/O點組態是整個DCS系統組態的基礎；流程圖組態主要是根據設計院提供的流程圖，結合自己現場的實際情況，再根據運行人員的操作習慣對系統操作流程及畫面進行組態繪制；自定義控制算法組態是整個DCS系統組態的核心，所有系統設備的啟停、聯鎖保護、自動控制的實施等均是通過自定義控制算法組態來完成的。

6.2 組態應用實例

通過上述組態過程，熱電廠四號爐系統就實現了真正意義上的集散控制，即運行操作人員在控制室內就能對現場設備的啟停及運行狀態進行實時監控，甚至有些系統可以實現自動控制。而自動控制的實現與否除了與現場的一次測量元件有關外，還與DCS系統相關組態的邏輯有很重要的聯系，而組態邏輯是否可行，關鍵是要制定合適的控制方案。現以熱電廠四號爐汽包水位自動控制系統為例簡單介紹一下其控制方案的建立過程。

對于大中型鍋爐汽包水位自動控制都采用三沖量給水自動調節系統，所謂三沖量是在自動調節過程中，調節器根據汽包水位沖量信號、蒸汽流量沖量信號和給水流量沖量信號對汽包水位進行控制調節。熱電廠四號爐同樣采用了三沖量給水自動調節系統，接下來我們就要對這三個沖量信號進行功能上的詳細劃分。

我們都知道三沖量給水自動調節系統有單級三沖量和串級三沖量的劃分，即在鍋爐啟停或低負荷運行時采用單級三沖量控制，而在額定參數下或高負荷運行時采用串級三沖量控制，二者之間可進行無擾切換。但是根據我電廠前三套機爐的運行情況及鍋爐運行操作規程的要求，在機組的啟停或低負荷運行情況下，都沒有投過給水自動，因為機組在這種情況下運行時，汽包水位、給水流量及蒸汽流量等的工藝參數與額定運行時的參數有較大的偏差，這也就造成上述參數的測量值與真實值有較大的偏差，這一偏差是不可避免的，所以在這種情況下投給水自動的意義不大并存在一定的危險性。因此我們只在鍋爐額定工況運行時采用串級三沖量控制這一方案。

采用串級三沖量控制后，我們將給水流量信號作為控制系統內環（副控對象）的反饋值，因為當給水流量變化時，節流裝置前后的差壓變化很快，差壓信號的變化能及時反映給水流量的變化，所以把它作為內環反饋信號，使調節器在水位還未變化時，就將這一情況傳遞給控制系統，使系統提前消除擾動，起到穩定給水流量的作用；汽包水位信號作為主要控制量，用作控制系統的外環（主控對象）的反饋值，這是因為任何擾動引起的水位變化，都會使調節器輸出信號發生變化，改變給水流量，使水位恢復到給定值；對于蒸汽流量信號，我們將其作為控制系統的前饋信號，用以消除由于虛假水位而引起調節器產生誤動作，改善蒸汽流量擾動時的調節質量。根據上述功能劃分后，制定汽包水位串級控制回路方框圖如下：

根據上述控制回路方框圖，熱電廠四號爐DCS系統通過控制器算法組態對汽包水位自動控制方案進行了組態，并且對上述三個沖量信號進行了嚴格的計算及作了相應的溫壓補償。只有這樣才能保證系統投入自動后控制的安全和穩定。

總結

建峰熱電廠四號爐DCS系統從最初設計、設備采購、軟件組態到最終調試投運，都是作者本人具體負責完成的。從調試試運效果上看，系統運行較穩定、運行人員反應較好。因此通過上述DCS系統軟硬件的配置為熱電廠四號爐今后的長期安全、穩定運行提供了有力保障，同時根據現場實際運行情況，并借鑒已往的運行、維護經驗制定了有效可行的控制方案，通過組態實施后，為系統的經濟運行提供了可能。熱電廠四號爐的投產不僅成為了熱電廠新的經濟增長點，而且也為整個建峰工業集團今后的飛速發展提供了充足的動力和能源。

[1]楊凌波，劉耀宇，吳志鵬.ECS在電廠DCS中的應用探討[J].自動化博覽，2009-10-15.