燃氣和蒸汽聯合循環發電系統中的DCS設計

盧冬冬，鄭晶晶

（山東鋼鐵股份有限公司 萊蕪分公司 自動化部，山東 萊蕪 271104）

0 引言

鋼鐵企業的發展具有多產業的聯合性、技術系統的復雜性、經濟系統運行的復合性等特點，因此我們必須構建完善的循環經濟體系。燃氣和蒸汽聯合發電是實行熱電聯產比較好的熱能利用方式，也是一種回收能源充分利用的最好形式。本文綜合考慮了電氣、儀表的特點以及生產工藝對自控系統的要求，對燃氣和蒸汽聯合循環發電系統中的DCS（集散控制系統）進行了設計。

1 燃氣和蒸汽聯合循環發電系統的構成

燃氣和蒸汽聯合循環發電系統主要包括燃氣輪機系統、蒸汽輪機系統以及余熱鍋爐系統，其系統網絡布置如圖1所示。燃氣輪機系統大體包括：潤滑油系統、氮氣置換系統、壓縮空氣系統、控制保護系統、氣體燃料系統、液體燃料系統和超速保護系統等。蒸汽輪機系統大體包括：汽輪機本體汽水系統、發電機TSA軸系監測系統、潤滑油系統、凝結水系統、DEH調速系統、盤車系統和除氧系統等。余熱鍋爐系統大體包括：鍋爐本體系統、汽水系統、燃燒系統、排污系統、點火系統、引送風機系統、火焰監控系統和吹掃系統等。

2 DCS自控系統的設計

燃氣和蒸汽聯合循環發電系統是由電氣和儀表自動化系統組成的，采用電氣系統、儀表系統集中控制的模式。根據工藝系統劃分及控制要求，DCS自控系統主要包括燃氣輪機自動控制系統、蒸汽輪機控制系統、余熱鍋爐控制系統以及電氣系統和公用系統。該工程的DCS控制系統網絡是以工業以太網為基礎建立的客戶／服務器通訊模式，網絡的控制管理采用兩層結構模式，即星型連接，控制網絡采用雙冗余配置；各分散的控制系統層采用DP總線模式，方便連接遠程I／O站以及現場智能設備；每個子系統的層間連接采用冗余的星型連接，它們之間相互獨立，互不影響。

圖1 燃氣和蒸汽聯合循環發電系統網絡布置

2.1 DCS自控系統硬件設計

燃氣、蒸汽聯合循環發電整個控制系統均采用ABB生產的Inudstry IT系列AC800FDCS系統，以PM803控制器為基礎，設置一個中央控制室以及3個DCS站點，其中3個DCS站點和中央控制室在主干光纖環網上，光纖環網的冗余功能保證了以太網通訊的可靠性。3個DCS站點的網絡模式是以主站交換機為中心的星型結構。中央控制室可以通過以太網向現場的各DCS站下達控制指令、修改程序、采集現場數據，同時也可以實現各DCS站點之間的數據交換。系統的CPU采用冗余模式，正常運行過程中，其中一個CPU處于主模式，另外CPU處于備用模式，兩個CPU同步運行，相互冗余，一旦主CPU發生故障而不能及時地將指令傳達給現場的執行機構時，備用CPU會迅速啟動，完成無擾切換，繼續主CPU沒有實現的功能。冗余系統各分站的主體框架由2塊CPU PM803模塊、2塊電源模塊、2塊以太網通訊模塊、2塊FI830現場總線模塊組成，遠程I／O機架由若干的DI模塊、DO模塊、AI830熱電阻模塊、AI810模塊和AI835熱電偶模塊組成。其中DI、DO模塊直接與現場的電氣設備進行運行狀態和啟停信號相連，負責實現現場電氣相關設備的啟停；AI830、AI835模塊負責將現場的溫度、壓力測點轉換到畫面顯示，方便操作員的監控。冗余系統功能的實現使該硬件系統具有高度的可靠性、安全性、高可用率和抗干擾能力強等特點。

2.2 DCS自控系統軟件配置

系統中的工程師站、監控站、生產監控服務器均安裝了Windows XP系統軟件，各分站安裝的DCS編程軟件是由ABB公司提供的CBF8.1版本，通過該軟件可實現程序的編程、畫面的制作、硬件的組態、網絡模式的設置、CPU故障的診斷、I／O設備通道狀態的診斷以及現場設備的調試。各監控站都安裝了Digvis8.1版本的監控軟件，負責監控生產工藝流程以及現場相關的電氣設備的運行狀態。在程序編制過程中，運用功能塊（FBD）、梯形圖（LD）、SFC相結合的編程方式實現現場設備的啟停，具有模擬量量程轉換、歷史趨勢查詢、故障查詢、開關量功能監控、PID自動調節控制、邏輯運算、語音報警和自動打印等功能。

2.3 通訊方式

現場控制層的網絡通過Profibus現場總線和冗余控制器PM803通訊，雙線冗余，通訊速率可高達12 Mb／s，距離遠達1 200mm。中央監控層實現了各控制器之間、工程師站和操作員站之間的通訊，它是基于工業以太網的通訊模式，實現數據的交換和共享。

3 DCS自控系統的特點

DCS自控系統具有如下特點：

（1）儀表控制：該系統實現了數據的采集和顯示，并對一些重要的參數如溫度、壓力、流量進行PID自動調節，調節的過程中可以實現手／自動的無擾動切換。

（2）電氣控制：通過人機界面的操作指令和數據監測，實施對泵類、電動閥、風機、變頻器的啟動與停止，以及燃氣輪機、汽輪機的沖轉、升速、并網、加減負荷等操作。

（3）設備監控：通過動態顏色的顯示，操作人員可根據人機界面設備的動態顏色來判斷現場設備的運行情況，當某一設備控制回路通電時，紅色代表停止，綠色代表運行，黃色代表故障。

（4）數據監視：人機界面設計了詳細的工藝過程流程圖以及管道上相關的溫度和壓力等測點，操作人員可通過人機界面全面監控現場儀表設備的溫度和壓力，準確了解現場工藝管道的情況。

（5）實時報警：該系統對重要設備實施監控報警，當現場設備故障或者是壓力、溫度測點高于設定值時，人機界面會通過顏色反差或者是語音報警及時提醒操作人員處理。

（6）故障診斷：該系統擁有完善可靠的故障診斷功能，可以在線實時對CPU通訊故障、控制器故障、DP通訊故障、I／O模件通道故障作出判斷，并顯示在監控站上。工程師可以方便直觀地查出故障原因，為機組的可靠運行提供保障。

（7）系統診斷：在通道正常運行的情況下，在程序中應用了系統變量，且做成歷史趨勢，通過相關的系統參數來判斷當前運行系統的狀態，主要是CPU的運行參數和通訊參數，使整個控制系統的運行狀況都能如實地反饋給工程師，防止一些意外發生，保證了系統的安全運行。

（8）數據記錄：該系統對重要的數據進行保存，形成歷史趨勢，完整地保存在默認的盤符路徑下。通過歷史趨勢，現場生產人員可以隨時查看機組重要參數，對重要參數進行對比分析，分析的結論有助于提高發電效率。

4 結束語

燃氣和蒸汽聯合循環發電機組已并網發電，且性能穩定，運行良好，達到了預期的目標。DCS自動控制系統的投入使用，優化了現場生產人員的結構，降低了生產成本，提高了經濟效益，為發電機組的經濟運行提供了可靠保障。

［1］ 李正軍.現場總線與工業以太網及其應用系統設計［M］.北京：人民郵電出版社，2006.