電站輔助系統DCS試驗臺設計與開發

周翔捷，陳新楚，3，鄭松，2

(1.福州大學電氣工程與自動化學院，福建 福州 350108;2.中海創研究院，福建 福州350008;3.福州福大自動化科技有限公司，福建 福州 350008)

1 引言

隨著電廠朝著大機組、高參數、大容量發展[1]，單元機組集控運行成為當今火電廠的主要運行控制方式，同時對機組的控制自動化要求也不斷提高，大型機組的控制系統普遍采用分散控制系統(DCS)。電站輔助控制系統也從過去的繼電器控制方式發展到相對集中的子系統控制方式，輔助系統的體系架構也隨之改變。近年來，也有許多學者提出利用網絡等相關技術對輔助系統進行集成，使得各個分散的子系統的數據能夠共享并集成到統一的控制室中，從而提高人員效率、故障處理反應速度等[2]，這種架構被稱為一體化的輔助系統架構。一體化架構的應用將有效地優化輔網DCS控制系統。但是不管架構優化的如何，電站輔助系統DCS因與現場設備相連，必須按照規程來進行操作，更不可能在現場的DCS控制系統上面進行各種試驗。因此，本文將以實際電站輔助系統DCS體系架構為藍本，設計并開發電站輔助系統DCS試驗臺，為輔助系統DCS控制模式提供一套科學、完備和可拓展的試驗室研究環境。

2 電站輔助系統DCS的一般體系架構

資料[3－5]，可以得出結論:電站輔助系統DCS的一般結構為監控層、控制層、設備層，其中設備層即現場的儀器儀表等。監控層與控制層之間的網絡通信根據地理位置、網絡通訊類型的差異而各有不同。

本文所涉及的輔助系統DCS的藍本為神華石獅鴻山熱電廠二期實際工程項目。石獅鴻山熱電廠二期工程為2×1000MW超超臨界燃煤發電機組，本工程主要根據輔助系統的工藝、功能和地理位置特點，將全廠輔網系統劃分為水系統控制系統、除灰控制系統、凝結水精處理及取樣加藥控制系統、空壓機控制系統、采暖通風控制系統、制冷站控制系統、輸煤控制系統等子系統。

2.1 網絡結構

整個輔控系統采用“集中監測，分散控制”的方式，設置一個集控中心，部分就地監控室，集控中心負責整個輔網系統的監控操作和對外系統數據交換，各子系統就地監控室負責本系統的監控操作。本工程通訊網絡主要分為二層:監控層網絡、控制層網絡。

2.1.1 監控層網絡

監控層網絡采用為雙網冗余結構，即圖1中的A網、B網，負責實時數據的傳輸和共享，以及系統靜態數據、系統歷史數據、報警數據、性能計算數據的傳輸。由于集中控制室與各個子系統地理位置距離較遠，所以集中控制室至各個子系統以及子系統監控層主干網絡采用100Mbps工業光纖以太網。

2.1.2 控制層網絡

控制層網絡連接的硬件設備包括工程師站、操作員站、歷史站、接口站(OPC服務器)。控制層網絡采用雙網結構，即為圖1的D網、E網，負責控制系統主站與遠程從站的實時數據傳輸。各控制子系統主站與從站間由于采用的PLC的品牌為歐姆龍，所以采用Controller Link 網絡[6]。

圖1 實際輔助系統DCS架構圖

2.2 硬件系統

整個輔網硬件體系包括上位機系統硬件和控制站系統硬件，主要的硬件包括操作員站、工程師站、歷史服務器、OPC服務器(接口站)、控制站以及外圍設備(交換機、打印機、光電轉換器)。控制站主要是以歐姆龍控制器為主，還有一些其他品牌的控制器。

2.3 軟件系統

目前，各自廠家的PLC均采用軟硬件綁定的方式，這種綁定方式增加了實際工程的復雜性及工程、培訓成本[7]。在一項稱為“工業自動化通用技術平臺”(簡稱IAP)研究課題中，已經在10種不同的PLC或者工業PC中實現了統一標準的圖形化控制算法研究。所以本工程的全套控制軟件采用工業自動化通用技術平臺IAP系統軟件。其軟件構成如圖2所示，共分為數據引擎軟件IAPengi、系統結構設備庫組態軟件IAP-plant、控制策略組態軟件IAPlogic、人機界面組態軟件IAPview、數據中心管理軟件IAPdata、分布控制診斷軟件IAPdiag、動態系統仿真軟件IAPsimu等7大軟件。

IAPengi主要裝載在控制站內，提供數據引擎服務，實現跨平臺技術。其他IAP軟件均裝載在PC機內。詳細分布圖可以參見表1。

圖2 IAP軟件構成圖

表1 實際輔助系統DCS軟件系統

3 試驗臺的體系架構

電站輔助系統DCS試驗臺的體系架構將充分根據電廠輔助系統DCS的一般體系結構來設計實現。其試驗臺的監控層、控制層的網絡配置均與電站輔助系統DCS一致。控制站部分將IAPsimu控制站，采用PC作為輔助系統DCS的控制站，在實驗室環境中構建與實際輔助系統DCS等效的控制系統。詳細的試驗臺體系架構圖參見圖3。

3.1 網絡架構

整個試驗臺采用與現場輔助系統DCS一致的架構體系，即監控層與控制層，其中監控層網絡也是采用雙層監控的方式，即集中控制層的監控與各子系統的監控。通過權限等設置，可以使集中控制系統監控網絡查看各個子系統的現場情況，而子系統只能查看本系統的運行情況。

3.1.1 監控層網絡

這道菜名聲顯赫、有氣勢，做起來卻并不復雜。先把鮮蝦仁、肉片、雞絲口蘑、冬筍片、火腿片、蔥白頭等作為主料，加入各種調料，然后下鍋熬成滾燙的湯汁兒；再把鍋巴下熱油鍋炸脆、炸至金黃色，裝入大盤中，最后將熬好的湯汁兒澆在炸好的鍋巴上，這就可以了。

監控層網絡同樣采用雙網冗余結構，每個PC均設置好相互通訊的獨立IP地址。由于在實驗室環境中，因此不存在遠距離傳輸的問題。由此可得，集中監控層與各個子系統的監控層不需要采用光纖的通信方式，只需要采用以太網的模式即可。這只是傳輸介質改變，但是傳輸的信號沒有改變，所以可把試驗臺監控層網絡與輔助系統DCS視為等價。監控層也具有實時數據的傳輸和共享，系統靜態數據、系統歷史數據、報警數據、性能計算數據的傳輸等功能。

3.1.2 控制層網絡

控制層網絡同樣也采用雙網冗余結構，每個子系統均配備一個IAPsimu控制站，一個IAPsimu控制站可以設置100個控制器節點，即可以與100個PLC相對應，只需要改變節點即可改變控制站的切換。考慮試驗臺控制層網絡的特點及IAPsimu的擴展特性，所以不需要配置主從站，且子系統的監控層網絡與IAP-simu控制站的連接也只需要通過以太網的方式即可。IAPsimu控制站的拓展特性可以很好的簡化了輔助系統DCS試驗臺的控制層網絡結構。其實，在整個輔助系統DCS控制器不超過100個時，可以將四個IAP-simu控制站整合成一個IAPsimu控制站，但由于數據通訊量、計算量巨大，本試驗臺系統的PC機性能還未達到此要求。

3.2 硬件系統

相比整個試驗臺的硬件系統與輔助系統DCS的硬件系統，除了采用PC作為虛擬控制站和沒有配置物理輸入輸出設備外，其他硬件配置與實際輔助系統DCS完全等效。試驗臺硬件系統包含操作員站、工程師站、歷史服務器、IAPsimu控制站以及外圍設備(交換機、網線等)。與輔助系統DCS相比，部分系統少了打印機與操作員站，但這些只會使這個系統無打印功能且缺少幾個操作員的位置，對整體的體系架構沒有影響。其中集中控制層配置一臺工程師站、兩臺操作員站和一臺歷史服務器站，各個子系統都將配置一臺操作員站和IAPsimu控制站。此外，一般電站輔助系統DCS的子系統不超過三個，所以圖3的試驗臺完全可以滿足實際需要。不過試驗臺還具有很強的拓展性。根據配置的網絡設備情況，最多可以拓展到六個子系統，這也為后期要裝載更為復雜的輔助系統DCS到試驗臺上做好準備。

試驗臺一共有12臺PC機，每臺PC機功能不盡相同，且每臺電腦均配置冗余雙網卡，需分配好IP才能使試驗臺有效工作。IAPlogic、IAPplant、IAPview、IAPsimu都需要準確的IP設置才可以完成通訊。

3.3 軟件系統

試驗臺的軟件系統也是采用IAP技術平臺軟件，利用其跨平臺特性，實現用PC模擬實際控制器。操作員站、工程師站和歷史站的軟件分布見表2。

表2 輔助系統DCS試驗臺軟件系統表

圖3 輔助系統DCS試驗臺架構圖

對比輔助系統DCS的軟件分布表可以看出，試驗臺的軟件分布與輔助系統DCS的軟件分布完全相同。

此外，IAPlogic、IAPplant、IAPview、IAPsimu 都需要準確的IP設置才可以完成通訊。所以設置IP地址對于試驗臺的成功通訊尤為重要。除了上述提到的試驗臺網絡架構、軟硬件系統的配置與試驗臺相同之外，還需要保證工程組態、計算機操作系統等都相同。

4 IAPsimu控制站與PLC的等價關系

對比電站輔助系統一般體系架構與電站輔助系統DCS試驗臺體系架構，可以得出二者最大的區別為輔助系統DCS采用PLC控制，而試驗臺系統采用PC作為控制站。所以二者能否等價的問題其實就是PC是否能等價PLC的問題。PC上運行的IAPsimu虛擬控制站軟件內含有數據引擎技術，通過這項技術可以實現PC與PLC之間的跨平臺，從而實現PC與PLC的等價[8，9]。

其控制引擎機理與面向PLC的數據控制引擎機理一樣，將組態所用到的各種功能塊圖形空間通過一定的映射機制，變為有規律的實時數據空間，數據可以有千變萬化的組合，每個組合可以代表一種特定的控制算法，同時由預裝在PC控制站中的數據引擎軟件負責將數據模型空間再變換為PC控制站執行所需的指令空間。這種高度可移植的控制引擎技術同時能創建本地和分布式控制系統環境，即在同一種控制系統中，可以采用不同PLC做控制器，也可以采用PC做控制器。所以可以用裝載有IAPsimu的PC來等價PLC。用裝載有IAPsimu的PC等價PLC在許多工程中得到驗證。

實際的操作只需要將現場設備庫組態IAPplant軟件中控制器由實際控制器改為IAPsimu控制器即可實現。

5 結論

針對目前電站輔助系統DCS控制系統中注重現場忽略實驗室環境這一現狀，本文提出一種基于試驗臺的方式來研究輔助系統DCS控制系統。通過電站輔助系統DCS一般體系架構與電站輔助系統DCS試驗臺體系架構的比較，可以得出二者架構體系差別僅在于控制器。再借助工業自動化通用技術平臺IAP來解決PLC與PC的等效問題，從而可以論證二者體系架構的等效性。

通過試驗臺的研究，豐富了IAP跨平臺技術的應用。根據電站輔助系統DCS的一般體系架構設計出的試驗臺具有通用性，可以運行不同電站的輔助系統DCS，后期還將載入其他電廠輔助系統DCS來驗證其通用性問題。通過試驗室的環境來研究電站輔助系統DCS，可以在試驗臺上做一些試驗和開發工作，比如分

析輔助系統DCS運行中的問題和開發CCTV監控系統及輔助系統DCS中常用到的新元件。這些都將為輔助系統DCS控制模式提供一套科學、完備和可拓展的新的研究環境。通過電站輔助系統DCS試驗臺環境的研究，將會有利于電站輔助系統DCS的發展。

參考文獻

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