HOLLiAS MACS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在超超臨界百萬千瓦機組的應用

吳公寶（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519000 ）

HOLLiAS MACS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在超超臨界百萬千瓦機組的應用

吳公寶（珠海市鈺海電力有限公司，廣東 珠海 519000 ）

本文介紹了和利時公司HOLLiAS MACS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在某電廠百萬千瓦超超臨界機組的應用，詳細說明了現(xiàn)場總線配置方案、網(wǎng)絡結構和控制器分站，介紹了HOLLiAS MACS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應用過程中存在的問題和處理方案，總結了HOLLiAS MACS現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的應用經(jīng)驗，提出了提高系統(tǒng)可靠性的意見和建議。

現(xiàn)場總線；HOLLiAS MACS；應用

1　引言

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）以智能傳感器、控制、計算機、數(shù)字通信、網(wǎng)絡等綜合技術為主要內(nèi)容，既是一個開放通信網(wǎng)絡，又是一種全分布控制系統(tǒng)，它適應了工業(yè)控制系統(tǒng)向數(shù)字化、分散化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展方向。當前1000MW級超超臨界機組已成為國內(nèi)火電建設的主流，由于超超臨界機組壓力、溫度等參數(shù)較多，控制對象復雜，能否提供安全可靠的控制和調節(jié)，是大型機組DCS面臨的主要挑戰(zhàn)。雖然國內(nèi)和利時、國電智深等DCS設備制造商已經(jīng)擁有了常規(guī)百萬超超臨界機組的成功應用經(jīng)驗，但大規(guī)模現(xiàn)場總線控制技術目前還沒有在百萬機組成功投運的業(yè)績。

2　系統(tǒng)概況

某電廠擴建兩臺超（超）臨界1000MW燃煤發(fā)電機組，三大主機由東方電氣集團制造，鍋爐采用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、對沖燃燒方式∏型變壓直流鍋爐，汽輪機采用一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、抽凝式汽輪機。單元機組和脫硫DCS控制系統(tǒng)采用杭州和利時HOLLiAS MACS V+SM220系統(tǒng)，采用四機一控模式，實現(xiàn)一鍵啟停。DEH、MEH、METS、FMEH、FMETS控制系統(tǒng)一體化，控制規(guī)模超過12000點，其中主機總線設備達到1000臺以上。共配置39面現(xiàn)場總線柜，152根光纖，共分配83個PA網(wǎng)段，71個DP網(wǎng)段，其中鍋爐側47個PA網(wǎng)段， PA設備222臺，43個DP網(wǎng)段 ，DP設備432臺；汽機側36個PA網(wǎng)段，PA設備219臺，28個DP網(wǎng)段，DP設備223臺。總線設備約占整個控制設備的60%，是國內(nèi)現(xiàn)場總線應用最廣泛的項目之一。

2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡

DCS網(wǎng)絡采用實時數(shù)據(jù)通訊的P-P單層網(wǎng)絡結構，如圖1所示。實時數(shù)據(jù)通訊服務由數(shù)據(jù)需求方（操作員站）與數(shù)據(jù)的供給方（控制器）直接通訊，系統(tǒng)內(nèi)配置一對冗余的歷史站為整個系統(tǒng)提供報警服務、歷史數(shù)據(jù)服務和其他服務。MACS-SM控制站集成PROFIBUS現(xiàn)場總線，冗余的主控制器與操作員站、工程師站點對點連接，控制器通過冗余的現(xiàn)場總線與IO從站、DP Y-LINK、DP/PA LINK設備相連，現(xiàn)場總線將智能儀表、執(zhí)行機構、高低壓智能保護裝置及電磁閥接入DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)機組操作及設備信息管理。系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、運算與處理、邏輯組態(tài)與下裝、畫面監(jiān)視與控制等多項功能。輔助控制系統(tǒng)集中在機組集控室管理，脫硫進入主機DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)了一體化監(jiān)控。

圖1　網(wǎng)絡結構示意圖

2.2控制器分配

控制器按照以工藝系統(tǒng)為主，兼顧控制功能的原則進行合理分配。冗余的系統(tǒng)分布在不同控制器，獨立的系統(tǒng)分布在同一控制器，既保證冗余性，又保證獨立系統(tǒng)的完整性，起到信息共享、減少站間引用和系統(tǒng)通訊任務量的作用，能夠優(yōu)化系統(tǒng)、降低網(wǎng)絡負荷率、降低系統(tǒng)風險以及降低維護工作量。單元機組總共35對控制器，其中鍋爐20對、汽機14對，電氣1對，公用2對。

2.3總線結構

控制器通過冗余的現(xiàn)場總線與IO從站、DP Y-LINK、DP/PA LINK設備相連，DP Y-LINK、DP/PA LINK在上級網(wǎng)絡中作為從站，在下級DP總線系統(tǒng)中作為主站。DCS主控柜與總線柜采用光纖連接，對于1個主控柜到多個總線柜的連接，網(wǎng)段間采用DP中繼器進行隔離（見圖2）。DP網(wǎng)段中冗余DP設備采用DP中繼器連接，并進行網(wǎng)段間隔離，單DP網(wǎng)段采用DP/Y設備連接，冗余DP和單DP網(wǎng)段采用DP中繼器進行隔離。通信速率9.6k～12Mb/s，主要用于電動門、電磁閥、電動機、分析儀表等開關量和復雜設備。PA網(wǎng)段采用DP/PA設備連接，通信速率31.25kb/s，能給總線供電，主要用于變送器、定位器等模擬量儀表和設備。現(xiàn)場總線拓撲方面，支持現(xiàn)場總線通訊卡件本地、遠程安裝，遠程安裝通過光電收發(fā)器實現(xiàn)樹型拓撲。

圖2　現(xiàn)場總線結構示意圖

3　系統(tǒng)問題分析與處理

3.1數(shù)據(jù)運算與顯示不一致

機組啟停機、試驗等工況下，由于參數(shù)不滿足等條件限制，需要在邏輯中對某些信號進行強制。調試過程中發(fā)現(xiàn)，在組態(tài)軟件中操作人員對數(shù)值變量修改后不下裝到控制器，啟動動態(tài)時顯示正常，被修改的數(shù)值變量動態(tài)顯示的是修改后的數(shù)值，但在邏輯運算中實際使用的卻仍然是修改前的數(shù)值，該問題存在較大的安全隱患。如果組態(tài)人員進行強制賦值后忘記下裝控制器，啟動動態(tài)查看參數(shù)無異常后進行試驗啟停設備，由于顯示的數(shù)據(jù)和實際參與運算的數(shù)據(jù)不一致，必然導致設備誤動作。目前該問題還沒有從技術角度解決，主要通過規(guī)范操作、加強監(jiān)護等管理方式避免。

3.2趨勢曲線功能不豐富

趨勢曲線可以分屏顯示，如顯示兩個、四個等不同數(shù)量窗口曲線，但是卻不能全屏顯示，也沒有按照系統(tǒng)列出曲線組功能，只能通過操作人員添加曲線組和曲線，并且不能使用鼠標在曲線組里選取曲線，對某系統(tǒng)進行試驗、故障分析時需要手動操作，不便于迅速地進行曲線分析。現(xiàn)有曲線的最小分辨率是1秒，可以以曲線或者數(shù)據(jù)記錄等方式查看，但控制器運算周期為100毫秒，ETS、METS等重要系統(tǒng)運算周期甚至為50毫秒，系統(tǒng)及設備故障時部分變量在1秒內(nèi)已經(jīng)發(fā)生了一次或多次變化，而趨勢曲線往往不能有效記錄當時的正確工況，給事故分析帶來較大的不便。

HOLLiAS-MACS系統(tǒng)使用了“域”為基礎單元的管理模式，“域”主要區(qū)分不同區(qū)域的工藝和設備，如鍋爐、汽輪機、脫硫、公用等區(qū)域熱力工藝設備。“域”間信號的傳遞需要使用域間變量或硬接線的方式來完成，不能在畫面中將不同“域”的變量組在同一個曲線中進行分析比對。

3.3通信與軟件功能不完善

畫面及組態(tài)軟件中變量命名不規(guī)范。為了工程組態(tài)方便，和利時使用一套自有的變量命名規(guī)則，主要根據(jù)變量所屬的區(qū)域、系統(tǒng)進行流水編號。DCS畫面變量窗口上方能明顯地顯示編號，但KKS編碼等與設備息息相關的信息只顯示在“點詳細參數(shù)”列表中，在操作和檢修設備時需要認真核對設備信息，否則容易誤操作。另外，在DCS畫面現(xiàn)場總線拓撲圖中設備顯示狀態(tài)不清晰明確，拓撲圖中設備運行、停止、故障等狀態(tài)沒有通過顏色變化等方式加以區(qū)別，只有屬于該設備的信號，如開關狀態(tài)、故障、力矩等信號有報警，不利于設備巡檢和異常檢查。組態(tài)軟件中打開報表組態(tài)會造成整個工程組態(tài)軟件退出。

驗收測試時發(fā)現(xiàn)，冗余DP現(xiàn)場總線設備單口網(wǎng)絡故障時操作員站無報警，在DCS系統(tǒng)的HAMS設備管理軟件中，PROFIBUS總線設備也無報警和統(tǒng)計功能，PROFIBUS總線設備無法通過工程導入的方式在HAMS管理軟件中進行配置和參數(shù)修改，造成設備掃描慢（10臺設備約1.5min），為總線設備管理和故障診斷帶來困難。

由于現(xiàn)場總線設備的類型和廠家眾多，用戶的GSD文件和設備內(nèi)部固件處理出現(xiàn)不一致，導致通訊失敗，產(chǎn)生了DCS系統(tǒng)與總線設備兼容性問題。調試時和利時公司利用其測試平臺對SIPOS、EMG等電動執(zhí)行機構及KM超聲波液位計、Rosemount壓力變送器等設備進行了兼容性測試，發(fā)現(xiàn)SIPOS電動執(zhí)行機構測試中存在數(shù)據(jù)跳變、部分設備無法通訊等現(xiàn)象。為有效解決該問題，系統(tǒng)軟件除了必須提供靈活的參數(shù)設置選項、用戶可以根據(jù)實際通訊狀態(tài)對默認值進行修改外，還要完善GSD文件解析，收集GSD文件進行兼容性測試。

3.4變量中文注釋不能更改

在組態(tài)軟件中，各種設備、測點或功能模塊注釋是DCS邏輯組態(tài)的一項重要內(nèi)容，有助于使用者閱讀組態(tài)邏輯，理解控制策略。本版本的軟件中，可以根據(jù)數(shù)據(jù)庫中該設備、測點或功能模塊信息，在邏輯組態(tài)方案頁變量前自動生成中文注釋并且不能更改。組態(tài)軟件中手操器、PID運算器等模塊具有不同功能的引腳，組態(tài)時可以使用“功能塊—引腳”的方式進行邏輯連接，由于系統(tǒng)功能的限制，使用“功能塊—引腳”的方式進行組態(tài)時，只是自動生成了“功能塊”的中文注釋，對具體功能的“引腳”不區(qū)分，導致組態(tài)中大量使用的手操器、PID運算器自動、手動、輸出等不同功能引腳注釋全都一樣，給邏輯閱讀造成很大的干擾，目前通過手動再增加中文注釋的方式解決。

3.5控制器負荷升高

采用單層P-P網(wǎng)絡結構后，各個操作員站不再依賴于實時數(shù)據(jù)服務器，系統(tǒng)沒有實時服務器的瓶頸限制，各個節(jié)點的故障不會影響其他節(jié)點，提高了系統(tǒng)的可靠性與安全性。但是，實時數(shù)據(jù)服務功能下移至控制器后，控制站需要直接對各操作員站分別提供數(shù)據(jù)服務，使得控制器的負擔加重、負荷加大。通過在控制器讀取約20000點模擬測試發(fā)現(xiàn)，與和利時兩層Client/ Server網(wǎng)絡結構相比，控制器負荷最高提升了3%左右，控制器負荷在20%到31%之間。雖然各項性能指標都滿足要求，在沒有經(jīng)過機組運行惡劣工況的檢驗，限制控制器負荷升高的問題仍需要關注。目前采取了限制直接與控制器通訊的操作員站個數(shù)、優(yōu)化操作員站數(shù)據(jù)請求數(shù)量、提高控制器CPU配置的方式進行解決。

3.6機柜電纜布線不規(guī)范

機柜總線電纜布線和隔離方面，主要存在220V電源接線連接時沒有很好地與通信電纜分線槽布置，存在交叉的現(xiàn)象。機柜無電源和溫度監(jiān)視、DP電纜屏蔽層連接不當。現(xiàn)場總線機柜由于設計的不合理，導致光纖接線盒及光電轉換器應在模件柜及通信柜中擺放布置不寬裕，光跳線連接容易有死角，鎧裝光纜與光電轉換器之間存在互相擠壓，機柜內(nèi)部分DP及PA電纜余量過大，導致電纜在線槽內(nèi)折疊或彎曲夾角小于90度，現(xiàn)場總線電纜屏蔽層出現(xiàn)外露等情況。上述問題通過優(yōu)化設備布置、合理預留電纜長度等方法已解決。

4　應用經(jīng)驗與建議

4.1應用經(jīng)驗

該電廠在DCS系統(tǒng)技術協(xié)議簽訂不久就安排熱控及運行人員進行學習和監(jiān)造，第一次設計聯(lián)絡會確定了進度、配置、接地等問題，第二次聯(lián)絡會確定了區(qū)域劃分、總線網(wǎng)段劃分、控制器分配、通訊接口、系統(tǒng)總體規(guī)劃。控制策略以主機廠提供的說明為基礎，同時參考華能海門、國華綏中等同類型電廠的成功經(jīng)驗。在近6個月的時間內(nèi)多次組織審查DCS畫面，邀請專家組進行了兩次大規(guī)模的邏輯外審。軟硬件及現(xiàn)場總線積極借鑒吸收了國華臺山、大唐虎山等電廠經(jīng)驗，將系統(tǒng)缺陷消除在萌芽狀態(tài)，減少了調試階段的故障率。

在工廠測試和驗收階段，電廠積極安排人員全方位配合廠家技術人員進行設備安裝、系統(tǒng)調試及故障處理工作，機組邏輯組態(tài)和畫面組態(tài)、軟硬件測試和出廠驗收等工作由電廠人員操作，F(xiàn)CS制造廠技術人員負責監(jiān)督核查，鍛煉了電廠技術人員的技能，從實際操作中更加深入掌握系統(tǒng)的特點。

在設備安裝、調試階段，對同型號主機設備單位進行了深度調研。熱控和運行人員在華能海門電廠進行了長時間的學習，收集了以往工程實施的技術方案和工程經(jīng)驗文獻，深入了解東方機組的運行特性，運行人員深入?yún)⑴c控制方案討論，形成了一套完整的具有自身特色和適應機組特性的控制策略，有效避免了由于邏輯問題而影響機組安全穩(wěn)定運行。重點針對同型號系統(tǒng)機組進行了調研，收集了同類型系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障與處理方案，比如控制器切換不成功、網(wǎng)絡故障、服務器故障、強制異常等事件和處理方式，編制出應急預案，在調試期間反復測試，加以改進。

4.2提高系統(tǒng)可靠性建議

系統(tǒng)版本更新較快，每次更新又衍生了新的系統(tǒng)問題，并且新功能的使用是否安全可靠有待工程應用來驗證，給用戶帶來了風險。電廠人員需要更加積極主動的與設備制造廠、設計院、調試所、同類型機組電廠進行交流，認真研究分析系統(tǒng)性能、產(chǎn)品結構、網(wǎng)絡特性等，加強對制造廠在項目實施過程中的監(jiān)督檢查，已經(jīng)確定后的技術方案不要隨意變更。為了保證DCS系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，廠家應重點關注其硬件的元器件質量、制造工藝等，提高電子模件的熱拔插可靠性。保證控制器有足夠的運算和存儲能力，提高IO模件的抗干擾能力。

負責總線設備二次信息開發(fā)的HAMS管理軟件，功能要強大且方便，不只是簡單的對總線設備的信息進行顯示，還要具有對現(xiàn)場總線設備循環(huán)數(shù)據(jù)及非循環(huán)數(shù)據(jù)進行參數(shù)設置、報警及事件記錄、通訊狀態(tài)分析等功能，真正起到設備管理作用。

現(xiàn)場總線設備測試要規(guī)范。在實驗室測試期間，雖然設備制造廠搭建的總線實驗室平臺能夠進行各類總線設備的檢查測試，但實驗室平臺機柜接線、電纜布置不規(guī)范，機柜內(nèi)接線混亂、總線電纜與電源線交叉布置、冗余總線設備按照單口設備標準測試，因此，嚴格按照技術規(guī)范要求測試設備，才能更好的發(fā)現(xiàn)問題。

在完善傳統(tǒng)功能的基礎上，加快新技術的研發(fā)，進一步提高產(chǎn)品質量，如目前單層網(wǎng)絡結構下如何降低控制器負荷、HAMS管理軟件功能完善等。積極開展先進優(yōu)化技術、現(xiàn)場總線技術等的研發(fā)，增強國產(chǎn)DCS系統(tǒng)結合現(xiàn)場總線技術的市場競爭力，提供新技術、新功能培訓與交流平臺，便于系統(tǒng)使用人員能熟練地掌握各項新技術、新功能。

5　結論

HOLLiAS MACS現(xiàn)場總線系統(tǒng)在該電廠1000MW超（超）臨界燃煤機組的成功應用具有重大意義，標志著國產(chǎn)DCS系統(tǒng)具備在大容量機組上進行大規(guī)模現(xiàn)場總線工程實踐能力。在工程建設中，電廠熱控、運行人員全程積極參與跟蹤調試，發(fā)現(xiàn)并解決了一系列影響安全穩(wěn)定的問題，提高了現(xiàn)場總線系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在充分借鑒國內(nèi)同類型機組成功應用經(jīng)驗的基礎上，積極與廠家聯(lián)系溝通解決，消除了系統(tǒng)的安全隱患。通過對本工程現(xiàn)場總線DCS系統(tǒng)應用過程中的經(jīng)驗與問題進行總結，可以為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)國產(chǎn)化應用以及自動化技術的進步起到積極的作用。

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Application of HOLLiAS MACS Fieldbus Control System in Ultra-supercritical Millions Units

This paper introduces applications of the HOLLiAS MACS Fieldbus Control System of the HollySys company in the power plant with one million kilowatts of Ultra-super critical units. The Fieldbus configuration, the network structure and controller of substation are described, and the problems existing in the HOLLiAS MACS Fieldbus Control System in the application process and the related treatment scheme are introduced. Finally, this paper summarizes the experience of application of HOLLiAS MACS Fieldbus Control System, and proposes the opinions and suggestions of improving the reliability of the system.

Fieldbus; HOLLiAS MACS; Application

B 文章編號：1003-0492（2016）06-0102-03 中圖分類號：TP273

吳公寶（1980-），男，福建松溪人，工程師，工學學士，現(xiàn)就職于京能集團珠海市鈺海電力有限公司，從事熱控專業(yè)技術管理與工程建設工作。