大型火電廠輔網控制系統的研究概述

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(福州大學電氣工程與自動化學院，福建　福州　350108)

1　引言

火電廠的輔助車間因其控制對象差異使得地理位置分布相對分散，每個車間采用各自的控制系統，且受限于當時通訊技術，各個輔助車間無法有效地通信，所以很難構建一體化的輔機系統。近幾年來，大型國營企業都在進行改革，火電企業發現：輔助車間的高度集中控制的過程中，可以減少監控點，從而生產效率得到提高，因此，國內部分先進火電企業逐步開始著手對輔助系統進行技術改造，建立輔助車間的集中監控系統，并對全廠自動化監控和信息網絡結構進行優化。

2　現場總線在輔網集中控制系統中的運用

2.1　控制系統的發展

大型火電廠的輔網控制包括以下幾個部分：鍋爐補給水處理自動控制、控制除灰、對空壓機的控制、火電廠采暖通風的控制、對制冷站的控制以及對火電廠全部輔助車間的監控等。輔網各子系統的控制系統在發展著，PLC、DCS、FCS先后出現，新興的FCS正漸漸被推廣到輔網的各子系統中。

20世紀60年代發展出了可編程邏輯控制器PLC，之后電廠常使用PLC作為控制器來實行控制。PLC作為一種工業控制裝置具有控制程序可變、編程方便快捷、功能完善、擴展靈活、系統構成簡單、安裝調試工作量少和可靠性高等特點，長期以來實現了很多工業控制，能滿足許多工業要求。

20世紀70年代，為了改善原來集中控制系統的性能，美國、日本和歐洲等國研制出了集散控制系統DCS。DCS的一個經典結構便是由一個上位機PC下聯多個PLC，這樣的結構能方便實現集散控制，在下面多臺PLC實現了控制功能分散，在上面的上位機實現了顯示操作集中。DCS系統可實現復雜的控制規律，更加可靠，系統容易開發，操作方便，具有良好的性價比。

由于過去DCS系統設備間信息交換困難，連線繁雜，又出現了新的現場總線控制系統FCS。之前的傳統控制系統是用一根通訊線連接一個設備儀器，以傳遞一種信息，如今的現場總線控制系統，底層設備儀器用現場總線相連接，多個儀器設備僅用一個通訊線控制，用一根數字通訊線取代了過去的多個模擬量傳輸線，接線更加簡潔，從而實現了主站、從站的信息順利交換。這就是現場總線控制優于之前的傳統控制系統的地方。

2.2　國外電廠中現場總線技術的應用情況

90年代末，國外的發電廠發現傳統的控制系統不能滿足發電廠的需要，就已經開始嘗試現場總線控制系統，如System302公司的就曾在美國的Duke power Oconee Nuclear、Power Plant、Mohave Generation Plant，墨西哥的Mazatlan、Guaymas和巴西的GESE等發電廠的共15組機組上得到應用。這些現場總線控制系統除了可以完成一般的數據采集功能之外，還實現了對燃燒、給水、過熱氣溫和除氧器的控制，以及對電機的保護、啟停和報警等功能。

1997年，現場總線系統首次應用于墨西哥Mazatlan發電廠1號單元機組，數據顯示，投入運行連續使用 12個月，正常運行，無任何故障，鍋爐的動態特性得到優化，與DCS相比所需費用節省了45% ，安裝、調試時間更短，僅需3周。

德國RWE電力公司旗下的尼德豪森電廠共有13臺機組。其中K機組屬于熱電聯產、超超臨界機組，主汽溫度為580℃、主汽壓力達到27MPa、總出力達到1012MW[15]。為了實現對發電廠的全廠監控，為了實現設備的智能化，DCS系統采用了Profibus現場總線技術，可以把設備的狀態信息通過總線傳輸到DCS系統中?？梢哉fProfibus把整個發電廠的全部數據集中起來，以便于管理。Profibus可以提供更多的設備信息，用于儀器設備的遠程編程和設備的狀態檢修，因此對設備的診斷更加有效。

2.3　國內電廠中現場總線技術的應用情況

(1)萊城電廠

萊城發電廠#3、#4機組的分散控制系統采用的SIEMENS公司的TELEPERM-XP系統，400V及以下的電動機采用帶有Profibus-DP協議接口的電機控制器SIMOCODE控制。SIMOCODE控制器置于就地開關柜中，用光纜串接，DCS工程師設計DCS組態控制，SIMOCODE不需要經過DCS內部組態，就地通過RS232接口直接輸入。機組采用SIMOCODE控制，機組包括4個AP控制柜，每個控制柜中各有一個SIMOCODE控制器。TELEPERM-XP系統通過標準Profibus接口控制SIMOCODE馬達控制器，系統監視得到的所有重要數據，并通過Profibus-DP網絡迅速傳到控制中心，實現快速診斷和控制[15]。目前該電廠已投入使用，并且運行基本穩定。

(2)華能玉環電廠

華能玉環電廠首次嘗試了FCS,鍋爐補給水控制系統中采用了現場總線儀表設備，該控制系統包括西門子PCS7417H、Profibus-DP和PA通訊網絡、儀表和設備。其中壓力及差壓變送器采用ABB產品、磁翻板液位通過加裝PA通訊模塊完成、PH值等儀表采用Profibus-PA總線，所有的現場儀表、執行器和設備都通過DP/PA耦合器連接到總線網絡上。氣動閥門定位器實現氣動閥控制是依靠PA總線，電磁閥箱通訊通過DP與PLC，總點數為202點，現場總線通過486個點連接。

(3)華能南京金陵電廠

應用現場總線的還有華能南京金陵電廠2×1000MW的燃煤機組的主輔機，現場總線系統的主機部分儀表及監控設備約960臺左右，華能南京金陵電廠的總線覆蓋率達40%到左右。主要保護和DEH、SOE，重要調節回路、6kV電機采用常規方式，水冷方式，總線標準選用Profibus[15]。

2.4　現場總線技術應用存在的問題

(1)傳輸量大帶來的信息集中的危險

現場總線之中，當一條支路的電纜斷了或者出現問題，這條支路就會癱瘓不能正常工作了。但是網狀結構就不會出現這個問題，如果網狀結構的其中某條支路出現問題，信息仍可以通過其他支路傳遞，系統仍可以繼續工作，只是性能會下降。這個問題是現場總線的主要缺點，信息無法傳輸，可能造成不可估量的后果，因此也是至今未被用在關鍵場合的原因，這個問題也是我們急切需要解決的問題。

(2)現場總線產品的可選范圍較少

由于現場總線的智能現場設備的規格和品種是比較少的，不像常規儀表品種和規格多元化，特別是針對電廠的高性能控制器和智能設備較少，國產設備更少，而且設備價格偏高，在設計系統時可選擇余地不大。

(3)工程調試難度增加

現場總線技術的工程調試難度逐年增加，在調試和運行過程中會存在一定的困難，它包含較多的新的技術內容，較為復雜，需要專業的技術隊伍來解決在運行過程中產生的難題。相對而言，Profibus較FF總線較為簡單和容易實現。

3　變頻調速解決火電廠恒壓供水問題

3.1　火電廠鍋爐控制系統現狀

燃煤鍋爐出口的溫度將近1000℃,為了不浪費這部分余熱,利用煙氣的熱量,用一個余熱蒸汽鍋爐產出系統的一種副產品 ——壓力為0.8MPa的蒸汽。另外需要實時控制 余熱鍋爐的液位和蒸氣壓，但是不同的余熱鍋爐產出的煙氣溫度也不同，因此不能只根據余熱鍋爐的液位或者蒸汽壓力來確定供水量。

蒸汽是利用加熱爐的的尾氣產生的，我們要求控制系統既能實現節能又能保證系統的供水穩定性，在實現節能的同時也對系統的供水穩定性提出了挑戰，在供水量和用水量波動的情況下，為了保持水壓恒定，可以采取變頻恒壓控制。

3.2　關于變頻調速恒壓供水

所謂恒壓供水指的是通過使用變頻器的調速功能以調節供水的水泵的轉速，維持供水始端壓力，保持供水始端壓力相對恒定。現在各個行業都需要應用變頻供水，變頻供水已廣泛的應用到各個行業，其品種也向著專業化、多元化、高級化、職能化以及變壓供水等方向發展。

傳統的單靠調節閥控制水量的方法，自動化程度較低，由可編程控制器、傳感器、變頻器和水泵機組構成的閉環控制系統，能夠使管網壓力保持恒定，滿足了系統對自動化程度的要求，同時也具有高效節能的優點。

3.3　變頻調速控制系統設計

文獻[22]所描述的恒壓供水實例，應用于一個已投入正常使用的燃煤熱媒爐控制系統中，在此系統中，3 臺水泵變頻聯動和余熱鍋爐煙氣入口的冷卻噴淋閥控制管線的水壓。整個系統4 個余熱蒸汽鍋爐共用 1 套供水系統，因此 系統的需水量是隨機的,要求 3 臺水泵根據負載的變化能夠自動啟停、自動調速,以滿足管線的壓力[22]。供水系統的結構圖如圖 1 所示。

文獻[23]在這種情況下根據管線的水壓制定3臺水泵變頻聯動控制方案,同時結合安裝在每 1 臺余熱鍋爐煙氣入口的噴淋閥就可以有效的解決以上問題，整個系統 4 臺余熱鍋爐、儲水罐以及 3臺水泵構成。4臺余熱鍋爐共用 1套供水系統,系統的不同需水量可以根據通過水泵自動起?；蛘哒{速來滿足負載變化,保證管線的壓力[23]。系統框圖如圖2所示。

圖1　供水系統結構圖

圖2　變頻器恒壓供水系統框圖

文獻[24]闡述熱電廠鍋爐給水系統中高壓變頻器的應用，實現恒壓供水的最可行方案無非是設計一種閉環控制系統，恰巧變頻系統有自帶的比例、積分、微分控制功能，再結合壓力變送器，從而實現閉環控制。鍋爐給水示意圖如圖3所示，各泵的旁通閥關閉以后，由DCS給出給定連續可調的4～20mA對應0～10MP壓力，結合母管上的壓力變壓器0～10MP壓力信號對應4～20mA反饋給變頻器，通過PID控制輸出轉速，實現給水流量的自動調整。

圖3　鍋爐給水PID示意圖

文獻[25]以南京制藥廠為例，針對其鍋爐給水泵的負荷情況，為其設計了采用閉環調節的恒壓控制系統，該系統包括75kW變頻調速機、壓力傳感器和數字壓力顯示儀，系統對鍋爐給水泵實行恒壓供水，其供水壓力可調，根據給水情況的現實情況,通過閉環系統的反復調節,使壓力可以一直保持在給定壓力值，從而實現恒壓供水。恒壓控制系統框圖如圖4所示。

圖4　恒壓控制系統框圖

文獻[26]采用變頻器控制，將鍋爐的給水系統改造為穩定壓力水供給。電廠鍋爐給水系統配置了 4 臺給水泵(水泵型號DG46-50×12)，配套電機(JS2355S2-2、132kW)，并且需要聯鎖，正常工作時,改造后的變頻泵和工頻泵同時運行，當運行泵發生事故跳閘，發出事故聲響，不能運轉時，備用泵將自動開始運轉，消除事故聲響，我們在改造的過程中，將變頻控制系統與原來的工頻控制回路相融合,從而不僅達到了改造前的聯鎖要求，又滿足了鍋爐的恒壓供水。

文獻[27]中的恒壓供水控制系統，由PLC控制電機投切，由變頻器提供變頻電源，變頻驅動信號由PID調節器輸出提供，原理圖如圖5所示，將獲得的水壓給定信號，然后將母管出口壓力信號取平均值，然后進行比較這兩個值其差值信號既可以作為PLC投切電機機組的依據，又可以經PLC內置PID調節后輸出，用于變頻器頻率給定，控其輸出頻率，從而對水泵電機轉速進行設定，進而調節母管壓力。

圖5　恒壓供水控制系統原理圖

3.4　變頻調速恒壓供水優點

(1)節能:采用變頻給水后，原給水系統調節壓力的再循環伐門就不用開了，從而達到節能的效果。

(2)起動平衡，起動電流較小，避免大電流對電機的沖擊。

(3)由于泵的平均轉速降低了，從而使泵的事故率也明顯減少。

(4)自我保護功能完善:發生故障時，可啟動備用泵維持給水平衡[33]。

4　關于輔網控制系統抗干擾設計

在電廠控制中，Profibus現場總線以其在該領域優越的性能，吸引來了眾多的使用者，文獻[34]、文獻[35]、文獻[36]、文獻[37]等文獻都選擇使用了Profibus現場總線。Profibus是德國標準(DIN19245)和歐洲標準(EN50170)的現場總線標準[38]。其由Profibus-DP、Profibus-PA、ProfibusFMS三部分組成。

其中，以Profibus-DP為例，Profibus-DP是一種適用于現場級分布式自動化外設之間的高速數據傳輸。在高可靠性冗余Profibus-DP主站的硬件系統設計中，可以采用西門子主站協議芯片和DPRAM配合設計硬件系統，進行主備冗余邏輯的建立和同步通訊結構的主備冗余電系統的設計，可以實現通訊主站對下、對上的無擾動數據交換，而在軟件部分，可以通過循環調用初始化的方式以及數據交換程序，從而達到主從信息交換和主副卡的信息同步備份的目的。

使用現場總線通信時有可能出現現場總線網絡的故障，將使該現場總線網絡所連的設備通信中斷，無法實現正常信息交換，為此文獻[34]、 文獻[39]、文獻[40]、文獻[41] 、文獻[42]使用了冗余的現場總線，即使用兩條通訊線來實現現場總線通信，一條故障時可以使用另一條來繼續通信，具體如圖6所示。

圖6　控制系統DCS結構圖

5　總結

本文深入分析了現場總線在火電廠輔網控制工程的運用，通過具體的工程案例，分析了現場總線的優點及不足，為之后在研究IAP與現場總線相結合的方面有重要意義；同時，在恒壓供水方面，探究了變頻調速如何提高鍋爐供水的穩定性；在系統抗干擾的問題上，從軟件和硬件了解了提高系統通訊的可靠性的保障措施，為今后搭建輔網集中控制系統有積極的借鑒意義。

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