大型發電廠輔助車間控制系統的優化設計

高玉玲 劉志明

（1.中國電建集團河南省電力勘測設計院有限公司；2.河南工程學院土木工程學院）

煤價上漲和電力產能趨于過剩，致使電力市場的競爭越來越激烈。 提高電廠經濟運行水平和管理水平，實現減人增效，提高電廠的市場競爭力，成為電廠各級領導關注的重點。 目前電廠主廠房基本實現了爐、機、電一體化集中控制，設置1～2 名全能值班人員， 外加少量現場巡視人員就能滿足單元機組啟動、運行、停止或事故處理需求。 然而，輔助車間的控制水平與主廠房控制還有一定差距。 因此，優化輔助車間的控制方案是提高全廠自動化水平的關鍵所在。

1 目前國內大型發電廠輔助車間控制方式比較

自DL/T 5227—2005 《火力發電廠輔助系統（車間）熱工自動化設計技術規定》對輔助車間的控制提出要求以來，輔助系統（車間）的控制水平得到了一定程度的提高。 隨著計算機和網絡技術的發展，以及電廠管理和發展的需求，逐漸形成了兩種輔助車間控制方案。

1.1 方案一

全廠各輔助車間按照物理位置相鄰或系統性質相近的原則合并控制系統和控制點，采用系統分類集中控制方式，即設水、煤、灰3 個分類系統控制點，分別對水系統、煤系統和灰系統進行監視與控制。

優點： 值班點距離被控設備和裝置較近，檢修和維護方便。

缺點：3 個值班點， 運行維護人員設置較多，年運行維護人員費用較高。 按照4 班3 運轉，其中水、煤值班點每值分別按5 人（2 名運行人員，3名巡檢人員）計算，灰值班點每值按3 人（2 名運行人員，1 名巡檢人員）計算，同時考慮10%備員，需要配置運行和巡檢人員共57 人， 按某電廠年平均工資水平5 萬元/人計算，年運行維護人工費用為285 萬元。

1.2 方案二

水、煤、灰控制系統上層搭建輔助車間集中控制網絡，全廠輔助車間（系統）采用集中控制方式，設置1 個集中控制點，實現輔助車間系統全能值班運行模式。 輔助車間系統集中控制室與機組合用集中控制室，或者獨立設置，布置在輔助車間區域適當位置。

優點： 全廠輔助車間設置1 個集中控制點，可大量減少運行和維護人員，實現減員增效。按5班3 運轉，每值按5 人（2 名運行人員，3 名巡檢人員）計算，考慮10%備員，只需配備27 名運行人員。 與方案一相比，本方案可減少運行檢修人員30 名，同樣以年平均工資水平5 萬元/計算，年運行維護人工費用為135 萬元，每年運行維護人工費用減少150 萬元。 此外，由于控制點合并，減少了就地控制室面積和相應配套設施 （暖通、消防及照明等）前期基建的施工費用。

缺點：水、煤、灰控制系統上層搭建輔助車間集中控制網絡， 需要增加前期基建投資費用約100 萬元； 運行和維護人員作為全能值班和維護員，要求對水、煤、灰各系統都能夠做到靈活監控和維護，對運行維護人員要求非常高；由于控制點距離被控設備和裝置較遠， 增加了運行維護人員的工作量。

1.3 控制方案選擇

方案二雖然增加了前期基建投資費用約100萬元， 但是每年運行維護人工費用比方案一減少150 萬元，在全壽命周期（30 年）內可節約人工費用約4 500 萬元。 因此，推薦選用方案二，即全廠輔助車間（系統）設置1 個集中控制點，實現輔助車間系統全能值班運行模式。

2 輔助車間控制系統網絡設置

2.1 設置水、煤、灰3 個控制網絡

對應設水、煤、灰3 個控制點，設置水、煤、灰3 個獨立的控制網絡。這種方式比較普遍，不再贅述。

2.2 設置輔助車間集中控制網絡（即輔控網）

輔控網是輔助車間系統控制方案優化設計，是實現全廠輔助車間系統集中控制的必然選擇。輔控網結構方案有兩種。

2.2.1 方案一

如圖1 所示， 按照物理位置相鄰或系統性質相近的原則，將鍋爐補給水處理、循環水處理、工業廢水處理、 生活水處理及凝結水精處理等系統設置一套控制系統進行監控，為水控制系統；兩臺機組除灰和灰庫合設一套除灰控制系統， 實現對兩臺機組的氣力除灰、 灰庫及灰庫氣化風機等的監控；輸煤、卸煤、配煤系統設置一套輸煤控制系統， 對整個輸煤系統進行監控；1#爐和2#爐除塵系統設置一套控制系統， 為除塵控制系統。 在此基礎上構建輔控網，實現在集控室對水、灰、輸煤和除塵各系統的集中監控。 另外，水控制系統、灰控制系統、 輸煤控制系統和除塵系統各設置就地操作員站，用于設備調試和系統運行初期時使用，待條件成熟后過渡到輔控網操作員站集中監控模式。 輔助車間系統主要參數和運行工況由輔控網經接口機送至SIS。

圖1 輔助車間控制系統網絡結構方案一

除塵控制系統由除塵器廠家配供，一般采用PLC 實現。 如果水、煤、灰控制系統采用DCS，而除塵控制系統不能與水、煤、灰控制系統硬件一致，則除塵控制系統采用通信方式接入輔控網。

2.2.2 方案二

鍋爐補給水處理系統、 循環水處理系統、工業廢水處理系統、生活污水處理系統、凝結水精處理（包括主廠房加藥、汽水取樣等）、氣力除灰系統（包括灰庫區等）、輸煤系統及除塵系統等各輔助系統（車間）的控制系統直接接入輔控網，實現在集控室集中監控；輔助系統（車間）主要參數和運行工況經接口機送至SIS。

2.2.3 結構方案比較與選擇

從生產運行的傳統看，方案一更適合運行人員的適應過渡，有利于電廠不同輔助系統調試和試運行時對時間和地點的協調。 輔控網與輔助系統車間系統的聯網調試，可在輔助車間的控制系統調試、投運后進行，比較穩妥可靠。 方案一符合目前我國的國情。

從技術角度講，方案二網絡規劃簡潔、網絡層次少且數據存儲次數少，全廠各輔助控制系統就近接入輔助車間集中監控網。 但這種方式實施過程中與各輔機工藝廠家配合較多， 協調較多，調試難度較大。

綜上所述，推薦工程實施時采用方案一。

3 輔助車間控制系統硬件選擇方案比較

3.1 輔助車間控制系統硬件方案

長期以來，大部分電廠的輔助車間控制系統硬件采用PLC 系統控制。隨著主廠房和輔助車間控制系統硬件一體化在電廠的推廣，現在很多新建電廠輔助車間控制系統硬件大多選擇與主廠房軟硬件一致的DCS。 無論輔助車間控制系統硬件采用DCS 還是PLC，兩者控制范圍相同，不同的是網絡形式和控制系統硬件。

3.2 DCS 和PLC 比較

3.2.1 安全可靠性

PLC 的關鍵部件是CPU，每個公司均有不同系列的CPU 產品， 不同系列CPU 的不同之處在于內存，也即帶點能力。 CPU 帶點能力一般從兩千多、上萬甚至上十萬I/O 點不等，每套控制系統一般設置一對雙機熱備CPU。

DCS 系統的關鍵部件是DPU， 不同型號的DPU 帶點能力各不相同， 一套DCS 系統有若干對DPU，一對DPU 為一個站，即DCS 為保證控制系統的安全可靠，采用了分散控制方案，使危險分散開，不會因局部故障而造成大的事故，保證整個系統安全可靠。

3.2.2 人機接口

PLC 廠家一般不提供人機接口裝置，人機接口往往由集成商采用通用監控軟件自主完成。

過去DCS 集成的人機接口裝置往往具有功能較專業且穩定性較好的特點， 但其價格偏高。隨著PC 技術的快速發展， 一些通用監控軟件發展很快，功能和性能逐漸超過了DCS 廠家提供的專用裝置，因此現在不少DCS 廠家也逐漸采用通用監控軟件。但DCS 廠家并不是簡單地拼裝通用監控軟件，而是在通用監控軟件的基礎上，通過合作開發，將多年積蓄的網絡通信技術和系統自診斷技術以專用軟件包的形式融合進去，軟硬件之間接口更專業，結合得更好。

3.2.3 控制器處理功能

過去，PLC 控制器處理I/O 能力大于DCS 控制器，主要是因為DCS 主要用于模擬量、連續和復雜的自動調節控制， 側重點在于系統的可靠性、分散性和復雜數據的處理能力，帶點能力強的控制器在實際應用中沒有太多的需求，而且會將危險集中。

PLC 則不一樣，PLC 控制一般側重于開關量和簡單的順序控制，帶點能力越強也就越能體現其集成性和適應性。 所以從運算速度上講，在邏輯運算方面PLC 比DCS 要快。

目前，隨著PLC 和DCS 技術的發展，兩者相互滲透，在功能、運算速度等方面的差別已經越來越小。

3.2.4 組態維護功能

組態維護功能包括邏輯組態、程序下裝及運行調試等。

一般PLC 以梯形圖為主，DCS 以模塊功能圖為主，從開發效率和程序可讀性考慮，模塊功能圖越來越成為主要的編程方式。 在程序下裝和運行調試方面，DCS 可以在線修改控制策略、 在線下裝控制策略， 對系統的正常運行沒有影響；對PLC 來說修改和下裝控制策略相當復雜，首先修改控制策略需要離線修改，修改后下裝需要等設備停運后或做相應保護措施后進行。

由此可見，DCS 在組態維護方面功能遠遠超過PLC。

3.2.5 經濟性比較

從目前DCS 和PLC 系統的市場競爭來看，DCS 的競爭主要是在不同品牌的供應商之間展開。 PLC 系統主要是同一品牌不同集成商之間的競爭。 PLC 的價格下降不如DCS 幅度明顯，主要原因是DCS 生產商直接參與競爭，在激烈的市場競爭下，為了贏得市場，不斷降低設備制造成本和工程實施費用。 而PLC 生產廠不直接參與競爭，為了贏得市場，集成商只能壓低自己的工程實施費用，所以下調幅度有限。

目前市場上進口PLC 平均每點價格在650～700 元左右（工程總報價/工程總點數）；進口DCS平均每點價格在450～600 元左右；國產DCS 價格遠遠低于PLC，一般平均每點價格在250～400 元左右。

綜上所述， 從DCS 和PLC 技術特點的比較可以看出，DCS 系統的技術性能優于PLC 系統；國產DCS 的價格遠遠優于進口PLC 的價格，而進口DCS 的價格也略低于進口PLC 的價格。 另外，如果輔助車間控制系統硬件采用與主廠房硬件一致的DCS， 可以減少備品備件的品種和數量， 降低培訓費用及維護人員的工作難度及強度。 故推薦輔助車間控制系統硬件選擇DCS，尤其是與主廠房控制系統硬件一致的DCS。

4 輔控網與機組DCS 的連接

輔助車間控制系統硬件選擇與主廠房控制系統硬件一致的DCS。 鍋爐補給水處理、循環水處理、工業廢水處理及凝結水精處理等系統設置一套DCS，兩臺機組除灰、灰庫及灰庫氣化風機等設置一套DCS；輸煤系統設置一套DCS，電除塵系統設置一套DCS，進而在各輔助車間控制系統DCS 基礎上構建輔控網。輔控網由輔助車間控制系統廠家與輔控DCS 一并提供， 融為一體，輔控網操作員站、 工程師站與輔控DCS 操作員站、工程師站軟、硬件相同。

輔控網可以是單獨的控制網絡，也可以和機組DCS 網絡連接，形成機組和輔助車間系統一體化的控制網絡。 一些國外項目招標要求輔助車間和主廠房合設一個集中監控和生產管理網絡，通過集中控制室內的全功能操作員站對全廠（包括各輔助車間系統）進行監控。 國內一些發電集團和設計單位也做了一些有益的嘗試。 圖2 為國電滎陽電廠一期工程采用的主輔控DCS 一體化方案，水、煤、灰控制系統納入機組DCS 公用網絡，公用網設置完整的操作員站和工程師站。

圖2 國電滎陽電廠2×600MW 超臨界機組DCS 系統網絡結構

輔助車間控制系統納入機組DCS 公用網，機組DCS 和輔助車間控制系統互相連接、 互相交叉，系統相對復雜。 如果要實現主輔系統全能值班，要求運行人員既精通機、爐及電等工藝系統，又熟悉輔助車間的水、煤、灰等工藝系統，對值班員的素質要求極高。

設置獨立的輔控網， 與機組DCS 不連接，網絡簡單清晰。 要求輔控網全能值班人員全面掌握水、煤及灰等輔助工藝系統，對值班員也提出了比較高的要求。

綜上所述，采用獨立的輔控網比較符合目前的國情，對于一些有特殊要求的項目可以滿足要求，采用輔助車間控制系統納入機組DCS 公用網的方案。

5 結束語

在充分考慮電廠運行需求的基礎上，利用計算機網絡技術和計算機控制技術，對全廠輔助系統（車間）的控制方案進行優化，最終的優化方案為：除納入機組DCS 的系統外，其余系統本著工藝系統相仿、物理位置相近，有利于提高自動化水平的原則，按水、輸煤、除灰系統分區設控制網，均采用與機組DCS 一致的硬件，在此基礎上構建輔助車間集中控制網絡，實現在集中控制室的輔控網操作員站上對各輔助車間系統集中監控，提高了全廠的自動化水平，減少了監控點，最大程度地實現了減員增效。