TCS3000 控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化應(yīng)用探析

楊 欣，蘇立博，馬文軒，容茂成，李 劍

（河北華電石家莊裕華熱電有限公司，河北 石家莊 051430）

電力系統(tǒng)是國家的重要能源基礎(chǔ)設(shè)施。作為電力系統(tǒng)的神經(jīng)和大腦，電力自動化控制系統(tǒng)的安全性與可靠性直接影響著一個國家電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。在電廠分散控制系統(tǒng)DCS 領(lǐng)域，知名的國外制造商有艾默生、西門子、ABB 等，國內(nèi)主流的DCS 廠家主要有國電南自、國電智深、和利時、浙大中控等。經(jīng)過多年的引進消化吸收和再開發(fā)，目前，國產(chǎn)DCS產(chǎn)品與進口品牌的DCS 產(chǎn)品在技術(shù)水平和市場份額上旗鼓相當。

近十幾年來，中國開始加大對核心芯片、大型操作系統(tǒng)和基礎(chǔ)軟件等的研發(fā)投入，取得了一系列成果，研制的產(chǎn)品在核心領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在電力行業(yè)，對于DCS 的硬件系統(tǒng)，國產(chǎn)飛騰、龍芯等CPU 已被應(yīng)用于DCS 過程控制站、PLC 和I/O 模件當中，但元器件國產(chǎn)化率尚處于較低的水平。因此，探究控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化是非常有意義的。

1 TCS3000 型DCS 產(chǎn)品概述

在多年研發(fā)國外及國內(nèi)10 余種先進DCS 生產(chǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，凝聚了20 余年的傳統(tǒng)自動化制造流程及成熟的熱控制與機械電氣的系統(tǒng)工程經(jīng)驗，同時根據(jù)傳統(tǒng)制造流程自動化需求特性，整合了各種最先進的信息技術(shù)與通信網(wǎng)絡(luò)潮流等技術(shù)，并最新推出了富有創(chuàng)新特點的新型儀電式分散控制器。系統(tǒng)主要適用于大中小型發(fā)電廠和工礦企業(yè)的智能化管理應(yīng)用。

對于電廠，基于TCS3000 控制系統(tǒng)，就可以很簡單地完成現(xiàn)代發(fā)電機爐、機、電、輔全廠一體控制系統(tǒng)，而全廠一體控制器也是對DCS 運用產(chǎn)業(yè)的又一次巨大革命，針對生產(chǎn)現(xiàn)場日益增加的監(jiān)控要求，日新月異的IT 技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)技術(shù)、先進電子設(shè)備和相對低廉的投入費用，就已經(jīng)完全具備催生現(xiàn)代工廠爐機輔全廠一體控制器的條件。控制系統(tǒng)一體化建設(shè)給發(fā)電廠所可能帶來的經(jīng)濟效益不可估量，毫無疑問，盡早發(fā)展、及早應(yīng)用，就能盡早獲利。

通過儀電一體化的DCS 控制系統(tǒng)，先后通過控制器及I/O 模件實現(xiàn)了對現(xiàn)場信號量的信息收集，并通過DCS 的交流電測量與通迅模件，實現(xiàn)了對交流電量信息的處理。將相對獨立的電力保障專用設(shè)備作為第三方設(shè)備與專用DCS 通迅模件進行通迅[1]，或直接通過組態(tài)軟件系統(tǒng)搭設(shè)的保障控制功能，所形成了現(xiàn)代發(fā)電企業(yè)爐機輔一體化計算機網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，真正地做到了總線級的熱控和電氣一體發(fā)電廠的工業(yè)生產(chǎn)流程自動化監(jiān)控。

2 目的理論和實踐依據(jù)

2.1 研究內(nèi)容原理簡述

DCS 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。本項目研究內(nèi)容主要是國產(chǎn)化I/O 模件。擬采用飛騰新一代FT1500/4或FT2000/4 處理器，I/O 模件元器件采用國產(chǎn)知名品牌產(chǎn)品[2]。

圖1 大型分散控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 研究內(nèi)容實踐依據(jù)

2.2.1 DPU、I/O 模件

國電南自下屬南京國電南自維美德自動化有限公司已率先實現(xiàn)了max 系列控制系統(tǒng)的國產(chǎn)化，解決了指令集遷移、I/O 總線通訊等一系列問題，攻克了安全過程控制站、多主站并發(fā)通信系統(tǒng)、DCS 信息安全構(gòu)架方案等一系列硬件設(shè)計和軟件開發(fā)難題，實現(xiàn)了控制站的核心CPU 國產(chǎn)化、軟件操作系統(tǒng)國產(chǎn)化，所有軟件代碼全部安全自主可控。這就為TCS3000 控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化提供了強有力的思路。

2.2.2 電源模件

電源模件作為必不可少的一部分，在TCS3000 控制系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。因此，電源模件國產(chǎn)化也是需要解決的問題之一。其達到的效果需要有：光纖分相電流縱差防護，三段可經(jīng)復壓和雙方向閉合的越流防護，三段零序越流防護，越流加快防護或者零序加快防護（零序電壓可自產(chǎn)也可外加），過負載控制功能（告警或跳閘），低周減載功用，三相的一個重合閘，小電流連接選線功用（需要使用外加零序電壓），大電壓閉合功用，出口組態(tài)功用，單獨的操作電源回路。

3 項目研究的關(guān)鍵點和難點

3.1 基于安全可控國產(chǎn)I/O 模件的運行穩(wěn)定性

目前的I/O 模件均基于國外CPU 設(shè)計，其生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)相當成熟，無論是CPU 本身，還是相關(guān)的外圍硬件電路以及配套的固件/軟件均有成熟可用的方案，且能提供快速全面的技術(shù)支持，也易于從公開的網(wǎng)站上獲得相關(guān)的知識。國產(chǎn)CPU 由于起步較晚，硬件可靠性、CPU 能力、外圍配套電路等方面均無法與國外CPU 相比，另外，本項目采用的飛騰處理器投入實際機組運行不到半年時間，運行穩(wěn)定性的評估還需較多時間進行[3]。I/O 模件的元器件國產(chǎn)化替代，研制過程中要對國產(chǎn)電子元器件的性能參數(shù)和穩(wěn)定性進行詳細的對比、測試以及驗證，采用逐步替代方法實現(xiàn)。

3.2 在線組態(tài)修改和下載功能

一般來說，TCS3000 控制器都應(yīng)該可以完成在機組內(nèi)正常工作流程中的在線組態(tài)更改和下載等功能，因此不管是進口TCS3000 控制器，還是國產(chǎn)TCS3000控制器都應(yīng)當具備此項功能。不過考慮到控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性運行，進口TCS3000 控制器通常都不能進行該操作，而且在強制下執(zhí)行此項功能會發(fā)生單元狀態(tài)異常的現(xiàn)象，因為國內(nèi)TCS3000 控制技術(shù)相對來說還不太完善，而且國產(chǎn)TCS3000 控制器也并不具備此項功能，不建議在執(zhí)行期前進行設(shè)置的重設(shè)或者更改。再者，從系統(tǒng)管理角度來講，在運行期內(nèi)進行設(shè)置的更改或者數(shù)據(jù)的下載也是很不安全的，所以對于此項功能，還需要如何進行和創(chuàng)新是TCS3000 控制國產(chǎn)化必須突破的一個難點。

4 研究內(nèi)容

4.1 控制系統(tǒng)模件性能

檢驗控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化硬件的能力，包括運行穩(wěn)定性、抗干擾能力、卡件操作可維護性是否符合相關(guān)規(guī)程要求，國產(chǎn)化可控可替代I/O 模件的運行穩(wěn)定性符合相關(guān)規(guī)程要求，硬件環(huán)境溫度、濕度、振動、抗干擾能力滿足相關(guān)規(guī)程要求。

4.2 系統(tǒng)兼容穩(wěn)定運行

國產(chǎn)化控制系統(tǒng)模件在實際工程項目中運用情況，從終端的I/O 模件的數(shù)據(jù)采集，到過程控制器的數(shù)據(jù)處理，傳遞到DCS 監(jiān)控平臺的穩(wěn)定性、及時性，準確性。

4.3 改造技術(shù)思路

本項目總體思路是TCS3000 控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化的研發(fā)及應(yīng)用。實現(xiàn)核心硬件國產(chǎn)化，外圍芯片可控可替代，TCS3000 控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化率達到100%。

4.4 TCS3000 控制系統(tǒng)配置和功能

綜合考量了上述各種因素，TCS3000 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以是多層分布式的，并且全部支撐異構(gòu)平臺，實現(xiàn)了高效安全的控制核心、能力強勁的配置開發(fā)工具、使用簡單的應(yīng)用頁面、眾多規(guī)范的用戶界面以及貼近水電站使用要求的各類常規(guī)和高級應(yīng)用功能，是相當完善而富有實踐使用經(jīng)驗的控制軟件；具有人機界面設(shè)計良好、動態(tài)連接特性好、數(shù)據(jù)處理簡單快捷、通信能力強大等優(yōu)勢；具備了相應(yīng)的可延伸性和操作系統(tǒng)移植功能，可以很方便地實現(xiàn)二次開發(fā)和系統(tǒng)維護。一般系統(tǒng)應(yīng)用管理軟體主要由數(shù)據(jù)收集和處理軟件、實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件、人機接口應(yīng)用軟件、連接信息管理應(yīng)用系統(tǒng)軟體、設(shè)備驅(qū)動應(yīng)用軟件、網(wǎng)絡(luò)通信管理軟體、歷史數(shù)據(jù)庫管理軟體、系統(tǒng)高級應(yīng)用軟件（AGC、AVC、PJC、雙機切換處理）等組成。系統(tǒng)主要設(shè)備由集線器（數(shù)據(jù)交換站）以及操作員站、工程師站、歷史站、控制單元DPU、網(wǎng)絡(luò)打印單元等各節(jié)點構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)由高速-高效、冗余-容錯的實時環(huán)網(wǎng)（R-Net）和高速信息網(wǎng)（I-Net）組成[4]。主要承擔系統(tǒng)各部件組成的質(zhì)量管理，并對全廠主要生產(chǎn)裝置實施質(zhì)量監(jiān)測與管理，主要具有如下功能。

4.4.1 數(shù)據(jù)采集和處理

控制系統(tǒng)通過巡回收集有關(guān)工業(yè)生產(chǎn)過程的即時信息，進行更新數(shù)據(jù)庫，對在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)生的重大事件和報警信號采用中斷響應(yīng)管理，并啟動了相關(guān)的管理功能。

4.4.2 安全運行監(jiān)視

對全廠主要裝置的工作狀況和操作參數(shù)實施了巡回監(jiān)測、越限告警、態(tài)勢解析、事件追憶和顯示記錄。包含了狀變（狀態(tài)變化）監(jiān)視、越限檢測、過程監(jiān)測、趨勢分析等，具體如下。

狀變監(jiān)視：自發(fā)狀變與受控狀變，當出現(xiàn)這2 個狀變時，就可以進行顯示和打印。

越限檢測：在主控級，一般進行機組三相電流的不均勻度過大、速度偏高、上池和下池的水位/過低、其余技術(shù)參數(shù)越限檢測以及進行現(xiàn)地監(jiān)控單元的越限報警信號。

過程監(jiān)測：監(jiān)控機組各種運行工況的變化過程以及所經(jīng)歷的各種主要操作步驟。

趨勢分析：通過分析發(fā)電機組運營參數(shù)的變動，及時發(fā)現(xiàn)故障征兆，以增強發(fā)電機組運營的穩(wěn)定性。

4.4.3 自動發(fā)電控制（AGC）

按照中調(diào)EMS 主站控制系統(tǒng)或中控室運行員對站規(guī)定的最大發(fā)電輸出功率范圍所做出的電力負荷曲線，按照安全性、可靠性、經(jīng)濟效益的原則決定了最優(yōu)化運營的發(fā)電機組臺數(shù)、發(fā)電機的組合方案以及發(fā)電機組間最佳有功功率分配，負載分攤時要兼顧發(fā)電機組運營的控制要求，并避免發(fā)電機組震動和空蝕區(qū)，以實現(xiàn)對電廠機組運行輸送出力的閉環(huán)調(diào)度。

4.4.4 自動電壓控制（AVC）

按照確定的母接通電壓上限值，中調(diào)EMS 按照主站管理系統(tǒng)或中控室操作員站所給出的全站無功電量或壓力曲線和運行控制要求，并充分考慮發(fā)電機組的約束，合理分攤發(fā)電機組之間的無功電量控制。

4.4.5 事件順序記錄

當電站出現(xiàn)事故時，由現(xiàn)地的監(jiān)控單元采集繼電保護系統(tǒng)、自動裝置和電廠內(nèi)主要裝置的狀態(tài)變量并上送主控級，然后進行按事故順序排列、展示、印刷，并保存記載。所有重大事件的記載和打印需包括節(jié)點名稱、狀變說明和時標。

4.4.6 打印記錄功能

包括定期自動打印錄入、系統(tǒng)運行記載、報告記載、趨勢數(shù)據(jù)分析記載、召喚自動打印錄入等主要功能。

4.4.7 系統(tǒng)時鐘同步

控制系統(tǒng)各裝置均接收了全站內(nèi)統(tǒng)一的GPS 時鐘同步信號，以保證整個控制系統(tǒng)的時刻同步。

4.4.8 系統(tǒng)自診斷和自恢復

系統(tǒng)還具有自診斷能力，當在線操作時，系統(tǒng)內(nèi)的硬件和軟件可以實現(xiàn)自我檢測，在系統(tǒng)故障后，可以提示故障部位。

5 結(jié)語

綜上所述，電力系統(tǒng)是國家的重要能源基礎(chǔ)設(shè)施。作為國家電力系統(tǒng)的中樞神經(jīng)與大腦，國家電力自動化控制系統(tǒng)的安全和可靠性直接影響著一個國家供電系統(tǒng)的安全與平穩(wěn)運轉(zhuǎn)。所以，為確保電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定性，對控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化是非常有必要的。本文分析了TCS3000 控制系統(tǒng)模件的必要性、原理、難點以及研究內(nèi)容，希望能對TCS3000 控制系統(tǒng)模件國產(chǎn)化提供一些有效信息。