ECMS 和DCS 一體化監控在火電廠脫硫工程中的應用

王海歡

（浙江機電職業技術學院自動化學院，浙江 杭州 310059）

火力發電廠煙氣脫硫工程的自動化包括熱控自動化和電氣自動化2 部分，無論是新建機組還是改造機組的脫硫工程，其熱工自動化大多采用DCS 來實現對熱工系統內設備的監控，而電氣部分的監控仍停留在繼電器、控制開關和其接點組成的控制邏輯回路用硬接線來實現，自動化水平較低[1]。近幾年，新建的大型火力發電廠煙氣脫硫工程為提高自動化水平，大部分電氣設備采用獨立于DCS 系統的廠用電電氣監控系統ECMS 進行監控。DCS 的電氣監控只限于電氣設備運行必要的狀態監視和控制信息，而電氣設備的測量、保護動作及整定、事故追憶等信息及功能沒有進入系統，ECMS 和DCS 系統無法有機地融合在一起。在河源電廠二期2×1 000 MW 燃煤機組擴建工程煙氣脫硫（EPC）總承包工程中，脫硫系統作為全廠的一個環保子系統，需要與電廠的ECMS 系統和DCS 系統有機地融合起來。本工程采用了新型的ECMS 和DCS 一體化監控系統，利用統一的網絡平臺、規約轉換裝置、開放性監控軟件，能夠將子系統的電氣熱控數據信息進行一體化監控，并無縫銜接到全廠統一的生產數據處理平臺，從而達到提高發電廠電氣自動化水平的目的。

1 現有煙氣脫硫工程的電氣自動化監控方案

目前國內的煙氣脫硫工程，主流的電氣自動化監控方案有2 種：硬接線方式、硬接線和現場總線相結合的方式。

1.1 硬接線接入DCS 系統

傳統發電廠煙氣脫硫工程，電氣系統內所有電源進線、電動機、直流系統及UPS 系統以硬接線方式接入DCS 系統，接入信息主要包括開關量輸入（DⅠ）、開關量輸出（DO）和模擬量輸入（AⅠ），接入方式為干接點和4～20 mA 模擬量信號[2]。硬接線接入方案示意圖如圖1 所示。

圖1 硬接線接入方案

硬接線接入方式的優點是數據一對一傳輸，安全可靠；傳輸實時性強；不易受干擾影響。缺點是DCS系統Ⅰ/O 卡件多，導致電氣柜與DCS 機柜之間存在大量控制電纜；投資費用高；調試施工工作量大；僅采集重要的量，系統監測信息不完整，運行檢修不便。隨著發電廠對自動化水平的要求提高，此種方案已很少使用，僅適用老廠改造或者小規模機組。

1.2 硬接線和現場總線相結合的方式

硬接線和現場總線相結合接入方案如圖2 所示。目前被廣泛應用于中大型發電機組的煙氣脫硫工程，這種方式第一次把ECMS 引至脫硫電氣監控系統。脫硫工程的電氣主接線一般分脫硫動力中心PC 段和電動機控制中心MCC 段。在該模式中，工藝電動機按工藝流程進行組網，保留參與控制的關鍵硬接線部分，其他信息量通過開關柜內測控裝置、智能開關（或馬達控制器）的通信接口上傳至DCS 系統通信卡件。電氣部分動力中心PC 段和電動機控制中心MCC 段的電源柜及母聯柜取消硬接線，采用通信方式上傳至ECMS 系統。

圖2 硬接線和現場總線相結合接入方案

硬接線和現場總線通信相結合的接入方式，它的優點是節省了大量DCS 的Ⅰ/O 卡件、電氣元器件和控制電纜。缺點是ECMS 站控層和DCS 站控層的網絡互相獨立，DCS 和ECMS 一般屬于不同廠家，其各自的通信規約開放程度受限制，致使兩個系統無法進行信息共享，導致DCS 和ECMS 的信息傳送往往是單向傳送[3]。ECMS 只監測不控制，無法滿足現代化電廠自動化生產需求。

2 ECMS 和DCS 一體化監控方式的實際應用

2.1 項目概況

河源電廠二期項目2×1 000 MW 超超臨界二次再熱燃煤機組，采用國際最先進的超超臨界二次再熱技術，同步配套建設先進的煙氣脫硫環保設施，實現煙氣超凈排放。在投標方案、施工設計等方面均采用最先進的節能環保技術路線，濕法脫硫首次應用了先進的無梁式漿液噴淋系統，通過密度計和流量計精確計量石灰石漿液濃度和流量，最終使項目達到生態型、超低排放、節能高效的目標。在河源電廠氣脫硫總承包工程中，電氣系統和熱控系統采用了ECMS 和DCS一體化監控方式，ECMS采用南瑞繼保PCS-9700 系統，DCS 采用了 EMERSON 公司的 OVATⅠON 系統。該方案主要采用統一的通信網絡、兼容各種規約的規約轉換器、向DCS 開放平臺等技術，把ECMS 全部納入DCS 平臺進行統一監控，并對DCS 系統開放，實現ECMS 與DCS 系統的全面接口，從而將發電廠煙氣脫硫工程的電氣自動化系統完全融入DCS 系統。

2.2 技術優勢

本項目ECMS 和DCS 的一體化監控網絡示意圖如圖3 所示。圖3 僅示意了3#機組的網絡圖，4#機組與3#機組相同。由圖3 可知，一體化監控系統有如下特點。

圖3 ECMS 和DCS 一體化監控方案

脫硫電氣自動化與熱工自動化共用一套一體化監控網絡，不再獨立分開，采用統一的監控網絡。電氣部分電源部分以DP 通信方式進入ECMS 系統的通信管理機，電動機部分以DP 通信方式進入DCS 的通信卡件。熱控部分閥門儀表以Profibus-DP 和FF 通信方式進入DCS 系統的通信卡件，其中開關量控制采用Profibus-DP，模擬量控制采用FF 總線。此一體化方案取消了大量硬接線，節省了大批電纜，節約了大量投資。

設置有專用通信管理單元及轉換器。通信管理單元PCS-9799 提供多種現場總線、串行口、以太網口，支持各種部頒標準規約、工業標準規約（和DCS 通信），可方便地與保護、直流、UPS、數顯表、操控裝置等直接通信。系統配置的PCS-9794 規約轉換器，對下通過各種接口及規約接入各類保護裝置、電表、直流屏以及其他智能設備，對上與當地監控、保護信息管理裝置、RTU 等通信。控制規約轉換器可以完美地將非統一的設備統一到同一個平臺中，其功能強大，性能優越，可滿足大部分數字化電廠需求。

一體化的監控系統。后臺監控系統通信既支持ⅠEC60870-5-103 標準，也支持 ⅠEC61850 國際標準，最大限度地保證了系統的開放性。系統開放性強，能夠與DCS 實現控制信息融合，ECMS 全部接入DCS 平臺，形成一體化監控，從而實現煙氣脫硫工程的一體化控制。

2.3 系統構成

一體化監控系統采用分層分布式結構，網絡結構采用三層設備冗余網絡（A、B 網）形式。整個系統分成站控層、前置層和間隔層，如圖3 所示。

站控層：采用雙以太網冗余結構，網關工作站、系統服務器、操作員站、工程師站、打印機以及負責與其他系統通信的管理裝置，形成系統監控、管理中心。

前置層：由通信管理單元、交換機、DCS DPU 和Ⅰ/O 卡件等組成。對于10 kV 綜保裝置，可采用以太網方式直接接入交換機，直采直跳；對于380 V 綜保以及其他不支持以太網方式的智能裝置，采用通信管理單元實現規約轉換和裝置通信，并轉發站控層及DCS或調度系統的遙控命令。現場熱控閥門儀表開關量通過DP 通信，模擬量通過FF 通信進入DCS 的通信卡件。ECMS 和DCS 系統按脫硫設備分段配置，集中組屏分別安裝在對應機組的低壓配電室和電子設備間。

間隔層：間隔層包括10 kV 綜合保護測控裝置、380 V 綜合保護測控裝置、380 V 馬達保護器、智能電力監測儀表、現場熱控閥門儀表及網絡接口設備等，負責執行DCS 或電氣監控的各種指令并向DCS 或電氣監控發送監控、監測信息。間隔層采用RS485、Profibus 等現場總線或以太網組網，雙網冗余配置，將綜合保護測控裝置的信息量通過通信口上傳到通信管理單元，現場閥門儀表中的信號通過通信口上傳至DCS 的通信卡件。

2.4 通信網關統一網絡

系統在站控層配置冗余的通信網關，專用通信網關把ECMS 以太網和DCS 以太網連成一體，實現ECMS 和DCS 所有的數據交換和命令傳遞，使兩者形成一個統一的網絡平臺。專用通信網關預留與主機ECMS、DCS 的接口。通信網關組屏安裝，安裝方式為：2 臺網關安裝在一個標準機柜中，通過共享器共享1 套24 in（約61 cm）LCD、標準鍵盤和鼠標。

2.5 主控單元及監控軟件

站控層的主控單元具有實時數據庫，支持多臺綜合保護測控裝置通信報文信息的上傳；DCS 后臺系統經ECMS 后臺與主控單元連接，實現對電氣保護進行控制、運行參數和保護定值查詢、定值整定、信號復歸等操作。此外，主控單元具有現場設備故障診斷與管理、控制權限的切換、基于通信的就地控制、簡單的可編程控制邏輯等附帶功能。DCS 系統監控軟件與ECMS 監控軟件相互兼容。采用DCS 作為主系統軟件，該系統在統一應用支撐平臺上進行開發，既支持ⅠEC60870-5-103 標準，也支持 ⅠEC61850 國際標準，最大限度地保證了系統的開放性。ECMS 大量信息通過每臺機組站控層的ECMS 系統服務器經處理后傳輸至DCS 系統接口，通過DCS 操作員站畫面可以控制ECMS 范圍內的設備。該監控軟件備份還原簡單易操作，直接覆蓋即可還原；監控系統軟件模塊化設計，便于功能添加及刪除，組態靈活，維護擴展方便；監控系統可設置多節點，任一值班監控接點發生故障時，值班狀態可按預設優先級無縫切換至另一接點，不影響正常監控；間隔層綜保裝置軟硬件均模塊化設計，各功能模塊及插件可實現“即插即用”。該系統監控軟件可以多操作系統無縫切換，實現了全面的跨平臺解決方案，使系統具有更高的可移植性。

3 結語

目前河源電廠煙氣脫硫系統的ECMS 和DCS 一體化監控系統已于2021 年成功投運，運行良好，系統的實時性和通信的可靠性都滿足運行要求。一體化監控系統實現了煙氣脫硫工程電氣系統和熱控系統之間的協調控制，打破了脫硫行業傳統，實現了一個新的突破，具有行業領先的技術，具體表現為：①脫硫系統電氣自動化和熱控自動化不再相互獨立，ECMS 全部接入DCS 平臺，兩者形成一個統一的網絡平臺；②取消了傳統ECMS 站控層的專用電氣操作員、工程師站，所有功能均可由單元機組DCS 的工程師站完成[3]；③ECMS 專用通信網關可將煙氣脫硫實時數據傳送至主機，以實現煙氣脫硫工程和全廠的協調控制，為主機提供煙氣脫硫設備的狀態信息、性能數據，為實現數字化電廠提供了強有力的保障。