大型火電廠燃料輸送現場總線控制系統的研究

田建文

（華能新疆吉木薩爾發電有限公司，新疆 昌吉 831700）

0 引言

燃料輸送作為大型火電廠生產運營中的重要環節，對火電廠的穩定運行與發展具有較大影響[1]。燃料輸送過程復雜，存在較多不確定與不可控因素，對燃料輸送的操作效率會產生不同程度的影響[2]。基于此，該文在傳統燃料輸送控制系統的基礎上引入現場總線技術，以S大型火電廠為例，設計了一種全新的燃料輸送現場總線控制系統，為提高大型火電廠燃料輸送的效率、促進火電廠的高速發展提供參考。

1 控制系統配置設計

該文設計的燃料輸送現場總線控制系統采用3層控制網絡結構，為控制系統的高效運行提供基礎保障。控制系統采用局域網接入的S系列的網絡交換機，其尺寸為45 mm×440 mm×290 mm，交換容量為56 Gbps，RAM內存為128 MB。配置24個千兆RJ45端口，自適應IEEE 802.3af PoE或IEEE 802.3at PoE+端口，能夠自動檢測并對現場總線控制系統內的設備提供所需功率[3]。管理員可以在控制系統圖形界面中配置、監控和排除燃料輸送設備故障[4]。控制系統數據中心電源采用在線式UPS類型的電源，其輸出功率容量為6 000 VA/5 400 W。數據中心電源前面板LCD界面能顯示控制系統燃料輸送過程中UPS狀態、電壓、頻率以及備用時間等，LED屏可顯示控制系統中各個設備運行交流電輸入/輸出電壓、電池電量和輸送設備故障狀態。

2 控制系統軟件功能開發

上述燃料輸送現場總線控制系統配置設計完畢后，該文又對控制系統各項軟件功能進行了開發設計，具體步驟如下。

2.1 燃料輸送模擬量調節控制功能設計

燃料輸送模擬量調節控制功能作為該文設計的控制系統中的重要組成部分，對燃料輸送的效率具有直接影響。該文先對大型火電廠的生產運營狀況與特征做出全面分析，初步獲取了燃料輸送現場總線控制邏輯。然后分別從控制系統物理地址與邏輯地址2個角度出發，描述燃料輸送過程中系統脈沖信號的變化情況[5]。再根據脈沖信號的動態變化和控制系統運行的自動狀態條件， 設定燃料輸送模擬量調節控制功能的開/關命令。在此基礎上，輸入大型火電廠燃料輸送的狀態條件，設計燃料輸送模擬量調節控制功能的設備操作窗，如圖1所示。

如圖1所示，設定燃料輸送模擬量調節控制標題與操作按鈕，實時顯示系統各項設備的運行狀態。結合PID控制原理，設定燃料輸送模擬量穩定值，根據大型火電廠燃料輸送量的需求調節設備操作窗的滑塊位置，修改燃料輸送模擬量，使其接近穩定值。通過控制系統設備操作窗實時調節輸送量與輸送時間，實現燃料輸送模擬量自動化控制的目標[6]。

在此基礎上，實時分析總線控制系統中燃煤輸送床層壓力指令的動態變化，將系統輸出的壓力指令與實際燃料輸送需求進行對比，獲取系統輸出指令的偏差。將輸出指令偏差通過系統的乘法器進行增益處理，獲取輸出指令的增益系數，上傳至總線控制系統的PID控制器中，作為燃料輸送模擬量調節控制功能的控制指令。燃料輸送模擬量調節控制功能控制指令的表達式如公式（1）所示。

式中：D為輸出指令的增益系數，即燃料輸送模擬量調節控制功能控制指令；qa、qs和qc分別為總線控制系統的床層壓力、燃料儲存鍋爐床壓與燃料控制層壓力；qM為燃料儲存爐膛密相區的壓力；Tc為函數器轉換系數；hm為燃料輸送控制料層高度；r為總線控制系統運行增益系數。在總線控制系統燃料輸送模擬量調節控制功能處于穩態時，qc等于零，此時，控制指令如公式（2）所示。

通過燃料輸送模擬量調節控制功能實時控制燃料的輸送量與系統床壓偏差，保證總線控制系統燃料輸送的效率。

2.2 現場總線網絡設計

在上述燃料輸送模擬量調節控制功能設計完畢后，實現燃料輸送量實時自動化控制的目標。在這個基礎上引入現場總線技術，對控制系統的網絡進行全方位設計，保證系統通信、數據交換與傳輸的實時性與高效性。

該文在燃料輸送控制系統現場總線網絡設計中，以主、從站控制的形式為主，在系統主站與上位機、從站之間建立通訊連接。在連接中，以Profibus DP/PA總線協議為主要通信協議，布設大型火電廠燃料輸送現場總線設備，使現場總線的網絡組件與控制系統上位機、現場總線設備之間能進行高效實時通信。現場總線控制系統示意圖如圖2所示。。

為了提高控制系統現場總線網絡通信的質量與效率，該文在燃料輸送現場總線DP網段設計中采用菊花鏈型結構，在PA網段設計中采用樹型結構。選擇5 Mbits/s的穩定可重復性網絡，在網絡的主干網中設置一定數量的節點與數據點，保證數據傳輸的實時性與可靠性。

整體的燃料輸送現場總線網絡以分布式配置為主，遠程控制燃料輸送控制系統中各項設備的參數設定需要結合燃料實際輸送狀況，調整系統的控制策略與程序。

2.3 燃料輸送機監控功能設計

上述控制系統現場總線網絡設計提高了系統通信與數據傳輸的效率。接下來，該文對系統中燃料輸送機監控功能進行了設計，以實時監控大型火電廠燃料輸送設備的輸送操作狀況，掌握輸送現場設備的運行狀態，為火電廠燃料的生產運營提供保障。

首要的是確定燃料輸送機監控功能的監控對象，對監控對象的運行方式進行全面分析，掌握其運行特征。該文設定燃料輸送機監控功能的相關參數見表1。

表1 燃料輸送機監控功能參數設計

表1中的相關參數具有較高的功能集成度與軟件結構清晰度。在此基礎上，該文設計了控制系統上位機的實時監控畫面，選取4個不同顏色來描述燃料輸送機的運行狀態：紅色表示燃料輸送機處于輸送操作狀態；綠色表示燃料輸送機處于停止運行狀態；黑色表示燃料輸送機處于故障檢修狀態；藍色表示燃料輸送機處于選中即將投入輸送操作狀態。顏色劃分的方式可使燃料輸送機當前狀態在控制系統上位機實時監控畫面中顯示得更加直觀清晰。

在火電廠燃料輸送過程中，總線控制系統應當重點監控燃料機運行時燃料儲存鍋爐供油噴嘴的工作狀態變化與爐內介質溫升變化。在監控功能中，設定總線控制系統的報警閾值，當燃料儲存鍋爐供油噴嘴運行異常和介質溫升異常時，系統監控功能通過現場總線網絡自動發出報警。燃料儲存爐內介質溫升計算如公式（3）所示。

式中：Vr為燃料儲存爐內可燃混合物的容積；V為燃料儲存爐內整體容積；Qr為燃料儲存爐內可燃混合物單位容積熱值；Cr為燃料輸送過程中的爐膛介質平均比熱容。

通過計算獲取燃料輸送過程中的儲存爐內介質溫升變化，溫升異常時，系統自動發出報警信號，幫助管理人員快速掌握燃料輸送現場的情況。通過燃料輸送機監控功能，可提高燃料輸送的效率，保障輸送現場的安全性與有序性，實現大型火電廠燃料輸送監控、控制與管理的目標。

3 系統測試

上述內容為該文針對大型火電廠采用現場總線技術設計的燃料輸送控制系統的整體流程。在此基礎上，為了進一步對所設計的控制系統的可行性做出客觀分析，該文進行了如下系統測試。選取某地區S大型火電廠為研究對象，該火電廠的建設規模較大，包括各種類型的供熱機組。當前的S大型火電廠運行過程中，各臺機組均設置了DSC分散控制系統，應用范圍有限，無法有效滿足燃料輸送的需求。該文將所設計的燃料輸送控制系統應用到S大型火電廠中，對其應用效果進行驗證。

測試主要從2個角度出發，采用黑盒測試與白盒測試方法，分別對控制系統的運行功能與性能進行全方位測試。燃料輸送現場總線控制系統各個功能模塊的測試結果見表2。

表2 燃料輸送現場總線控制系統功能模塊測試結果

根據表2可知，該文設計的控制系統各個功能模塊運行狀況良好，測試結果均符合預期要求，能夠為燃料輸送現場總線控制提供保障。

在此基礎上，采用白盒測試的方法對控制系統的性能進行測試。為了更加直觀地驗證該所設計的燃料輸送現場總線控制系統的有效性，該文采用對比分析的試驗方法，將所設計的控制系統與文獻[2]、文獻[3]設計的控制系統進行對比。控制系統運行過程中網絡刷新時間周期的3個時段如圖3所示。

圖3分別在網絡刷新預定時段、非預定時段以及操作維護時段內，對控制系統的運行狀況做出了分析，判斷各個時段內燃料輸送控制系統發送數據的準確性。根據S大型火電廠燃料現場輸入工藝的需求與特征，調節控制系統的網絡參數與CPU內務處理時間。設置燃料輸送量分別為500 m3、1 000 m3、1 500 m3、2 000 m3、2 500 m3、3 000 m3。利用MATLAB分析軟件，分別測定燃料輸送量不斷增加下3種控制系統運行時間并進行對比，結果如圖4所示。

根據圖4可知，在燃料輸送量不斷增加的趨勢下，該文設計的燃料輸送現場總線控制系統運行時間較短，均不超過6 s，比另外2種控制系統的運行速度更快，能夠在較短時間內完成燃料輸送操作，可行性較高。

4 結語

通過上述研究，能夠得到以下幾個方面結論：1）根據表1的控制系統功能模塊測試結果可知，該文所設計的燃料輸送現場總線控制系統的各個功能模塊運行狀況良好，均符合預期設計要求。2）根據圖4可知，按照該文設計的控制系統，在燃料輸送量不斷增加的趨勢下，其運行時間較短，均能夠在6 s內完成燃料輸送操作，優勢顯著。