SunyTDCS9200集散控制系統(tǒng)在鍋爐熱電行業(yè)的應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展以及電力市場的放開，工業(yè)及城市用電需求迅速增長，充分利用民間閑置資金發(fā)展中小火電企業(yè)，對于解決當(dāng)前用電需求空缺、推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極意義。由于中小火電機(jī)組周期短、投資少、發(fā)電穩(wěn)定，近年來各地陸續(xù)上馬或改造了一批中小機(jī)組。由于火力發(fā)電是連續(xù)生產(chǎn)，控制精度要求高，連鎖保護(hù)復(fù)雜，為確保機(jī)爐安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，利用先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)替代原有的數(shù)字式調(diào)節(jié)儀表對機(jī)爐進(jìn)行控制勢在必行。本文以山東某火電廠2×75t/h水煤漿鍋爐＋2×15 MW 機(jī)組為例，討論浙大中自的SunyTDCS9200系列集散控制系統(tǒng)在鍋爐熱電行業(yè)的應(yīng)用。
　　
1、工程概述
　　
該工程為改造項(xiàng)目，原為兩臺75t/h燃油鍋爐，經(jīng)東北電力設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)改為循環(huán)流化床水煤漿鍋爐，汽機(jī)采用南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的15MW抽凝式汽輪機(jī)，進(jìn)口3.43/0.981/0.049，發(fā)電機(jī)為濟(jì)南發(fā)電機(jī)廠生產(chǎn)的無刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)為兩爐兩機(jī)母管制運(yùn)行，模擬量輸入點(diǎn)共492點(diǎn)（液位.溫度.壓力.流量.電流.電壓等），模擬量輸出84點(diǎn)，數(shù)字量輸入613點(diǎn)，數(shù)字量輸出242點(diǎn)，快速DI- SOE 56點(diǎn)。
　　
2、SunyTDCS9200集散控制系統(tǒng)簡介
　　
SunyTDCS9200系列集散控制系統(tǒng)是浙大中自公司憑借數(shù)十年從事控制理論、控制工程研究成果，按照可靠性高、系統(tǒng)開放、組態(tài)靈活的設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)開發(fā)的新一代集散控制系統(tǒng)，它采用危險(xiǎn)分散、控制分散、集中監(jiān)控的設(shè)計(jì)思想，充分利用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)，具有多層分級、真正開放互連、穩(wěn)定可靠、冗余度高、組態(tài)靈活等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、生化、電力、造紙、環(huán)保等行業(yè)。
　　
SunyTDCS9200集散控制系統(tǒng)采用分級分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，所有的硬件均實(shí)現(xiàn)模塊化、智能化。下位控制站構(gòu)成現(xiàn)場控制級，采用嵌入式控制模板作為主控器，多CPU分布式處理，基于優(yōu)先級的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為控制算法處理平臺，滿足了機(jī)爐保護(hù)和電氣控制的實(shí)時(shí)性要求。現(xiàn)場控制站完成過程數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制，上位監(jiān)控站通過冗余工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)與之相連，完成工業(yè)過程的集中監(jiān)測管理，還可進(jìn)一步與企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)相連，構(gòu)成全廠綜合生產(chǎn)自動化系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)采用了多重冗余化技術(shù)以及有效的抗干擾措施，保證了系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)行。
　　
3、電廠DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　
TDCS9200集散控制系統(tǒng)是一套分層分布式的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，共分3層，分別為現(xiàn)場控制網(wǎng)（CNet）、系統(tǒng)網(wǎng)（SNet）和管理網(wǎng)（MNet），共包括3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集單元、過程控制單元和監(jiān)控管理單元。數(shù)據(jù)采集單元通過控制網(wǎng)絡(luò)CNet相連，實(shí)現(xiàn)I/O站與主控器之間的內(nèi)部通訊；所有的控制站作為系統(tǒng)網(wǎng)（SNet）的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過符合IEEE802.3規(guī)范的工業(yè)以太網(wǎng)總線與上位監(jiān)控站相連，傳輸介質(zhì)為5類非屏蔽雙絞線,實(shí)現(xiàn)控制站與操作站之間的數(shù)據(jù)通訊。系統(tǒng)網(wǎng)冗余配置。而管理網(wǎng)（MNet）允許用戶系統(tǒng)接入更高一層的企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)。
　　
在本系統(tǒng)中，設(shè)現(xiàn)場控制站3臺，分別用于1#、2#鍋爐和1#、2#汽機(jī)以及電氣部分的數(shù)據(jù)采集和控制管理。控制站主要包括冗余電源組件、數(shù)據(jù)采集卡、控制器以及控制網(wǎng)總線控制器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理、過程控制、聯(lián)鎖保護(hù)、順控邏輯等。
　　
根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，控制室設(shè)監(jiān)控站5臺，主機(jī)采用高可靠性工業(yè)PC機(jī)，配有專用工業(yè)薄膜鍵盤、軌跡球鼠標(biāo)和21’CRT顯示器。監(jiān)控站運(yùn)行實(shí)時(shí)專用監(jiān)控軟件，它通過SNet與控制站交互數(shù)據(jù)，完成工業(yè)過程的圖形顯示，報(bào)警管理、報(bào)表打印、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢、事故記錄查詢等。一旦有報(bào)警事件發(fā)生，CRT上將在顯眼位置給出報(bào)警提示，同時(shí)寬行針式打印機(jī)打出報(bào)警事故內(nèi)容（位號、名稱、報(bào)警內(nèi)容等）。
　　
工程師站由其中一臺監(jiān)控站代替，完成整個(gè)DCS系統(tǒng)的組態(tài)，生成現(xiàn)場監(jiān)測、控制和管理所需要的所有數(shù)據(jù)、圖形和報(bào)表等，負(fù)責(zé)算法下裝和監(jiān)控站的管理。
　　
主控室還配置 3臺打印機(jī)（寬行針式、黑白激光、彩色噴墨）作為系統(tǒng)網(wǎng)的一個(gè)共享節(jié)點(diǎn)（打印機(jī)服務(wù)器），分別用于實(shí)時(shí)報(bào)警打印、報(bào)表打印和工藝流程打印。

4、系統(tǒng)功能
　　
系統(tǒng)納入了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、輔機(jī)順控系統(tǒng)（SCS）、機(jī)爐保護(hù)系統(tǒng)（FSSS）、汽機(jī)監(jiān)控保護(hù)（TSI）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）等功能。所有的過程數(shù)據(jù)顯示在上位CRT完成，異常工況時(shí)監(jiān)控軟件能給出聲光報(bào)警提醒操作工注意并給出相應(yīng)的提示，指導(dǎo)操作工操作。
　　
（1）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）
　　
DAS系統(tǒng)由各I/O板卡完成對生產(chǎn)過程中的現(xiàn)場數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采集與處理，它包括：現(xiàn)場信號級（4～20mA）、信號隔離、硬件濾波、A/D轉(zhuǎn)換、軟件處理等部分，硬件部分自帶補(bǔ)償電路，能做到高頻干擾的自動隔離和原始信號補(bǔ)償，軟件處理包括開方、累積、誤差補(bǔ)償、濾波等，確保參與顯示和控制的輸入信號的準(zhǔn)確性。
　　
所有的DAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過上位監(jiān)控軟件在CRT上顯示、報(bào)警提示并記錄到歷史數(shù)據(jù)庫。DAS系統(tǒng)數(shù)據(jù)能以多種方式顯示記錄，包括工藝流程顯示，參數(shù)棒圖顯示等。
　　
（2）模擬量控制系統(tǒng)（MCS）
　　
模擬量控制系統(tǒng)（MCS）通過控制相關(guān)閥門擋板開度，調(diào)節(jié)鍋爐參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)變化，確保機(jī)爐安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在本系統(tǒng)中共設(shè)計(jì)了40多套自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，包括鍋爐與汽機(jī)的所有重要參數(shù)的調(diào)節(jié)。如汽包水位調(diào)節(jié)、主汽壓力調(diào)節(jié)、主汽溫度調(diào)節(jié)、煙氣氧量調(diào)節(jié)、爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)以及汽機(jī)側(cè)重要輔機(jī)的控制（除氧器壓力、液位、高低加熱器液位等）。MCS系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了機(jī)爐協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，采用直接能量平衡的控制策略，能在發(fā)電機(jī)組功率變化情況下快速計(jì)算出汽機(jī)對鍋爐負(fù)荷的要求，并自動改變主汽壓力、溫度的設(shè)定值，保證機(jī)組與鍋爐輸入輸出的能量快速達(dá)到平衡。
主汽壓力控制系統(tǒng)
　　
主汽壓力是表征能量供需平衡的標(biāo)志，主汽壓力控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入回路，燃料變化、風(fēng)量及其分布、負(fù)荷、主汽流量等都對主汽壓力有影響。一般對主汽壓力影響最大的因素就是燃料量的變化，負(fù)荷變化（以主汽流量反映）作為外擾，燃料變化、送風(fēng)變化作為內(nèi)擾，通過汽包壓力反映出來。主汽壓力的給定值由人工設(shè)定與主汽流量的變化綜合得出，主調(diào)變量選擇供漿泵轉(zhuǎn)速。在此基礎(chǔ)上，我們設(shè)計(jì)了主汽壓力－汽包壓力－主汽流量的串級加前饋控制系統(tǒng)，汽包壓力作為副環(huán)變量，反映燃燒狀況的綜合變化，提前消除內(nèi)擾對主汽壓力的影響。負(fù)荷變化作為前饋?zhàn)兞浚?dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，主汽流量也隨之發(fā)生變化，通過調(diào)節(jié)供漿泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)主汽壓力，從而改變鍋爐供汽量。

煙氣氧量控制系統(tǒng)
　　
煙氣氧量是反映燃料是否充分燃燒的重要指標(biāo)。在煙氣氧量控制系統(tǒng)中，采取分級送風(fēng)的方式，一、二次風(fēng)布風(fēng)口分別在鍋爐下部的水冷風(fēng)室和粒化器附近。總給風(fēng)量由風(fēng)煤比計(jì)算得出，經(jīng)煙氣氧量修正，在按照工藝情況計(jì)算得出各布風(fēng)口所需的風(fēng)量給定值，其中一次風(fēng)量需要經(jīng)過一次床溫矯正。一次風(fēng)量的控制通過控制一次風(fēng)入口擋板的開度而實(shí)現(xiàn)，并保證一次風(fēng)量大于二次風(fēng)量之和；二次風(fēng)量通過控制二次布風(fēng)口擋板，調(diào)節(jié)爐膛內(nèi)部不同部位燃燒平衡。為保證鍋爐經(jīng)濟(jì)燃燒，應(yīng)使煙氣氧量維持在一個(gè)最佳值上，故利用煙氣氧量來修正總給風(fēng)量（送風(fēng)機(jī)入口擋板）。
　　
煙氣氧量調(diào)節(jié)系統(tǒng)如下圖所示：

爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)
　　
爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)是維持爐膛負(fù)壓在規(guī)定范圍內(nèi)，確保鍋爐安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。對爐膛負(fù)壓影響最直接的因素就是鍋爐送風(fēng)和引風(fēng)。實(shí)踐證明，單純依靠調(diào)引風(fēng)擋板開度來調(diào)節(jié)爐膛負(fù)壓，波動非常大。因此我們采用送風(fēng)量動態(tài)前饋復(fù)合調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案。以爐膛負(fù)壓作為被調(diào)量，通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)入口擋板，保證爐膛負(fù)壓的恒定。由于爐膛負(fù)壓容易波動，故引入送風(fēng)擋板閥位的動態(tài)變量作為引風(fēng)前饋信號，當(dāng)送風(fēng)量變化時(shí)，引風(fēng)擋板也相應(yīng)的動作，使引風(fēng)量跟隨送風(fēng)量變化，及時(shí)消除送風(fēng)對爐膛負(fù)壓的影響。將送風(fēng)量的變化作為前饋量引入到爐膛負(fù)壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中來，構(gòu)成前饋－反饋控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)原理圖如下：

汽包水位控制
　　
汽包水位是鍋爐模擬量控制系統(tǒng)中最重要的控制指標(biāo)。汽包水位過高將影響蒸汽質(zhì)量，水位過低則引起鍋爐干燒，造成水冷壁爆裂。在本系統(tǒng)中，我們采用以汽包水位、給水流量和蒸汽流量構(gòu)成三沖量控制系統(tǒng)與以汽包水位進(jìn)行單沖量調(diào)節(jié)結(jié)合的控制方案，兩種方案可手動切換，分別適應(yīng)不同負(fù)荷階段水位控制的需要。汽包水位作為主調(diào)節(jié)器的輸入，主調(diào)節(jié)器的輸出作為副調(diào)節(jié)器的給定，與給水流量相平衡。通過調(diào)節(jié)主給水閥改變給水流量來維持汽包水位的恒定。把主蒸汽流量作為系統(tǒng)的前饋信號，反映和克服系統(tǒng)的外擾，給水流量信號反映和克服內(nèi)擾。

過熱汽溫調(diào)節(jié)
　　
由于用戶鍋爐過熱汽溫減溫方式為表面式，熱量傳遞慢，滯后時(shí)間長，單回路控制效果差，因此采用串級調(diào)節(jié)的方式，被控量為低過后主蒸汽溫度，取減溫器后蒸汽溫度作為副環(huán)變量，提前反映汽溫的擾動，通過改變減溫水流量來維持。副調(diào)節(jié)器維持過熱汽出口汽溫的恒定，低過出口主汽溫度作為主調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)節(jié)原理圖如下：

（3）鍋爐順序控制（SCS）

順序控制系統(tǒng)主要完成各輔機(jī)設(shè)備的順序啟停及聯(lián)鎖保護(hù)。在順控邏輯中，采用了分級式結(jié)構(gòu)，功能細(xì)化到單臺設(shè)備控制。通過聯(lián)鎖、保護(hù)和安全跳閘功能保證水煤漿鍋爐的安全運(yùn)行。為了減少操作人員的工作，在鍋爐正常啟動及停車時(shí)，操作人員只需點(diǎn)擊開停車操作按鈕，所有相關(guān)設(shè)備就會按照順控邏輯動作，其運(yùn)行狀態(tài)及啟停許可條件均通過CRT上的啟停流程畫面顯示出來。受控設(shè)備能同時(shí)接受順控指令和手動指令，手動指令具有更高的優(yōu)先級，操作人員可干預(yù)設(shè)備的啟停操作。一旦順控邏輯失敗，CRT上立即顯示報(bào)警提示。鍋爐順控邏輯主要包括：鍋爐啟動、鍋爐停車、床溫高聯(lián)鎖停爐、水冷風(fēng)室溫度底聯(lián)鎖停爐，給水泵與供漿泵跳閘聯(lián)鎖停爐、加砂順序控制、除灰順序控制以及送引風(fēng)跳閘聯(lián)鎖邏輯等。
　　
（4）爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）
　　
FSSS系統(tǒng)的主要作用是對燃料系統(tǒng)及燃燒設(shè)備進(jìn)行管理和控制，保證鍋爐安全運(yùn)行。FSSS系統(tǒng)包括燃燒器控制系統(tǒng)和爐膛安全系統(tǒng)，其主要功能包括：
　　
爐膛自動點(diǎn)火、火焰監(jiān)視、爐膛吹掃允許條件及吹掃程序、油槍控制、一次風(fēng)機(jī)啟停控制、二次風(fēng)門控制、送引風(fēng)門的擋板聯(lián)鎖，供漿泵啟停控制、燃油截止閥控制、送引風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖等部分。
　　
（5）汽輪機(jī)監(jiān)控與保護(hù)系統(tǒng)（TSI）
　　
汽機(jī)的保護(hù)包括汽機(jī)的軸震動，軸位移，凝汽器真空，汽機(jī)電超速等。快速DIO采集卡實(shí)時(shí)獲取TSI信號，TSI程序具有高優(yōu)先級，在內(nèi)核中能優(yōu)先得到處理。
　　
汽機(jī)旁路控制用來匹配各工況下機(jī)爐的溫度、壓力等參數(shù)，在故障工況下能迅速保護(hù)汽機(jī)，平衡機(jī)爐負(fù)荷，并回收能量。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，低壓旁路控制系統(tǒng)開啟，維持機(jī)組在較低的負(fù)荷下運(yùn)行，當(dāng)汽機(jī)跳閘時(shí)，高壓旁路系統(tǒng)開啟，保護(hù)再熱器。
　　
（6）電氣控制系統(tǒng)（ECS）
　　
電氣部分的控制主要包括各廠用斷路器的合分控制、發(fā)/變機(jī)組控制、勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)、AVR的設(shè)置與調(diào)節(jié)、自動準(zhǔn)同期設(shè)置等。電氣部分的控制主要為快速IO控制，因此在設(shè)計(jì)中使用了快速開入開出卡。所有斷路器均可實(shí)現(xiàn)手自動切換，同期邏輯全部在DCS中實(shí)現(xiàn)。
　　
5、系統(tǒng)軟件功能
　　
系統(tǒng)軟件分為兩部分，下位控制站運(yùn)行基于嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)的控制軟件，負(fù)責(zé)算法調(diào)度、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以及底層設(shè)備的驅(qū)動等。上位機(jī)運(yùn)行基于Windows2000操作系統(tǒng)工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件（HMI），內(nèi)含各種先進(jìn)控制軟件包。HMI內(nèi)建一個(gè)基于ACCESS的歷史數(shù)據(jù)庫，提供My SQL查詢接口，能查詢3個(gè)月以內(nèi)的歷史信息，對查找事故原因、工藝狀態(tài)有很大的幫助作用。HMI自帶報(bào)表生成軟件，不需要任何第三方軟件即可生成具有Excel風(fēng)格的歷史報(bào)表。當(dāng)出現(xiàn)報(bào)警信號時(shí)，針式打印機(jī)能自動打印出報(bào)警點(diǎn)的位號、名稱以及報(bào)警內(nèi)容，提示操作人員及時(shí)處理。TDCS9200系統(tǒng)軟件可完成如下功能：
　　
（1）系統(tǒng)管理組態(tài) 定義系統(tǒng)硬件配置與管理、數(shù)據(jù)庫定義、算法定義等，在工程師站定義好系統(tǒng)配置后，就可以通過系統(tǒng)網(wǎng)總線下裝到各操作員站和控制站
　　
（2）人機(jī)界面的定制 工藝流程圖采用了分層結(jié)構(gòu)，在整個(gè)電廠設(shè)備工藝運(yùn)行的總貌圖中，可靈活進(jìn)入各級流程圖，詳細(xì)顯示各部分運(yùn)行流程及狀態(tài)，所有設(shè)備的啟停、開關(guān)等操作都可在工藝流程圖中方便的實(shí)現(xiàn)。對主要設(shè)備如鍋爐汽機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)，專門設(shè)計(jì)了邏輯顯示畫面，提示操作員邏輯的執(zhí)行情況。

（3）控制調(diào)節(jié) 系統(tǒng)支持彈出式調(diào)節(jié)面板供操作員調(diào)節(jié)重要參數(shù)，包括測量值、設(shè)定值和輸出值的動態(tài)棒圖與數(shù)字雙重顯示，所有的PID調(diào)節(jié)均設(shè)手自動切換按鈕，可實(shí)現(xiàn)手動與自動控制之間的無擾切換。
　　
（4）報(bào)表生成與趨勢顯示 允許用戶生成具有Excel風(fēng)格的各種樣式的報(bào)表模板，隨時(shí)可操作員供調(diào)用，提供各瞬時(shí)量的累計(jì)及統(tǒng)計(jì)功能。歷史趨勢畫面可顯示任意參數(shù)在一定時(shí)間內(nèi)的變化趨勢。
　　
（5）報(bào)警管理 允許用戶定義各種報(bào)警事件的級別和提示信息，還可以寫到報(bào)警記錄庫中供用戶日后查詢。對某些重要報(bào)警信息，可定義其強(qiáng)制跳出顯示；SOE事故順序記錄可記錄毫秒級的開關(guān)量動作信息。
　　
（6）系統(tǒng)管理 系統(tǒng)設(shè)多層登錄級別，只有獲得相應(yīng)的輸入口令才可獲得相應(yīng)的操作權(quán)限，保證了系統(tǒng)操作的安全性。
　　
6、總結(jié)

SunyTDCS9200系統(tǒng)已在該電廠成功投入使用，硬件可靠、功能實(shí)用，給運(yùn)行人員帶來了方便，達(dá)到了用戶的要求，充分顯示了該系統(tǒng)的高可靠性和豐富的系統(tǒng)功能，對于我國其他中小電廠安全、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行具有很好的借鑒作用。