谷 偉，王兆舜，劉 偉，姚慧鐘，葛舉生

(南京國(guó)電南自維美德自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 210032)

火電機(jī)組若運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)十幾年，硬件故障、隱患問題將逐年增多，機(jī)組穩(wěn)定性下降。某電廠330 MW機(jī)組，投產(chǎn)于2005年，原分散控制系統(tǒng)(DCS)對(duì)單元機(jī)組爐、機(jī)、電集中控制，集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、電氣控制系統(tǒng)(ECS)、汽輪機(jī)電液調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)(DEH/MEH)、煙氣脫硫控制等系統(tǒng)功能，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)(ETS)采用可編程控制器(PLC)。

下面對(duì)該機(jī)組存在的問題進(jìn)行分析，針對(duì)此問題，采用maxICS系統(tǒng)對(duì)DCS硬件改造升級(jí)，并提出改造方案。

1 存在的問題

a.核心部件設(shè)備老化。機(jī)組DCS已運(yùn)行14年，部分核心硬件已接近或超出使用壽命，工作性能不穩(wěn)定，故障率高，造成安全隱患。

b. DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在安全隱患。原DCS為環(huán)狀+邏輯斷點(diǎn)模式，核心交換機(jī)型號(hào)老舊，故障頻發(fā)，導(dǎo)致邏輯斷點(diǎn)失效，易形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴影響機(jī)組穩(wěn)定；網(wǎng)口通信品質(zhì)下降，備用網(wǎng)口不足，負(fù)荷率增大，不符合當(dāng)前安評(píng)要求。

c.人機(jī)界面設(shè)備性能降低、可靠性差。操作站處理器能力老化，運(yùn)算能力不足，影響正常操作調(diào)閱相關(guān)畫面和正常指令輸入。數(shù)據(jù)記錄功能不滿足要求，DCS歷史站存儲(chǔ)配置小，無法滿足數(shù)據(jù)趨勢(shì)查閱及事故分析要求。

d.機(jī)組已無備用I/O模件、備用點(diǎn)可用。多次技改導(dǎo)致I/O點(diǎn)數(shù)增加較多，備用卡件與備用通道幾乎全部使用，沒有I/O冗余能力，同時(shí)I/O點(diǎn)數(shù)的增加使得所有過程控制站CPU負(fù)荷率增大，不符合安評(píng)要求。系統(tǒng)運(yùn)算速度較慢，監(jiān)視、調(diào)整、自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能運(yùn)行緩慢，也直接影響調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

e.自動(dòng)化水平已不滿足當(dāng)前控制要求。運(yùn)行年限的增多，原協(xié)調(diào)控制、自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)、一次調(diào)頻等控制精度不夠，機(jī)組被考核次數(shù)增多。DEH伺服卡控制慢，有不合理邏輯，繼電器老化存在風(fēng)險(xiǎn)。ETS為PLC獨(dú)立系統(tǒng)，不易維護(hù)。

f. DCS電源設(shè)計(jì)配置不合理，工程師站、操作站、歷史站電源沒有分散控制，電源切換時(shí)存在短時(shí)失電現(xiàn)象，造成顯示黑屏或操作站關(guān)機(jī)。

總之，由于系統(tǒng)設(shè)備老化、硬件及軟件設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)故障、控制技術(shù)落后等原因，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造，升級(jí)后可延長(zhǎng)系統(tǒng)壽命、減少系統(tǒng)故障、消除安全隱患、提高自動(dòng)化水平，對(duì)維持機(jī)組的安全正常運(yùn)行具有重大意義。

2 maxICS系統(tǒng)介紹

maxICS系統(tǒng)是某公司2019年在原maxDNA技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過硬件本質(zhì)上的整體升級(jí)及軟件上的深入開發(fā)，推出的全新智能電廠一體化控制系統(tǒng)。

2.1 先進(jìn)的過程控制器

實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中相對(duì)獨(dú)立子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制和保護(hù)功能，過程控制器(DPU)包含控制處理器CP模件、輸入輸出模件、通信鏈路模件、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接口等硬件。它是maxICS系統(tǒng)主控通信網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)，其特點(diǎn)有： 每個(gè)過程控制站可擴(kuò)展8路串行通信鏈路； 每條通信鏈路最大支持12個(gè)I/O模件，每個(gè)過程控制站最大可擴(kuò)展96個(gè)I/O模件； 每個(gè)機(jī)柜可放置4列I/O模件，每個(gè)過程控制站最大可擴(kuò)展到兩個(gè)機(jī)柜； 每路通信鏈路調(diào)制速率為2 Mb/s； 每條通信鏈路上的I/O模件地址可以自識(shí)別； DPU模件內(nèi)有一個(gè)多速處理系統(tǒng)，允許按三種不同的時(shí)間等級(jí)(從最快10 ms到0.5 s)可執(zhí)行8 000個(gè)目標(biāo)功能塊。

2.2 完整的系統(tǒng)架構(gòu)

主干通訊采用交換式快速以太網(wǎng)，通過獨(dú)有軟件背板(SBP)技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組件的快速、穩(wěn)定數(shù)據(jù)交互。

maxICS系統(tǒng)主要技術(shù)特點(diǎn)[1]有：分布式分散，無中心服務(wù)器設(shè)計(jì)；大容量，通過軟件背板和變量傳輸技術(shù)支持100 000點(diǎn)以上I/O標(biāo)簽；高性能，采用高速并行總線、時(shí)序同步技術(shù)和專用模件實(shí)現(xiàn)控制回路5 ms級(jí)處理周期，可用于汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)；高可靠性，通過特殊硬件設(shè)計(jì)、元器件選型和軟件設(shè)計(jì)提升系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性；高安全性，在控制器和監(jiān)控系統(tǒng)層級(jí)均進(jìn)行信息安全增強(qiáng)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放，擴(kuò)展性強(qiáng)，可擴(kuò)展各類用戶功能塊和應(yīng)用程序；支持多種通訊協(xié)議，可方便地與第三方系統(tǒng)互連互通。

系統(tǒng)在傳統(tǒng)DCS基礎(chǔ)上在橫向和縱向都進(jìn)行了擴(kuò)展，包含廠級(jí)信息管理、信息管理、性能計(jì)算、監(jiān)控系統(tǒng)、第三方通訊、實(shí)時(shí)控制和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集等完整的層次。

2.3 冗余的星型網(wǎng)絡(luò)

星型網(wǎng)絡(luò)控制簡(jiǎn)單，任何一站點(diǎn)只和中央節(jié)點(diǎn)相連接，因而介質(zhì)訪問控制方法簡(jiǎn)單；中央節(jié)點(diǎn)對(duì)連接線路可以逐一隔離進(jìn)行故障檢測(cè)和定位，單個(gè)連接點(diǎn)的故障只影響一個(gè)設(shè)備，不會(huì)影響全網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)快，不會(huì)形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

冗余的交換機(jī)配置，分別冗余連接分散控制系統(tǒng)中各過程控制站、人-機(jī)接口站(操作員站、工程師站等)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。采用工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、全雙工模式工作，通訊速率為1 000/100 Mb/s，傳輸介質(zhì)采用超五類雙絞線或多、單模光纜。

3 maxICS系統(tǒng)在改造中的應(yīng)用

機(jī)組停機(jī)檢修期間內(nèi)對(duì)機(jī)組DCS設(shè)備分步進(jìn)行改造。首先，機(jī)組停機(jī)后先對(duì)鍋爐側(cè)DCS設(shè)備進(jìn)行拆除改造，待汽機(jī)冷卻后再對(duì)汽機(jī)側(cè)DCS設(shè)備進(jìn)行拆除改造。在機(jī)組停機(jī)前，對(duì)DCS點(diǎn)表、邏輯、畫面、各項(xiàng)改造措施進(jìn)行充分的討論，形成最終的改造方案，同時(shí)完成各項(xiàng)設(shè)備的靜態(tài)試驗(yàn)。施工和調(diào)試技術(shù)人員，提前進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)熟悉改造設(shè)備，以確保改造工期滿足要求。

3.1 硬件改造方案

a.施工單位進(jìn)場(chǎng)準(zhǔn)備，所有信號(hào)線打印最新膠頭號(hào)，解線分類梳理。

b.將機(jī)組原有的鍋爐汽機(jī)DCS、ECS、循環(huán)泵房、DEH/MEH等控制機(jī)柜、ETS的PLC控制機(jī)柜、繼電器柜、電源柜等全部拆除，采用全新的maxICS系統(tǒng)DCS機(jī)柜進(jìn)行更換。同時(shí)拆除原DCS操作員站、工程師站、歷史站、虛擬機(jī)站等

c. maxICS機(jī)柜按原DCS機(jī)柜分布進(jìn)行布置。原DCS的一個(gè)DPU控制站分為DPU基本柜與接線端子柜。maxICS系統(tǒng)也配置成DPU基本柜與接線端子柜的形式，對(duì)機(jī)柜1∶1進(jìn)行替換。

d.將原有通信方式接入DCS的ETS機(jī)柜拆除，重新設(shè)計(jì)根據(jù)分散布置原則增加相應(yīng)控制站。

e.DPU數(shù)量按1∶1原則完全替換，同時(shí)原機(jī)柜遠(yuǎn)程柜改用遠(yuǎn)程站形式，增加2對(duì)DPU，滿足分散布置原則。操作員站等按1∶1替換最新型號(hào)電腦，增加1臺(tái)歷史站與1臺(tái)專用廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)接口站。

f.改造現(xiàn)場(chǎng)分為鍋爐與汽機(jī)兩個(gè)主要電子間。原DCS網(wǎng)絡(luò)為環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)加邏輯斷點(diǎn)形式。maxICS系統(tǒng)為星型網(wǎng)絡(luò)，成輻射狀。改造以鍋爐核心交換機(jī)為中心交換機(jī)，鍋爐側(cè)所有控制站、工程師室與集控室所有操作站接入鍋爐核心交換機(jī)，汽機(jī)側(cè)所有控制站接入汽機(jī)核心交換機(jī)，鍋爐核心交換機(jī)與汽機(jī)核心交換機(jī)采用千兆光纖通信，兩用兩備。

g.保留下原機(jī)組所有外掛通信設(shè)備，設(shè)備在原DCS均是通過一個(gè)除DPU A/B網(wǎng)以外的第三網(wǎng)集中通信再分散接入對(duì)應(yīng)虛擬DPU供實(shí)際DPU使用，maxICS系統(tǒng)將各外掛通信設(shè)備直接與實(shí)際DPU建立通信，免去中間環(huán)節(jié)，功能標(biāo)識(shí)明顯，避免了外掛設(shè)備之間的互相影響，便于管理。

h.原DCS所有接線端子柜的每塊接線端子標(biāo)識(shí)拍照留存，所有信號(hào)線膠頭號(hào)根據(jù)核對(duì)后的I/O點(diǎn)表重新打印，同時(shí)保留原有膠頭號(hào)以便查找。原DCS電纜盡可能利舊，若長(zhǎng)度不能滿足maxICS系統(tǒng)接線要求時(shí)，通過增加中間轉(zhuǎn)接端子或電纜鉸接、焊接的方式解決，重要輔機(jī)測(cè)點(diǎn)分散布置的改造工作中，電纜要求調(diào)整跨柜的采用端子轉(zhuǎn)出，柜內(nèi)長(zhǎng)度不夠的采用鉸接方式。

i.增加主要設(shè)備電纜設(shè)計(jì)。原總?cè)剂咸l(MFT)硬回路系統(tǒng)只有一套，根據(jù)MFT柜最新規(guī)范重新設(shè)計(jì)，采用最新的跳閘控制回路，設(shè)計(jì)兩套跳閘控制回路。保留原接入接出信號(hào)，原MFT硬回路系統(tǒng)設(shè)計(jì)增加一路FSSS復(fù)位MFT信號(hào)；第二套增加3路FSSS柜失電MFT動(dòng)作(3取2)，增加2路FSSS復(fù)位MFT信號(hào)。另外，增加3路協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)負(fù)荷指令至DEH機(jī)柜，替換原DCS控制采用的開關(guān)量信號(hào)。

j.本次改造公用部分不參與，因此本機(jī)組側(cè)保留了一臺(tái)公用電腦，保留原鍋爐A/B網(wǎng)交換機(jī)接入原網(wǎng)絡(luò)，僅供公用電腦使用。

k.機(jī)柜替換完成，接線信號(hào)校對(duì)結(jié)束后，進(jìn)行分系統(tǒng)調(diào)試以及整套啟動(dòng)，聘請(qǐng)有資質(zhì)和能力的電科院等單位進(jìn)行項(xiàng)目過程把關(guān)，包括接地電阻交接試驗(yàn)，DCS性能試驗(yàn)，AGC及一次調(diào)頻試驗(yàn)，快速甩負(fù)荷(RB)試驗(yàn)等。

3.2 邏輯改造方案

按照原DCS邏輯翻譯成maxICS系統(tǒng)可執(zhí)行邏輯，同時(shí)調(diào)試期間針對(duì)原控制邏輯不夠完善達(dá)不到控制要求的進(jìn)行邏輯修改或完善。原DCS全程給水自動(dòng)邏輯與CCS邏輯在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后，已不能滿足機(jī)組穩(wěn)定控制，人工干預(yù)增多。本次改造重點(diǎn)修改完善這兩部分邏輯。

3.2.1 全程給水自動(dòng)邏輯

給水控制設(shè)計(jì)2臺(tái)50%汽泵和1臺(tái)50%的電泵，正常運(yùn)行時(shí)由2臺(tái)汽泵供水，電泵是在鍋爐啟?；虻拓?fù)荷工況下或汽泵故障緊急備用投備。一定負(fù)荷后主給水門開由電泵勺管控制汽包水位。汽包水位按全程給水自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。單沖量及三沖量控制如下。

機(jī)組在啟動(dòng)低負(fù)荷階段(0%～14%)，調(diào)速泵保持在最低安全轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)閥控制汽包水位為定值；當(dāng)負(fù)荷在14%～25%時(shí)，采用電泵控制汽包水位；當(dāng)負(fù)荷大于25%時(shí)，系統(tǒng)切換為三沖量調(diào)節(jié)；當(dāng)負(fù)荷升到35%啟動(dòng)一臺(tái)汽動(dòng)給水泵，當(dāng)汽動(dòng)給水泵轉(zhuǎn)速升到MEH的指定轉(zhuǎn)速后投入遙控，由MCS操作，可投入自動(dòng)控制。當(dāng)負(fù)荷升到50%以上啟動(dòng)另一臺(tái)汽動(dòng)給水泵，當(dāng)汽動(dòng)給水泵轉(zhuǎn)速升到MEH的指定轉(zhuǎn)速后投入遙控，由MCS操作，可投入自動(dòng)控制。逐步減小電動(dòng)給水泵負(fù)荷，增加汽泵負(fù)荷，維持汽包水位穩(wěn)定。

每臺(tái)泵有手自動(dòng)切換、偏置設(shè)定功能；當(dāng)兩臺(tái)泵運(yùn)行的轉(zhuǎn)速不同時(shí)，一臺(tái)投自動(dòng)，當(dāng)投另一臺(tái)自動(dòng)后偏差記錄在后投自動(dòng)的偏差位置，保證汽包水位調(diào)節(jié)無擾動(dòng)，手動(dòng)改變偏差可調(diào)節(jié)兩臺(tái)汽泵的流量，達(dá)到兩臺(tái)汽泵的出力相同。

降負(fù)荷過程中，負(fù)荷降到50%以下解除電泵備用，可停一臺(tái)汽泵。當(dāng)負(fù)荷降到30%以下時(shí)啟動(dòng)電泵逐漸把負(fù)荷移至到電泵，保證汽包水位的穩(wěn)定可停另一臺(tái)汽泵。當(dāng)負(fù)荷降到25%時(shí)，三沖量自動(dòng)切為單沖量控制。當(dāng)電泵低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，可用旁路給水閥調(diào)節(jié)汽包水位穩(wěn)定。

3.2.2 CCS邏輯

針對(duì)原DCS運(yùn)行邏輯，結(jié)合調(diào)試過程中的數(shù)據(jù)分析在如下幾個(gè)方面做了重要優(yōu)化調(diào)整[2]。

a.一次風(fēng)機(jī)控制邏輯優(yōu)化：完善一次風(fēng)壓設(shè)定值生成回路，在常規(guī)負(fù)荷指令對(duì)應(yīng)一次風(fēng)壓函數(shù)上，增加負(fù)荷指令微分的動(dòng)態(tài)響應(yīng)部分。

b.鍋爐主控控制邏輯優(yōu)化：鑒于升降負(fù)荷時(shí)機(jī)組運(yùn)行特性的不同，根據(jù)負(fù)荷水平和壓力偏差建立升降負(fù)荷時(shí)不同的鍋爐主控動(dòng)態(tài)前饋修正函數(shù)。

c.汽機(jī)主控控制邏輯優(yōu)化：根據(jù)不同負(fù)荷偏差自適應(yīng)調(diào)整汽機(jī)主控功率回路PID的積分作用。

機(jī)組AGC的負(fù)荷響應(yīng)速度快，響應(yīng)時(shí)間小于30 s，負(fù)荷的動(dòng)態(tài)偏差為額定負(fù)荷的1%，穩(wěn)態(tài)偏差為額定負(fù)荷的0.5%，各參數(shù)指標(biāo)都只有規(guī)程要求范圍值的一半，優(yōu)化后跟蹤效果顯著。

4 改造后運(yùn)行效果

自機(jī)組所有試驗(yàn)項(xiàng)目合格結(jié)束，maxICS系統(tǒng)已連續(xù)工作96天，機(jī)柜控制器及模件工作正常，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)生一起軟硬件故障。畫面數(shù)據(jù)顯示實(shí)時(shí)準(zhǔn)確，報(bào)警提示準(zhǔn)確及時(shí)。交換機(jī)網(wǎng)口負(fù)荷率普遍維持在1%左右，DPU負(fù)荷率普遍維持在2%～5%。機(jī)組啟動(dòng)2次，解列1次，總計(jì)運(yùn)行82 天，運(yùn)行期間機(jī)組負(fù)荷在165～330 MW調(diào)整，各項(xiàng)功能應(yīng)用正常，保護(hù)投入率100%，自動(dòng)投入率100%，機(jī)組AGC可以保證至少180～330 MW投入，且控制品質(zhì)良好，省調(diào)AGC測(cè)試速率高于省調(diào)考核標(biāo)準(zhǔn)，且有一定裕量。

通過對(duì)機(jī)組DCS改造升級(jí)，使機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到DL/T 657-2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》要求及安全評(píng)價(jià)要求，并且效果顯著，提高了控制系統(tǒng)自動(dòng)化程度、機(jī)組控制水平及安全穩(wěn)定性。