盧曉晨,汪 鋒,王振濤,段發(fā)銀,侯建國(guó)
(1.華能山東發(fā)電有限公司,山東 濟(jì)南 250014;2.華能德州電廠,山東 德州 253004)
智慧燃料系統(tǒng)的設(shè)想是基于火電廠燃料系統(tǒng)發(fā)展的現(xiàn)狀,在智慧城市、智慧電廠概念提出的大背景下,綜合考慮國(guó)家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型、煤炭市場(chǎng)發(fā)展和企業(yè)鞏固基礎(chǔ)火電產(chǎn)業(yè)定位提出的。智慧燃料系統(tǒng)的范圍涵蓋電量計(jì)劃與煤炭采購(gòu)聯(lián)動(dòng),來(lái)煤接卸、摻配與上煤的自動(dòng)控制和智慧管理,其核心技術(shù)是在煤炭存放過(guò)程中完成智慧摻配,從而實(shí)現(xiàn)降低入爐煤?jiǎn)蝺r(jià)、提升燃料管理水平、增強(qiáng)火電主業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1-4]。
某電廠輸煤程控系統(tǒng)2001 年投產(chǎn)使用,采用美國(guó)某公司可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)控制系統(tǒng),近20 年的運(yùn)行使控制系統(tǒng)處于故障易發(fā)的超期服役狀態(tài),為保證輸煤系統(tǒng)的平穩(wěn)高效運(yùn)行、推進(jìn)智慧燃料項(xiàng)目的實(shí)施,需要將原PLC 控制系統(tǒng)改造為分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)。由于輸煤系統(tǒng)屬于電廠公用系統(tǒng),其DCS 改造必須在不影響機(jī)組正常運(yùn)行、輸煤皮帶不停運(yùn)的前提下進(jìn)行。目前,系統(tǒng)停運(yùn)的離線DCS 改造技術(shù)方案已比較成熟,但針對(duì)燃煤、化水、干灰等公用系統(tǒng)的在線改造技術(shù)方案仍然存在不足[5-11]。以某電廠智慧燃料項(xiàng)目中輸煤系統(tǒng)在線運(yùn)行DCS 改造為例,簡(jiǎn)述DCS 在線改造的總體設(shè)計(jì)、具體流程和主要問(wèn)題。所提出的系統(tǒng)在線運(yùn)行DCS改造方案,可為其他電廠公用系統(tǒng)的DCS 改造提供方案借鑒。
該輸煤PLC 控制系統(tǒng)的型號(hào)為1785-L80C15型,上位機(jī)系統(tǒng)采用iFix3.5。系統(tǒng)由集控室操作員站(Operator Unit,OPU)、電子間PLC 主站、10 號(hào)皮帶遠(yuǎn)程I/O 站、筒倉(cāng)遠(yuǎn)程I/O 站和2 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站組成;輸入、輸出回路均采用交流220 V 中間繼電器進(jìn)行隔離,通過(guò)ControlNet 搭建通信網(wǎng)絡(luò);控制DO 指令由系統(tǒng)PLC 主站發(fā)出至輸煤設(shè)備的機(jī)電控制中心(Motor Control Center,MCC),輸煤設(shè)備反饋DI 信號(hào)至I/O 站,輸煤設(shè)備信號(hào)、拉繩信號(hào)、速度信號(hào)、跑偏信號(hào)等直接接入I/O 站DI 卡件。PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖1 所示。
圖1 輸煤PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structural principle of coal transport PLC system
DCS 改造后,采用了上海某公司的OC6000e 控制系統(tǒng),該控制系統(tǒng)的全冗余設(shè)計(jì)可有效提高輸煤系統(tǒng)的控制性能,從而提高輸煤系統(tǒng)的可靠性??刂葡到y(tǒng)的控制器均采用雙冗余配置,可同時(shí)保證電源供電冗余、內(nèi)部直流模塊冗余、機(jī)組數(shù)據(jù)高速通道(Unit Data Highway,UDH)網(wǎng)絡(luò)冗余和I/O 接口冗余??刂葡到y(tǒng)采用對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),如圖2 所示,所有控制器節(jié)點(diǎn)和人機(jī)接口站直接接入U(xiǎn)DH 網(wǎng)絡(luò)并共享系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
圖2 OC6000e DCS控制器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.2 Network structure of OC6000e DCS controller
為保證輸煤系統(tǒng)供電的絕對(duì)可靠性,改造后的DCS 采用雙路交流供電,外加一路容量為16 kVA 的直流不間斷電源(Uninterruptible Power Supply,UPS)作為備用電源。兩路主電源一路采用400A 段380 V交流供電,另一路采用400B 段220 V 交流供電,備用電源采用蓄電池110 V 直流供電。在電源切換方面,本次改造采用了無(wú)切換時(shí)間的AC/DC、DC/AC 雙變換技術(shù),逆變器在逆變與旁路的切換時(shí)間小于1 ms;采用了可靠穩(wěn)定的靜態(tài)旁路功能,真正實(shí)現(xiàn)DCS 不間斷電源的目標(biāo),保證DCS 安全穩(wěn)定運(yùn)行。
改造后的DCS 共配置五對(duì)分布式處理單元(Distributed Processing Unit,DPU),其中集控室電子間配置主站兩對(duì)冗余DPU,10 號(hào)皮帶遠(yuǎn)程站、筒倉(cāng)遠(yuǎn)程站分別設(shè)置一對(duì)冗余DPU,2 號(hào)轉(zhuǎn)運(yùn)站配置虛擬Modbus 通信DPU??刂破鞯姆稚⑴渲脤⒄麄€(gè)系統(tǒng)劃分為多個(gè)子系統(tǒng),從而分散控制風(fēng)險(xiǎn)。除DPU的分散配置外,改造后的DCS 還利用人機(jī)交互(Human Machine Interface,HMI)類(lèi)型的不同,分散部署控制功能。設(shè)置一個(gè)工程師站,具備工程師權(quán)限,可實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)軟件組態(tài)、畫(huà)面編輯等功能;設(shè)置兩個(gè)操作員站,具備操作員權(quán)限,可操控、顯示系統(tǒng)所有設(shè)備,其中一個(gè)操作員站配置語(yǔ)音報(bào)警,另一個(gè)配置兩路用于對(duì)象鏈接與嵌入的過(guò)程控制(Object Linking and Embedding for Process Control,OPC)的服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)與廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory Information System for Plant Level,SIS)、智慧燃料系統(tǒng)的OPC 通信;設(shè)置一個(gè)歷史站,負(fù)責(zé)收集輸煤系統(tǒng)歷史記憶文件,實(shí)現(xiàn)追憶功能?;诓煌琀MI 類(lèi)型的控制功能的分散部署,從系統(tǒng)功能層面進(jìn)一步分散控制風(fēng)險(xiǎn)、保證輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。綜上,DCS 的主、遠(yuǎn)程站設(shè)計(jì)如圖3 所示。
圖3 DCS主站與遠(yuǎn)程站網(wǎng)絡(luò)配置Fig.3 Network configuration of DCS main station and remote station
本次改造的輸煤系統(tǒng)摻配煤任務(wù)重、機(jī)組負(fù)荷高,其安全平穩(wěn)運(yùn)行對(duì)電廠安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)具有重要意義[12-14]。為避免輸煤系統(tǒng)改造對(duì)電廠正常生產(chǎn)運(yùn)行的影響,工作人員創(chuàng)新性地采用了系統(tǒng)在線運(yùn)行(不停運(yùn))的DCS 改造技術(shù)。在DCS 改造期間,只允許輸煤系統(tǒng)單設(shè)備短期內(nèi)退出運(yùn)行,不允許單設(shè)備長(zhǎng)期停運(yùn)或存在雙設(shè)備停運(yùn)間隙,從而控制DCS 改造給系統(tǒng)運(yùn)行造成的擾動(dòng)最小化。總體設(shè)計(jì)方案概述如下:將DCS 安裝就位以后,以一臺(tái)套輸煤設(shè)備為單位,逐個(gè)接入原PLC 系統(tǒng)和就地設(shè)備之間,DCS 與PLC 系統(tǒng)的信號(hào)交換通過(guò)敷設(shè)臨時(shí)電纜的硬回路實(shí)現(xiàn),同時(shí)在DCS 中進(jìn)行編程以完善邏輯軟回路;在系統(tǒng)不停運(yùn)調(diào)試期間,DCS 作為PLC 系統(tǒng)的執(zhí)行單元,接受PLC 系統(tǒng)的控制指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)就地輸煤設(shè)備的單體控制,保證調(diào)試期間輸煤程控系統(tǒng)的安全運(yùn)行。系統(tǒng)在線運(yùn)行的DCS 改造方案原理見(jiàn)圖4。
圖4 改造接線方案原理Fig.4 Principle of the wiring scheme for the transformation
按照總體改造方案,綜合考慮系統(tǒng)不能停運(yùn)的要求、改造成本與施工安全等因素,DCS 的I/O 信號(hào)需要與就地設(shè)備串聯(lián)構(gòu)成回路,且原PLC 機(jī)柜的線路拆除、電纜的重新敷設(shè)與常規(guī)DCS 改造接線施工方案均有不同。本次改造的接線施工方案創(chuàng)新性地保持原PLC 機(jī)柜中的各個(gè)信號(hào)接線位置不變,而將原單層端子排更換為雙層端子排,以便使就地信號(hào)能夠分別接入PLC 系統(tǒng)或DCS。此外,改造中接線施工采用的逐個(gè)信號(hào)芯線接線的工藝,也較大程度上降低了接線錯(cuò)誤的概率,提升了改造過(guò)程的容錯(cuò)率。在改造接線施工過(guò)程中,首先將DCS 一側(cè)的線纜全部接好,再根據(jù)設(shè)備運(yùn)行的需求,按照是否具備改造接線條件的原則,逐個(gè)芯線、逐臺(tái)設(shè)備地進(jìn)行過(guò)渡接線并調(diào)試改造,改造接線施工原理見(jiàn)圖5??紤]到感應(yīng)電的問(wèn)題,在機(jī)柜的安裝過(guò)程中需要隔開(kāi)機(jī)柜接地線、信號(hào)接地線與屏蔽接地線,三者需要在柜內(nèi)統(tǒng)一匯至接地母排。DCS 機(jī)柜內(nèi)的過(guò)渡電纜統(tǒng)一接至接地母排后,再通過(guò)單根線統(tǒng)一接至系統(tǒng)接地點(diǎn),實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)接地要求。需要注意的是,在改造過(guò)程中要保證PLC 系統(tǒng)的控制優(yōu)先級(jí)高于DCS,從而保證單體設(shè)備DCS 改造期間PLC 系統(tǒng)對(duì)流程內(nèi)其他未改造設(shè)備的控制可靠性。
圖5 改造接線施工原理Fig.5 Principle of the wiring construction for the transformation
單體設(shè)備的DCS 改造完成后,需要將已經(jīng)接入DCS 的單體設(shè)備串聯(lián)進(jìn)原PLC 系統(tǒng)的控制流程中,以驗(yàn)證該設(shè)備的功能正確性,同時(shí)保證控制指令可在輸煤系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下由PLC 系統(tǒng)經(jīng)DCS下發(fā)給就地設(shè)備。本次改造工作量大,輸煤系統(tǒng)需要改造的設(shè)備共計(jì)208 臺(tái)。輸煤系統(tǒng)中的所有設(shè)備均按照上述調(diào)試措施逐臺(tái)進(jìn)行過(guò)渡調(diào)試,直至全部設(shè)備均通過(guò)驗(yàn)證。
通過(guò)接線將控制系統(tǒng)信號(hào)由PLC 系統(tǒng)過(guò)渡至DCS 后,搭建新的控制程序邏輯回路,完善DCS 控制的頂層畫(huà)面,并驗(yàn)證所搭建控制功能的邏輯正確性。單臺(tái)設(shè)備的DCS 改造在OC6000e 的總控軟件中進(jìn)行。首先在組態(tài)軟件中搭建邏輯組態(tài);然后將設(shè)備的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)接入Device 功能塊,并輸出設(shè)備的啟停信號(hào);最后設(shè)置相關(guān)控制參數(shù),實(shí)現(xiàn)邏輯層面上DCS 對(duì)單體設(shè)備的控制。組態(tài)搭建完成后,設(shè)計(jì)控制頂層HMI 界面,實(shí)現(xiàn)DCS 中單體設(shè)備的啟??刂萍盃顟B(tài)顯示、報(bào)警保護(hù)等功能[15-17]。單體設(shè)備的DCS 改造通過(guò)關(guān)閉功能塊及強(qiáng)制賦值的方式驗(yàn)證組態(tài)搭建及界面設(shè)計(jì)是否準(zhǔn)確有效。改造程序邏輯設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖6。
圖6 改造程序邏輯設(shè)計(jì)原理Fig.6 The design principle of the logic of the transformation program
為實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)經(jīng)DCS 對(duì)流程內(nèi)設(shè)備的控制,在Device 控制塊中設(shè)置連鎖啟停端口,用于PLC 系統(tǒng)對(duì)DCS 啟停指令的接入。該端口是系統(tǒng)改造的關(guān)鍵接入點(diǎn),其設(shè)置既能保證DCS 控制正確實(shí)現(xiàn),也能保證PLC 控制的優(yōu)先級(jí),降低DCS 在線改造期間控制系統(tǒng)的擾動(dòng),有利于系統(tǒng)改造的平穩(wěn)過(guò)渡。同時(shí),為了避免設(shè)備過(guò)渡期間的誤動(dòng)、誤操作現(xiàn)象,在單體設(shè)備的Device 控制塊指令出口側(cè)增加And 功能塊,只有同時(shí)接收到PLC 系統(tǒng)與DCS 的啟停指令后,才能下發(fā)控制指令至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。該功能塊的設(shè)置保證了設(shè)備控制指令流向的單一性,有效提高了設(shè)備過(guò)渡期間輸煤系統(tǒng)的安全性。另外,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際控制需要,Device 功能塊還實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的啟動(dòng)允許條件、跳閘首出、電流顯示和報(bào)警等功能。
輸煤系統(tǒng)中所有參與流程順控的設(shè)備均過(guò)渡到DCS 內(nèi)且相關(guān)HMI 界面已按要求設(shè)計(jì)完成后,需要對(duì)輸煤系統(tǒng)的DCS 流程控制進(jìn)行調(diào)試。
流程控制的改造調(diào)試與單體設(shè)備相同,遵循先搭建邏輯組態(tài)再進(jìn)行調(diào)試的思路。輸煤系統(tǒng)的流程控制總共分為九組,每一組流程都要先在組態(tài)軟件中進(jìn)行流程邏輯組態(tài)的搭建,然后再分步實(shí)施流程控制的調(diào)試。每調(diào)試完畢一條流程,此流程的運(yùn)行控制就完全移交至DCS,由DCS 中的軟件閉鎖PLC系統(tǒng)對(duì)此流程的控制。本次改造的輸煤系統(tǒng)包含九組路徑共93 條流程,按流程進(jìn)行調(diào)試,DCS 逐步獲得對(duì)系統(tǒng)流程控制的權(quán)限,調(diào)試完成后原PLC 系統(tǒng)對(duì)流程的控制權(quán)限被全部閉鎖。
經(jīng)過(guò)DCS 改造后,輸煤系統(tǒng)整體的操作流程和路徑選擇更加多樣,在流程控制頁(yè)面中通過(guò)豐富流程選擇與路徑判斷環(huán)節(jié)可提高運(yùn)行人員工作的直觀性與靈活性。以圖7 所示的改造后的葉輪給煤機(jī)至煤場(chǎng)的路徑選擇頁(yè)面為例進(jìn)行說(shuō)明。甲、乙兩套葉輪給煤機(jī)可相互協(xié)作,當(dāng)輸煤系統(tǒng)輸煤量大于機(jī)組實(shí)際需要或保熱供電期間等情況下有儲(chǔ)煤要求時(shí),操作員可根據(jù)設(shè)備狀態(tài)在DCS 控制畫(huà)面中選擇合適的輸煤路徑。例如,當(dāng)輸煤系統(tǒng)中甲葉輪機(jī)和乙斗輪機(jī)同時(shí)故障或檢修時(shí),可選擇圖7 中紅色的輸煤路徑。
圖7 DCS改造后的路徑選擇界面Fig.7 Path selection interface after DCS transformation
然而,選擇、判斷等多種可變因素的加入也會(huì)使過(guò)渡調(diào)試環(huán)節(jié)中的邏輯判斷程序更為復(fù)雜。為厘清各控制流程中控制對(duì)象與被控對(duì)象之間的邏輯關(guān)系,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確流程選擇控制,本次改造共編輯程序邏輯700 多頁(yè)。原PLC 系統(tǒng)的控制、顯示、報(bào)警等功能已全部在DCS 中實(shí)現(xiàn),原PLC 系統(tǒng)具備退出實(shí)際運(yùn)行的條件,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)不停運(yùn)前提下的DCS 在線升級(jí)改造目標(biāo)。
火電廠的發(fā)電成本主要是燃料消耗,近年來(lái)隨著煤炭成本的上漲以及“雙碳”目標(biāo)的提出,智慧燃料的概念已得到廣泛關(guān)注[18]。智慧燃料通過(guò)對(duì)來(lái)煤接卸、摻配上煤等環(huán)節(jié)的自動(dòng)控制和智慧管理,可提升燃料管理水平、降低入爐標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià),進(jìn)而增強(qiáng)火力發(fā)電廠的競(jìng)爭(zhēng)力。完成DCS 改造后,輸煤系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)上傳,從而為智慧燃料的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
為實(shí)現(xiàn)智慧燃料的應(yīng)用,首先在輸煤系統(tǒng)中建立智慧燃料智能數(shù)字化服務(wù)器平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱智慧燃料工作站),由操作員站通過(guò)OPC 通信將DCS 中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至智慧燃料工作站;然后由智能平臺(tái)通過(guò)服務(wù)器進(jìn)行來(lái)煤管理、存煤策略、摻配算法等應(yīng)用算法開(kāi)發(fā),以實(shí)現(xiàn)存煤時(shí)間最短、上煤路徑最優(yōu)、摻配效果最好的目標(biāo),達(dá)到燃煤效益最大化的目的[19-20];最后,所開(kāi)發(fā)應(yīng)用的計(jì)算結(jié)果和建議方案可通過(guò)局域網(wǎng)在前端進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)發(fā)布、web 瀏覽,并通過(guò)智慧大屏展示三維可視化數(shù)字煤場(chǎng)等智慧燃料的升級(jí)應(yīng)用。基于DCS 的智慧燃料應(yīng)用如圖8 所示。
圖8 基于DCS的智慧燃料應(yīng)用Fig.8 Smart fuel application based on DCS
智慧燃料工作站所需要的數(shù)據(jù)包括輸煤設(shè)備信息、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息等生產(chǎn)過(guò)程信息,以及皮帶秤稱重量瞬時(shí)值、年度累計(jì)值、分班分倉(cāng)分爐上煤量等基礎(chǔ)信息,另外還有機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、煤質(zhì)參數(shù)、數(shù)字化煤場(chǎng)信息、自動(dòng)發(fā)電控制負(fù)荷指標(biāo)等信息。其實(shí)現(xiàn)的功能主要包括智慧來(lái)煤卸載、智慧煤場(chǎng)管理和智慧摻配上煤三個(gè)方面。
該應(yīng)用的主要目的是提升輸煤系統(tǒng)來(lái)煤接卸的自動(dòng)化管理水平,對(duì)運(yùn)煤車(chē)輛(火車(chē)、汽車(chē))信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),包括發(fā)運(yùn)時(shí)間、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間、發(fā)運(yùn)煤種、發(fā)運(yùn)供應(yīng)商、發(fā)運(yùn)量等;在卸煤環(huán)節(jié),通過(guò)對(duì)撥車(chē)機(jī)、翻車(chē)機(jī)的智慧控制降低卸煤過(guò)程的電能損耗[21];在煤質(zhì)檢驗(yàn)環(huán)節(jié),通過(guò)控制采樣機(jī)器人、無(wú)人駕駛小車(chē)和智能傳感器對(duì)來(lái)煤進(jìn)行自動(dòng)取樣,降低現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員的工作量。
智慧煤場(chǎng)管理是以實(shí)時(shí)掌握煤場(chǎng)信息為目標(biāo),通過(guò)視頻特征識(shí)別、大數(shù)據(jù)管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)全部煤場(chǎng)的分區(qū)管理以及對(duì)存煤的量、質(zhì)、價(jià)等信息的實(shí)時(shí)盤(pán)點(diǎn),以便為后續(xù)燃煤采購(gòu)和配煤摻燒提供數(shù)據(jù)支撐。另外,在智慧煤場(chǎng)管理中可將煤場(chǎng)的三維可視化數(shù)字模型展示在工作人員的電腦中,以便降低煤場(chǎng)中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)。
智慧摻配上煤是智慧燃料應(yīng)用中最重要的環(huán)節(jié),其決策模型將直接決定火電廠的入爐標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)。在該環(huán)節(jié)中通過(guò)對(duì)歷史大數(shù)據(jù)的分析,提取歷史燃燒過(guò)程中表現(xiàn)較好的記錄,并結(jié)合當(dāng)前鍋爐的燃燒狀態(tài)和煤場(chǎng)存煤情況,自動(dòng)定制出入爐標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)最低的摻配上煤方案。另外,該環(huán)節(jié)可將當(dāng)前燃燒效果與目標(biāo)燃燒效果進(jìn)行自動(dòng)比較,不斷優(yōu)化摻配上煤的決策模型。
針對(duì)某電廠輸煤系統(tǒng)PLC 改DCS 的實(shí)際需求以及該廠生產(chǎn)運(yùn)行不能停運(yùn)的實(shí)際情況,創(chuàng)新性地將DCS 加入原PLC 控制回路,利用雙層端子排改進(jìn)接線的方式搭建DCS 至PLC 系統(tǒng)的硬接線信號(hào)環(huán)路,實(shí)現(xiàn)了輸煤PLC 控制系統(tǒng)的不停運(yùn)在線升級(jí)改造;另外,利用DCS 數(shù)據(jù)和智慧燃料智能平臺(tái)改善了輸煤系統(tǒng)的管理水平。所采用的改造方案一方面解決了原PLC 系統(tǒng)中卡件老化、感應(yīng)電高、UPS 電源配置困難等疑難問(wèn)題,另一方面在系統(tǒng)不停運(yùn)的嚴(yán)苛條件下將DCS 成功接入到智慧燃料系統(tǒng)中,可為電廠公用燃煤、化水、干灰等系統(tǒng)的升級(jí)改造,以及智慧燃料、智慧電廠項(xiàng)目建設(shè)提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。