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

隨著我國經(jīng)濟持續(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)，對于解決當前用電需求空缺、推動經(jīng)濟發(fā)展具有積極意義。由于中小火電機組周期短、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，連鎖保護復雜，為確保機爐安全、穩(wěn)定、高效運行，利用先進的集散控制系統(tǒng)替代原有的數(shù)字式調節(jié)儀表對機爐進行控制勢在必行。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)的應用。
1、工程概述
該工程為改造項目，原為兩臺75t/h燃油鍋爐，經(jīng)東北電力設計研究院設計改為循環(huán)流化床水煤漿鍋爐，汽機采用南京汽輪機廠生產(chǎn)的15MW抽凝式汽輪機，進口3.43/0.981/0.049，發(fā)電機為濟南發(fā)電機廠生產(chǎn)的無刷勵磁發(fā)電機。整個系統(tǒng)為兩爐兩機母管制運行，模擬量輸入點共492點（液位.溫度.壓力.流量.電流.電壓等），模擬量輸出84點，數(shù)字量輸入613點，數(shù)字量輸出242點，快速DI- SOE 56點。
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)靈活的設計原則設計開發(fā)的新一代集散控制系統(tǒng)，它采用危險分散、控制分散、集中監(jiān)控的設計思想，充分利用了先進的計算機技術、通訊技術、網(wǎng)絡技術和控制技術，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，廣泛應用于化工、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)絡體系結構，所有的硬件均實現(xiàn)模塊化、智能化。下位控制站構成現(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)先級的嵌入式實時操作系統(tǒng)作為控制算法處理平臺，滿足了機爐保護和電氣控制的實時性要求?，F(xiàn)場控制站完成過程數(shù)據(jù)采集和實時控制，上位監(jiān)控站通過冗余工業(yè)以太網(wǎng)絡與之相連，完成工業(yè)過程的集中監(jiān)測管理，還可進一步與企業(yè)管理網(wǎng)絡相連，構成全廠綜合生產(chǎn)自動化系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)采用了多重冗余化技術以及有效的抗干擾措施，保證了系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。
3、電廠DCS系統(tǒng)結構
TDCS9200集散控制系統(tǒng)是一套分層分布式的網(wǎng)絡體系結構，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CNet相連，實現(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）的一個節(jié)點，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，傳輸介質為5類非屏蔽雙絞線,實現(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。
在本系統(tǒng)中，設現(xiàn)場控制站3臺，分別用于1#、2#鍋爐和1#、2#汽機以及電氣部分的數(shù)據(jù)采集和控制管理?？刂普局饕ㄈ哂嚯娫唇M件、數(shù)據(jù)采集卡、控制器以及控制網(wǎng)總線控制器，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集處理、過程控制、聯(lián)鎖保護、順控邏輯等。
根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模，控制室設監(jiān)控站5臺，主機采用高可靠性工業(yè)PC機，配有專用工業(yè)薄膜鍵盤、軌跡球鼠標和21’CRT顯示器。監(jiān)控站運行實時專用監(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，報警管理、報表打印、歷史數(shù)據(jù)記錄與查詢、事故記錄查詢等。一旦有報警事件發(fā)生，CRT上將在顯眼位置給出報警提示，同時寬行針式打印機打出報警事故內(nèi)容（位號、名稱、報警內(nèi)容等）。
工程師站由其中一臺監(jiān)控站代替，完成整個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)、圖形和報表等，負責算法下裝和監(jiān)控站的管理。
主控室還配置 3臺打印機（寬行針式、黑白激光、彩色噴墨）作為系統(tǒng)網(wǎng)的一個共享節(jié)點（打印機服務器），分別用于實時報警打印、報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）、輔機順控系統(tǒng)（SCS）、機爐保護系統(tǒng)（FSSS）、汽機監(jiān)控保護（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，異常工況時監(jiān)控軟件能給出聲光報警提醒操作工注意并給出相應的提示，指導操作工操作。
（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)及設備狀態(tài)進行采集與處理，它包括：現(xiàn)場信號級（4～20mA）、信號隔離、硬件濾波、A/D轉換、軟件處理等部分，硬件部分自帶補償電路，能做到高頻干擾的自動隔離和原始信號補償，軟件處理包括開方、累積、誤差補償、濾波等，確保參與顯示和控制的輸入信號的準確性。
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）通過控制相關閥門擋板開度，調節(jié)鍋爐參數(shù)在規(guī)定范圍內(nèi)變化，確保機爐安全經(jīng)濟運行。在本系統(tǒng)中共設計了40多套自動調節(jié)系統(tǒng)，包括鍋爐與汽機的所有重要參數(shù)的調節(jié)。如汽包水位調節(jié)、主汽壓力調節(jié)、主汽溫度調節(jié)、煙氣氧量調節(jié)、爐膛負壓調節(jié)以及汽機側重要輔機的控制（除氧器壓力、液位、高低加熱器液位等）。MCS系統(tǒng)還設計了機爐協(xié)調控制系統(tǒng)，采用直接能量平衡的控制策略，能在發(fā)電機組功率變化情況下快速計算出汽機對鍋爐負荷的要求，并自動改變主汽壓力、溫度的設定值，保證機組與鍋爐輸入輸出的能量快速達到平衡。
·主汽壓力控制系統(tǒng)
主汽壓力是表征能量供需平衡的標志，主汽壓力控制系統(tǒng)是一個復雜的多輸入回路，燃料變化、風量及其分布、負荷、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，負荷變化（以主汽流量反映）作為外擾，燃料變化、送風變化作為內(nèi)擾，通過汽包壓力反映出來。主汽壓力的給定值由人工設定與主汽流量的變化綜合得出，主調變量選擇供漿泵轉速。在此基礎上，我們設計了主汽壓力－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。負荷變化作為前饋變量，當負荷發(fā)生變化時，主汽流量也隨之發(fā)生變化，通過調節(jié)供漿泵轉速調節(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。在煙氣氧量控制系統(tǒng)中，采取分級送風的方式，一、二次風布風口分別在鍋爐下部的水冷風室和?；鞲浇？偨o風量由風煤比計算得出，經(jīng)煙氣氧量修正，在按照工藝情況計算得出各布風口所需的風量給定值，其中一次風量需要經(jīng)過一次床溫矯正。一次風量的控制通過控制一次風入口擋板的開度而實現(xiàn)，并保證一次風量大于二次風量之和；二次風量通過控制二次布風口擋板，調節(jié)爐膛內(nèi)部不同部位燃燒平衡。為保證鍋爐經(jīng)濟燃燒，應使煙氣氧量維持在一個最佳值上，故利用煙氣氧量來修正總給風量（送風機入口擋板）。
煙氣氧量調節(jié)系統(tǒng)如下圖所示：


·爐膛負壓調節(jié)
爐膛負壓調節(jié)是維持爐膛負壓在規(guī)定范圍內(nèi)，確保鍋爐安全穩(wěn)定運行的重要手段。對爐膛負壓影響最直接的因素就是鍋爐送風和引風。實踐證明，單純依靠調引風擋板開度來調節(jié)爐膛負壓，波動非常大。因此我們采用送風量動態(tài)前饋復合調節(jié)的設計方案。以爐膛負壓作為被調量，通過調節(jié)引風機入口擋板，保證爐膛負壓的恒定。由于爐膛負壓容易波動，故引入送風擋板閥位的動態(tài)變量作為引風前饋信號，當送風量變化時，引風擋板也相應的動作，使引風量跟隨送風量變化，及時消除送風對爐膛負壓的影響。將送風量的變化作為前饋量引入到爐膛負壓調節(jié)系統(tǒng)中來，構成前饋－反饋控制系統(tǒng)，調節(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。汽包水位過高將影響蒸汽質量，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成三沖量控制系統(tǒng)與以汽包水位進行單沖量調節(jié)結合的控制方案，兩種方案可手動切換，分別適應不同負荷階段水位控制的需要。汽包水位作為主調節(jié)器的輸入，主調節(jié)器的輸出作為副調節(jié)器的給定，與給水流量相平衡。通過調節(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，滯后時間長，單回路控制效果差，因此采用串級調節(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節(jié)器的輸入，調節(jié)原理圖如下：


（3）鍋爐順序控制（SCS）
順序控制系統(tǒng)主要完成各輔機設備的順序啟停及聯(lián)鎖保護。在順控邏輯中，采用了分級式結構，功能細化到單臺設備控制。通過聯(lián)鎖、保護和安全跳閘功能保證水煤漿鍋爐的安全運行。為了減少操作人員的工作，在鍋爐正常啟動及停車時，操作人員只需點擊開停車操作按鈕，所有相關設備就會按照順控邏輯動作，其運行狀態(tài)及啟停許可條件均通過CRT上的啟停流程畫面顯示出來。受控設備能同時接受順控指令和手動指令，手動指令具有更高的優(yōu)先級，操作人員可干預設備的啟停操作。一旦順控邏輯失敗，CRT上立即顯示報警提示。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)及燃燒設備進行管理和控制，保證鍋爐安全運行。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、一次風機啟停控制、二次風門控制、送引風門的擋板聯(lián)鎖，供漿泵啟停控制、燃油截止閥控制、送引風機聯(lián)鎖等部分。
（5）汽輪機監(jiān)控與保護系統(tǒng)（TSI）
汽機的保護包括汽機的軸震動，軸位移，凝汽器真空，汽機電超速等。快速DIO采集卡實時獲取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。
汽機旁路控制用來匹配各工況下機爐的溫度、壓力等參數(shù)，在故障工況下能迅速保護汽機，平衡機爐負荷，并回收能量。當機組甩負荷時，低壓旁路控制系統(tǒng)開啟，維持機組在較低的負荷下運行，當汽機跳閘時，高壓旁路系統(tǒng)開啟，保護再熱器。
（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)/變機組控制、勵磁電壓調節(jié)、AVR的設置與調節(jié)、自動準同期設置等。電氣部分的控制主要為快速IO控制，因此在設計中使用了快速開入開出卡。所有斷路器均可實現(xiàn)手自動切換，同期邏輯全部在DCS中實現(xiàn)。
5、系統(tǒng)軟件功能
系統(tǒng)軟件分為兩部分，下位控制站運行基于嵌入式多任務操作系統(tǒng)的控制軟件，負責算法調度、數(shù)據(jù)轉發(fā)以及底層設備的驅動等。上位機運行基于Windows2000操作系統(tǒng)工業(yè)監(jiān)控組態(tài)軟件（HMI），內(nèi)含各種先進控制軟件包。HMI內(nèi)建一個基于ACCESS的歷史數(shù)據(jù)庫，提供My SQL查詢接口，能查詢3個月以內(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自帶報表生成軟件，不需要任何第三方軟件即可生成具有Excel風格的歷史報表。當出現(xiàn)報警信號時，針式打印機能自動打印出報警點的位號、名稱以及報警內(nèi)容，提示操作人員及時處理。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）人機界面的定制 工藝流程圖采用了分層結構，在整個電廠設備工藝運行的總貌圖中，可靈活進入各級流程圖，詳細顯示各部分運行流程及狀態(tài)，所有設備的啟停、開關等操作都可在工藝流程圖中方便的實現(xiàn)。對主要設備如鍋爐汽機的聯(lián)鎖保護，專門設計了邏輯顯示畫面，提示操作員邏輯的執(zhí)行情況。

（3）控制調節(jié) 系統(tǒng)支持彈出式調節(jié)面板供操作員調節(jié)重要參數(shù)，包括測量值、設定值和輸出值的動態(tài)棒圖與數(shù)字雙重顯示，所有的PID調節(jié)均設手自動切換按鈕，可實現(xiàn)手動與自動控制之間的無擾切換。
（4）報表生成與趨勢顯示 允許用戶生成具有Excel風格的各種樣式的報表模板，隨時可操作員供調用，提供各瞬時量的累計及統(tǒng)計功能。歷史趨勢畫面可顯示任意參數(shù)在一定時間內(nèi)的變化趨勢。
（5）報警管理 允許用戶定義各種報警事件的級別和提示信息，還可以寫到報警記錄庫中供用戶日后查詢。對某些重要報警信息，可定義其強制跳出顯示；SOE事故順序記錄可記錄毫秒級的開關量動作信息。
（6）系統(tǒng)管理 系統(tǒng)設多層登錄級別，只有獲得相應的輸入口令才可獲得相應的操作權限，保證了系統(tǒng)操作的安全性。
6、總結
SunyTDCS9200系統(tǒng)已在該電廠成功投入使用，硬件可靠、功能實用，給運行人員帶來了方便，達到了用戶的要求，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、高效運行具有很好的借鑒作用。