火力发电厂辅控系统DCS一体化设计

刘兴玺 裴欢欢

(1.国投大同能源有限公司电厂，山西 大同 037001； 2.中能建山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)



火力发电厂辅控系统DCS一体化设计

刘兴玺1裴欢欢2

(1.国投大同能源有限公司电厂，山西 大同 037001； 2.中能建山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

对辅助车间控制系统纳入全厂分散控制系统(DCS)进行了分析，并对某电厂全厂主、辅助车间控制系统的设计思路进行了阐述，指出全厂辅助车间控制系统采用了与主机相同硬件的分散控制系统(DCS)，整个辅助车间集中控制系统采用模块化设计和分布式结构，适应了辅助车间控制设备分布广、独立性强等特点。

火力发电厂，辅助车间，硬件，控制系统

0 引言

某电厂基建期建设2×135 MW循环流化床空冷机组，煤矿产的原煤通过洗煤厂洗选后用皮带输送至电厂煤场，在煤场掺配矸石后通过四级皮带粉碎后送至锅炉原煤仓进入炉膛燃烧，属于煤电一体化工程，符合国家的产业政策，消耗矿区附近的煤矸石方面具有显著的环保示范性。由于新建电厂在运行的安全性、稳定性、经济性等方面有更高的要求，所以对辅助车间运行管理也提出了新的要求。在这种行业背景要求下，辅助车间控制系统一体化设计和辅助车间集中控制要求正顺应了这一需求，代表了国际先进的管控水平。

以往分散控制系统(DCS)由于价格远高于可编程逻辑控制系统(PLC)，且在较恶劣的工作环境中DCS硬件的可靠性也稍差，电厂各辅助车间广泛采用PLC+组态软件的方式，这就形成了大量的、不同的控制系统，各系统间相互独立且控制形式多样，致使各车间相互联系不够，生产调度效率低，电厂管理人员难以及时有效的掌握生产管理信息。

自21世纪初，国产DCS厂商开始进军DCS市场、进口DCS生产商市场受到挤压导致直接参与市场竞争，两方面的因素使DCS的市场竞争逐步加剧，造成其整体价格的下降。另外，DCS在系统硬件的可靠性方面有了大大提高，其可维护性、可扩展性及系统完整性方面有着PLC无法比拟的优势，将分散控制系统DCS引入辅助车间，为今后辅助车间联网或与厂家信息监控系统SIS的联接提供良好的平台基础。

电厂本期工程选择了与主机一致的南京科远公司的NT6000分散控制系统来完成全厂辅助车间集中控制的任务。

1 辅网控制范围

辅助车间集中控制系统，由不同工艺车间多个配置独立的冗余控制器的控制子系统组合而成，各工艺子系统要求全部实现可以独立运行，确保各工艺子系统调试、维修期间对其他子系统的运行无影响。各控制子系统先与辅助车间DCS控制网相连，辅助车间DCS控制网配置操作员站，辅助车间控制系统调试完成后将就地操作权限交回全厂主控系统，最后所有接入的子系统可在全厂DCS控制系统上操作和控制，以实现系统较高的可靠性和可维护性。

辅助车间集中控制范围包括水、煤、灰三个子系统。其中包括：1)水系统。a.锅炉补给水处理(化学水制水车间)；b.汽水取样和加药系统；c.生活污水、工业废水处理系统；d.含煤废水处理系统。2)煤系统。运煤系统主、远程站、输煤电力线现场总线系统。3)灰系统。a.布袋除尘系统；b.气力输灰系统；c.空压机制气系统。

2 辅网系统设计

2.1 监控点设置

根据电厂辅助车间的控制要求、工艺设备的分布位置及与主机运行操作的相关程度，设置了三个就地值班监控点。

水网在化水车间控制室设置了后备监控点，配置一套工程师站、一套操作员站。设置3个远程站，具体为：汽水取样及化学加药远程站、生活污水处理远程站、含煤废水处理远程站。

输煤系统在输煤综合楼设置了后备监控点，配置一套工程师站、一套操作员站。输煤设置2个远程站，分别布置在煤仓间、转运站设备附近。

输灰、除尘、制气系统在空压机房设置了后备监控点,配置一套工程师站、一套操作员站。设置1个灰库远程站。

后备监控点按无人值班考虑，只用于基建期设备调试使用，设备调试正常后切换权限全部由主控室辅网操作员站集中控制，辅网集中控制设有2台操作员站，1台工程师站，2台操作员站同等权限，可相互备用，这样配置系统比较灵活方便安全。

本工程辅助车间NT6000分散控制系统(DCS)集中监控网络分为两层，即系统控制网络及I/O网。其中系统控制网络又分为两层，即一个主网、三个子网(水网、灰网、煤网)，这种分层组网的方式，可以满足辅助车间各系统独立运行、分步投运的要求。

2.2 网络结构

本工程辅助车间集中控制分为两层，由一个主网、三个子网构成，其网络设备均采用HSM工业级以太网交换机，其中在集中控制室内配置2套核心交换机，2套核心交换机互为冗余。核心交换机负责将集中监控点的操作站、工程师站与子网交换机实现连接，形成主干网。它的拓扑方式为总线型结构，它与各子网之间的网络连接全部采用光缆连接。控制网络eNET是基于工业以太网技术的通讯技术，传输速率100 Mbps，采用令牌协议，最大站点数为256个，每段最大距离为10 km(光缆)。NT6000系统的通讯设备采用工业太网交换机，控制网通讯协议为eNET，I/O网为eNET。NT6000控制网采用点对点的对等结构的冗余的100 Mbps的一体化的快速以太网，系统中不需要任何网关。

控制子网(水网、煤网)设有独立的后备监控点，用于系统启动、初期调试、初期运行和故障时使用，每个控制子网至少配置两台带光纤上传接口的分支交换机，并互为冗余。每个子网的多台交换机之间以光纤环网形式连接，形成光纤双环网的结构。主网与控制子网间通过路由器实现网络间的隔离，确保各级网络的安全与稳定。

3 整个辅网系统冗余设计

由于电厂整个辅网控制系统I/O点数量庞大、辅助车间物理位置分散，及所处环境较为恶劣，为保证辅网系统稳定运行，整个控制系统必须安全可靠、高速实时，且应具有良好的可扩展性，本期工程综合采用了冗余技术。

3.1 网络冗余

十几个工艺子系统及上层监控系统组成了一个庞大的网络，现场环境恶劣，使整个系统网络的可靠性受到严重威胁，网络设备必须为冗余设计。

本期辅网控制系统采用双环网的冗余设计方式，各DPU站同步接入系统，可实现无扰切换。

3.2 核心交换机的冗余

要使辅网控制系统具备更高的性能和更强大的数据处理功能，本期工程辅网控制系统采用核心交换机，即用核心交换机完成整个电厂辅网数据的实时采集，转发和存储。

在主控网络服务器机柜设计有：在上层环网的就地操作员站各配置两块100 M以太网卡,并分别接入不同的光纤主交换机，再就地车间配置二级交换机，二级交换机也是分别接入不同的光纤主交换机，构成上一层完整的监视控制系统。

3.3 控制设备的冗余

辅助车间集中控制系统，由多个独立的控制子系统组合而成，各控制子系统间通过控制网与集中监控点的操作站连接成完整的辅助车间集中控制系统，保证获得较高的系统可靠性和可维护性。炉补给水处理DCS控制系统配置2套8个电口6个光口交换机，锅化学加药及汽水取样、工业废水、生活污水、含煤废水DCS控制系统各配置2套2个电口2个光口交换机。灰网DCS控制系统配置2套分支交换机，每套交换机提供14个电口2个光口，每个光口分别与辅网控制系统核心交换机相连。输煤程控主站、输煤程控远程站各配置2套分支交换机；输煤程控主站交换机提供6个电口2个光口，输煤程控远程站交换机提供2个电口2个光口。控制器DPU按工艺区分配，即除特殊工艺控制站(FSSS)外，其他控制站与工艺系统一一对应，这种方案除各个工艺系统分区之间的联锁控制信号外，各控制站间无数据通讯要求。I/O信号电缆按工艺系统排列，无交叉，简洁清晰，各控制站的负荷比较均衡、合理，安装、调试、维护管理方便。系统配置如下：锅炉补给水系统配置2对，化学汽水及加药1对，生活污水1对，工业废水1对，含煤废水1对；灰网系统DPU配置如下：1号机组除灰系统1对，2号机组除灰系统1对，除灰公用系统1对，空压站1对；输煤系统DPU配置如下：输煤程控主站2对，输煤程控远程站1对。

3.4 电源冗余

保证辅网控制系统完全可靠的供电，是辅网系统稳定运行的基础，为避免由于配电的原因造成控制系统及网络交换机失电而造成更为严重的事故，本期辅网控制系统采用了电源冗余的配置方式。为保证控制系统运行安全可靠，水网、灰网、煤网等各子系统分别拥有独立的供电电源装置。各系统不仅要满足各自控制系统的供电需要，还要满足系统关联设备的供电(例如：就地二次仪表、变送器、隔离器等)，并留有40%的余量。集中监控点的电源设计：系统从两台机组各取一路电源，并设置了双电源切换同时切换后优选电源给UPS电源供电，UPS再给系统供电，保证了电源的万无一失。

化水系统在化补水、工业废水等由于不具备双路电源，只设计了单路电源+UPS(6 kVA UPS电源1只)的方式供电，可靠性也得到了保证。

除灰系统内电源配置从380 V厂用A段，B段各取一路电源，再通过双电源切换后供给UPS。

远程IO站由于不具备双路电源，只设计了单路电源+UPS的方式供电，可靠性也得到了保证。

4 结论

1)辅控系统DCS一体化体现较高的控制水平。辅助车间集中控制系统充分考虑了辅助车间各子工艺系统就地实际位置的分散性、设备运行的系统独立性(具备相对独立运行条件)，设计时在保证各工艺子系统运行的安全性、可靠性的基础上，按照系统分类合并辅助车间各监控点，实现辅助车间局部小集中、分散大集中的控制方式，最终达到减少操作员提高企业运行效率，同时提高辅助车间的控制水平。

从设计阶段开始就在硬件配置、网络选型上采用统一DCS技术标准，系统设计采用双网通讯、冗余DPU控制器、双路电源等冗余配置进一步保证系统的安全、可靠。

在监控软件配置上，所有子系统的上位机监控软件采用可靠统一的产品，使系统兼容性更好，方便了工艺画面的组态、链接和实时监控，报警、报表、故障查询、事故追忆等功能的实现。

2)辅控系统DCS一体化体可合并、取消或尽量减少监控岗位，实现减员增效。实现辅助车间集中控制，从根本上讲是要实现不同控制系统之间的整合，而且从控制层到操作层都是一个统一的软硬件、统一有效的系统。根据DL/T 5227—2005火力发电厂辅助系统(车间)热工自动化设计技术规定，本工程辅助系统设置3个相对独立的控制网络，即化水网、灰控网和煤网，化水网值班监控点设在化学楼，合并了加药和取样控制室，可节约运行人员至少8人。

灰控网的控制直接放在主控室，取消了专门的输灰控制室。值班监控点在正常运行时完成对辅助车间各系统的监控；可节约运行人员至少8人。

输煤网的控制直接放在主控室，保留了专门的输煤控制室。值班监控点在正常运行时完成对辅助车间各系统的监控；可节约运行人员至少8人。

化水取样间以及输灰、输煤综合楼作为后备操控点调试、检修时的后备操作点，无需专人值班。正常运行时，通过主控制室操作员站完成对辅助车间水、灰、煤各子控制系统的全部操作，后备就地控制室无人值班。

3)辅控系统DCS一体化体的可扩展性。今后脱硫系统也可以考虑纳入辅助车间控制系统，同时也为今后在集中控制室完全全厂控制(机、炉、电、水、灰、煤、脱硫)，实现全能值班员奠定了硬件基础。辅控系统采用统一DCS系统，避免了不同系统之间通讯接口问题的困扰，采用DCS成熟的网络接口技术，很容易将数据送到全厂SIS信息系统。

采用主辅控DCS一体化系统，维护人员只需集中精力掌握一套系统，同时各系统硬件统一，大大降低了备件品种和数量，从而降低了备件成本。同时由于只学习一种系统可以让设备检修人员做到精益求精，提高检修水平。

4)就目前国内火力发电厂而言，要想使火电厂辅助车间集中监控系统真正发挥作用，达到设计初衷，还有很长的路要走，这将有赖于电厂检修运行人员技术水平、网络软硬件技术的不断进步，同时加强对辅助车间运行人员的培训以及不断提高火电厂的运行管理水平。

On DCS integration design at auxiliary control system at thermal power plant

Liu Xingxi1Pei Huanhuan2

(1.SDICDatongEnergyCo.,Ltd,Datong037001,China;2.ShanxiElectricPowerExplorationandDesignInstitute,ChinaEnergyConstructionGroup,Taiyuan030001,China)

The paper analyzes DCS added into the auxiliary workshop control system, illustrates the design ideas for the main workshop and auxiliary workshop controlling system, points out the auxiliary workshop system can adopt the DCS with the same hardware of the main engine, while the whole auxiliary workshop integrated control system can use the modular design and distributed structure, so it is suitable for the features of the auxiliary workshop control equipment, including the extensive distribution, strong independence.

thermal power plant, auxiliary workshop, hardware, controlling system

1009-6825(2015)01-0126-03

2014-10-28

刘兴玺(1979- )，男，工程师； 裴欢欢(1983- )，男，工程师

TM621.6

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