大型动力站锅炉控制系统硬件的设计与开发

张国民

摘 要：以浙江中控ECS-700作为动力站集散控制系统，研究了系统选型及硬件设计。从控制器、I/O模块、工程师站、操作员站、OPC服务器、AMS服务器和历史数据服务器等几个方面对系统进行了硬件选型。就机柜、I/O点分配、系统配电、接地等方面进行了硬件设计。对硬件进行了组态。

关键词：锅炉控制系统；中控ECS-700；DCS

1 论文背景

1.1 项目背景

我国“缺油、少气、富煤”的能源格局，决定了煤炭在能源结构中占据核心地位[1]。到2050年，煤炭仍将占中国能源消费比例的50%以上[2]。锅炉作为发电或化工装置的动力来源，为全厂提供蒸汽与热源。随着国家工业水平的提高和环保意识的增强，对锅炉控制系统的要求越来越高。开发先进的、高效的锅炉控制系统对于提高企业生产效率和市场竞争力具有重要意义。

1.2 DCS简介

DCS是利用计算机技术对工业过程进行集中监控管理和现场分散控制的新型计算机控制系统[3]。采用多层体系结构，将功能分至不同层，使危险分散，提高了系统的灵活性和可靠性。各类DCS结构基本相同，可分为三层：过程控制层、集中操作监控层和综合信息管理层。各层之间通过通信网络进行通讯，层内各站通过本层网络进行通讯。与传统的控制系统相比，DCS具有可靠性高、硬件积木化、软件模块化、协调性强和控制功能强大的特点。

1.3 锅炉装置控制系统选型

文章所研究的锅炉有4×600t/h超高压煤粉锅炉（记为A1#锅炉-A4#锅炉）和6×640t/h超高压煤粉锅炉（记为B1#锅炉-B6#锅炉）为全厂提供各种等级的蒸汽与热源。用浙江中控的WebField系列控制系统之一的ECS-700系统作为DCS。

WebFieldTMECS-700系统包括现场控制站、操作站和系统网络。现场控制站（FCS）直接控制和监视生产过程；操作员站（OPS）提供操作人员控制和监视生产过程界面。系统的选型主要包括控制器、I＼O卡件、操作员站、工程师站和服务器等。

2 控制系统硬件设计

2.1 引言

ECS-700具有先进的现场总线技术和网络技术，支持多种国际标准现场总线的接入，如PROFIBUS、FF、MODBUS、HART等，还支持多种异构系统的集成，具有可用性、可靠性和开放性等特点。控制节点包括现场控制站及过程控制网上与异构系统连接的通信接口等。操作节点包括工程师站、操作员站、数据服务器、组态服务器等连接在过程信息网和过程控制网上的人机接口等站点。系统网络包括I/O总线、过程信息网、过程控制网和企业管理网等。

2.2 控制系统的网络结构

ECS-700的系统网络包括企业管理网、过程信息网SONET、过程控制网SCNET和I/O总线（包括L-BUS和E-BUS）4部分[4]。网络结构如图1所示。

（1）企业管理网实现对生产的管理和监控。（2）过程信息网基于工业以太网，连接系统中所有的工程师站、操作员站、数据服务器、组态服务器等操作节点，并在其间传输历史数据、操作记录和报警信息等。（3）过程控制网络SCNET连接DCS系统所有操作员站、工程师站、值长站、AMS维护站、AMS服务器、OPC服务器、历史趋势服务器和现场控制站等单元，传送工厂过程数据。（4）I/O总线L-BUS和E-BUS。本地I/O总线L-BUS。L-BUS是ECS-700系统本地I/O通讯总线，用于连接控制器和控制器所在机柜的I/O模块。扩展I/O总线E-BUS。E-BUS是ECS-700系统扩展I/O通讯总线，用以连接控制器和各类通信接口模块（如I/O连接模块、串行通信模块等）。

本项目中DCS系统主要由以下单元组成：

系统控制节点：包括现场控制站（FCS）及过程控制网上与异构系统连接的通信接口（COM741）等。

系统操作节点：包括主工程师站（CES）、扩展工程师站（EES）、操作员站（OPS）、组态服务器（SVR）、域数据服务器（SVR）、历史趋势服务器（HIS）、SIS数据服务器（SIS）及网络打印机（PRT）等连接在过程控制网上的人机会话接口站点。

系统网络：包括扩展I/O总线（E-BUS）、本地I/O总线（L-BUS）、过程控制网（SCNET）等。

企业资产管理系统（AMS）：由SAMS服务器和SAMS客户端共同组成企业资产管理系统。

OPC接口（OPC）：DCS系統提供单独服务器作为OPC服务器作为ECS-700系统OPC接口。

时钟同步系统：本项目采用中央控制室（SCR）和现场机柜间（FRR）模式，设置中心控制室（SCR）1个，现场机柜间（FRR）10个，其中与锅炉相关的FRR有5个，分别为FRR29～33。

2.3 控制系统的硬件设计

2.3.1 机柜

本项目的机柜含电源分配柜（PDP）、网络柜（NET）、主燃料跳闸柜（MFT）、系统柜（SYS）、安全栅柜（BAR）、继电器柜（REL）、端子板柜（MAR）和服务器柜（SVC）等8种。

（1）交流电源柜（PDP）。SCR和FRR设置有交流电源柜，分别为UPS电源柜和GPS电源柜。

（2）网络柜（NET）。SCR和FRR均设置网络柜，用于过程控制网交换机、交换机、光纤接续盒、时钟同步服务器和空气开关等设备安装。本项目集中控制室SCR配置有三个网络柜。其中2个网络柜安装与FRR网络互连的交换机，另一个安装与上层互连的交换机、GPS时钟服务器等。

（3）主燃料跳闸柜（MFT）。本项目设计为2套独立的得电动作MFT硬回路，分别为A回路（220VAC回路）和B回路（220VAC回路），对于常开控制接点采用A回路与B回路输出接点并接的方式驱动现场设备，对于常闭控制接点采用A回路与B回路输出接点串接的方式驱动现场设备，此设计方式可保证任一个MFT硬回路继电器组动作时，均能停运相应的现场设备，有效地防止拒动。

MFT硬回路控制信号由操作台手动停炉信号、DCSMFT动作输出信号、FSSS系统柜电源监视信号、DCSMFT复位信号组成。MFT动作时，DCS输出3个MFT动作信号送至MFT继电器柜，按三取二原则进行配置，当MFT继电器柜接收到2个以上MFT动作信号时，这时MFT柜硬继电器动作，继而动作直接驱动现场设备的驱动继电器，实现紧急停炉。操作台手动停炉信号由两个按钮的输出信号组成，同时按下两个按钮，这时MFT柜硬继电器动作，继而动作直接驱动现场设备的驱动继电器，实现紧急停炉。

（4）系统机柜（SYS）。现场机柜间设置有DCS系统机柜，用于安装各类DCS卡件，以及相关供电和通讯设备。安装有控制器的系统机柜为本地机柜，没有安装控制器的系统机柜为扩展机柜。

（5）安全栅柜（BAR）。在安全栅柜中布置有所需各种类型的安全栅、安全栅型号采用MTL4541和MTL4511型号。

（6）继电器柜（REL）。继电器柜里安装继电器和DI转接端子板（TUA711-DIO32）、DO转接端子板（TUA711-GS00）。非本安DI信号转接端子的正极采用带灯熔丝端子，负极采用刀闸端子。

机柜背面左侧下方安装ACB01、ACB02、ACB03三个空开，来自交流电源柜的两路UPS电源分别接入空开ACB01和ACB02，第三路电源（市电）接入电源空开ACB03。

（7）端子柜（MAR）。对于没有配置继电器和安全栅的测点全部采用端子板进行转接。端子柜中主要安装转接端子板。

（8）服务器柜（SVC）。SVC电源上面安装有导轨机架和平板，用于安装OPC服务器。最多安装7台服务器和一台显示器，加装2个机架式插座给设备供电。

2.3.2 DCSI/O点分配

DCS系统锅炉控制部分的机柜间有FRR-29、FRR-30、FRR-31、FRR-32和FRR-33。各机柜间分别有控制器6对，操作站2台，扩展工程师站1台，AMS维护站1台，打印机2台。所有的I/O模件满足以下要求：

所有I/O模件输入通道、输出通道、工作电源之间以及与外部信息交换采用单通道隔离，任一I/O点信号接地不影响其它I/O点的正常工作。

不同的I/O模件完成冗余输入变送器信号的处理，单个I/O模件故障不能引起设备故障或跳闸。I/O模件单点故障不能影响整个模件正常工作。

每个模拟量输入模件点数至多为16点，且需备用2点，即最多占用14点，具有单独的输入电路和A/D转换器。每个模拟量输出模件输出点数最多16点，有各自单独的D/A转换器。A/D转换器、D/A转换器变换精度高于0.02%量级。每个开关量输入模件点数至多32点，需备用4点，即最多占用28点。每个开关量输出模件点数至多16点，需备用2点，即最多占用14点。

所有输入输出模件抗共模干扰电压为500V，继电器输出抗共模电压为350V。

系统共模抑制比为120分贝，差模抑制比（50赫兹）为60分贝。

2.3.3 系统配电

（1）交流供电原则。交流供电设备包括DCS供货的各种类型机柜、操作站及打印机。项目在SCR设置2面UPS电源柜，现场来的2路UPS电源分别接入这两面电源柜中，SCR电子设备间中机柜的风扇和照明供电设计在第二个UPS电源柜的分配回路中FRR机柜间按照独立互不干扰的原则，为每个大的工艺系统各设置1面UPS电源柜（对应2路UPS电源）和1面GPS电源柜（对应1路市电电源）。DCS系统的机柜和操作节点的冗余电源来自UPS电源柜，机柜风扇和照明供电来自GPS电源柜。

DCS机柜供电：DCS机柜包括交流电源柜、网络柜、服务器柜、系统柜、MFT柜、安全栅柜、继电器柜、端子柜等。

交流电源柜的供电由电气配置的UPS装置或电气母线段提供，SCR中设计2面UPS电源柜，分别对应2路UPS电源，FRR机柜间每个大工艺系统设计1面UPS电源柜和1面市电电源柜，UPS电源柜对应2路UPS电源，市电电源柜对应1路市电电源。

除交流电源柜外，其它机柜的交流供电则由DCS交流电源柜提供。每个机柜根据用电情况，设置有三个2进线空开ACB01、ACB02、ACB03，分别对应A、B两路UPS工作电源和1路GPS电源，如柜内仅有风扇、照明用电，则只设计有一个空开ACB03，接GPS电源。

操作节点供电：操作节点包括工程师站、操作员站、服务器、打印机等节点。操作节点的供电来自于所在机柜间的UPS电源柜。

来自UPS电源柜的2路电源通过安装在操作台中的交流电源切换器切换后为SCR及FRR中的操作节点提供工作电源。UPS电源柜中各操作节点空开的容量配置为10A的2P空开。

其它系统220VAC供电：DCS系统为需由其供电的其它系统提供2路UPS电源。供电空开的容量按照用电设备最大启动电流50%余量进行配置。

（2）直流供电原则。直流供电设备包括系统柜内设备、网络交换机、安全栅、继电器。系统柜内配置两个20A的直流电源和1个PW715配电盒，配电盒提供2路DC24V输入接口和8路DC24V输出接口，输入接口接直流电源的输出，输出接口分别给系统控制器基座、机架、L-BUS交换机或E-BUS交换机供电。

网络柜、安全栅柜、继电器柜等需要直流供电的外配柜都装有两个20A直流电源模块，分别接收2路UPS电源，通过冗余模块输出的24VDC给分电端子排，直接向柜内部件进行供电。

系統柜内供电原则：以控制器基座、机架、交换机为单位进行供电；控制器基座、机架、交换机以两路冗余开关电源以独立供电方式进行供电，A路电源和B路电源相互独立。

安全栅柜内设备供电原则：供电电源来自安装于机柜背面的直流电源，直流电源容量为20A，配置两个直流电源冗余模块。

以安全栅底板为单位进行供电，每块安全栅底板供2路电源；安全栅对应的正负极转接端子配置刀闸端子。

继电器供电原则：供电电源来自安装于机柜背面的直流电源，直流电源容量为20A，配置两个直流电源冗余模块。

以16个继电器一组为单位进行供电；DI继电器供电正极端子配置带灯保险丝端子，容量1A。负极端子配置刀闸端子；DO继电器供电端子正负极端子均配置刀闸端子。

2.3.4 系统接地

（1）接地分类。根据本项目的要求，接地有两类：保护接地、工作接地。

保护接地：为保障人身安全和电气设备安全，设置保护接地。对控制系统机柜、操作台、配电柜等用电设备的金属外壳，正常不带电的金属部分，以及有可能带危险电压者，均作保护接地。若现场仪表低于36V供电且不与高于36V电压设备接触，如无特殊要求可不做保护接地。

工作接地：仪表、控制系统工作接地分为仪表信号回路接地和屏蔽接地两部分，隔离信号可以不接地。“隔离”是指每一输入信号（或输出信号）的电路与其它输入信号（或输出信号）的电路绝缘、对地绝缘，且电源独立、相互隔离。非隔离信号通常是以直流电源负极为参考点，并接地。这也是信号分配的参考点。单点接地、信号回路中避免产生接地回路是仪表工作接地的原则，同一线路上的信号源和接收仪表都不可避免接地时，需要采用隔离器将两点接地进行隔离。

（2）接地方法。DCS系统的保护接地、工作接地要求分类汇总连接到同一接地汇流母排上，最终连接到全厂电气接地系统，以实现等电位接地。

控制系统遵循单点接地原则。采用等电位接地方式时，控制系统在接地网上的接入点应和防雷地、大电流或高电压设备的接入点保持不小于至少10米的距离。

各工作接地在汇总之前不应与保护接地混接。在接至总接地板之前，各接地线、接地汇流排、接地干线等工作接地，除正常的连接点外，都应当绝缘。工作接地最终应从总接线板单独接线与接地体或接地网连接。信号屏蔽电缆的屏蔽层接地经本机柜工作接地汇流排、工作接地分干线最终接到工作接地汇总板。

（3）接地连线。接地系统的导线采用多股绞合铜芯绝缘电线或电缆。接地汇总板用厚度不小于6mm铜板制作。机柜内的保护接地汇流排与机柜有可靠的电气连接。工作接地汇流排、工作接地汇总板固定时采用绝缘支架。接地线、接地总干线、接地干线与接地汇流排、接地汇总板采用铜接线片和镀锌钢质螺栓进行连接。接地系统的标识颜色为绿色或绿、黄两色相间。

（4）接地电阻。接地连接电阻指的是仪表或设备的接地端子到接地极之间的导线与连接点的电阻总和。接地电阻是指接地极对地电阻与接地连接电阻之和。仪表及控制系统的接地电阻为工频接地电阻，不大于4欧姆。仪表及控制系统的接地连接电阻不大于1欧姆。

2.3.5 系统硬件组态

系统的硬件组态使用VFIOBuilder.exe完成。VFIOBuilder采用树状结构管理组态信息，在组态过程中能清晰地把握系统的组态情况，具有良好的扩展性。

控制器下可组态的硬件设备包括：本地I/O连接模块（虚拟I/O连接模块）、I/O连接模块、PROFIBUS主站通信模块、EPA通信模块、串行通信模块等。

3 结束语

文章简单介绍了我国能源现状，简要介绍了DCS的概念及特点。针对本项目所研究的锅炉控制系统，给出了基于中控ECS-700的硬件设计。首先，详细地介绍了ECS-700的网络结构，分层次地分析了企業管理管理网、过程信息网、过程控制网和I/O总线的功能与特点。其次，介绍了本项目中所使用的各种机柜及其功能，对锅炉控制系统的I/O点进行了分配，对系统配电、接地进行了详细说明，并对硬件进行了组态。

参考文献

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