HOLLiAS MACS现场总线控制系统在超超临界百万千瓦机组的应用

吴公宝（珠海市钰海电力有限公司，广东 珠海 519000 ）

HOLLiAS MACS现场总线控制系统在超超临界百万千瓦机组的应用

吴公宝（珠海市钰海电力有限公司，广东 珠海 519000 ）

本文介绍了和利时公司HOLLiAS MACS现场总线控制系统在某电厂百万千瓦超超临界机组的应用，详细说明了现场总线配置方案、网络结构和控制器分站，介绍了HOLLiAS MACS现场总线控制系统应用过程中存在的问题和处理方案，总结了HOLLiAS MACS现场总线控制系统的应用经验，提出了提高系统可靠性的意见和建议。

现场总线；HOLLiAS MACS；应用

1　引言

现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络等综合技术为主要内容，既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展方向。当前1000MW级超超临界机组已成为国内火电建设的主流，由于超超临界机组压力、温度等参数较多，控制对象复杂，能否提供安全可靠的控制和调节，是大型机组DCS面临的主要挑战。虽然国内和利时、国电智深等DCS设备制造商已经拥有了常规百万超超临界机组的成功应用经验，但大规模现场总线控制技术目前还没有在百万机组成功投运的业绩。

2　系统概况

某电厂扩建两台超（超）临界1000MW燃煤发电机组，三大主机由东方电气集团制造，锅炉采用一次中间再热、单炉膛、平衡通风、对冲燃烧方式∏型变压直流锅炉，汽轮机采用一次中间再热、四缸四排汽、单轴、抽凝式汽轮机。单元机组和脱硫DCS控制系统采用杭州和利时HOLLiAS MACS V+SM220系统，采用四机一控模式，实现一键启停。DEH、MEH、METS、FMEH、FMETS控制系统一体化，控制规模超过12000点，其中主机总线设备达到1000台以上。共配置39面现场总线柜，152根光纤，共分配83个PA网段，71个DP网段，其中锅炉侧47个PA网段， PA设备222台，43个DP网段 ，DP设备432台；汽机侧36个PA网段，PA设备219台，28个DP网段，DP设备223台。总线设备约占整个控制设备的60%，是国内现场总线应用最广泛的项目之一。

2.1系统网络

DCS网络采用实时数据通讯的P-P单层网络结构，如图1所示。实时数据通讯服务由数据需求方（操作员站）与数据的供给方（控制器）直接通讯，系统内配置一对冗余的历史站为整个系统提供报警服务、历史数据服务和其他服务。MACS-SM控制站集成PROFIBUS现场总线，冗余的主控制器与操作员站、工程师站点对点连接，控制器通过冗余的现场总线与IO从站、DP Y-LINK、DP/PA LINK设备相连，现场总线将智能仪表、执行机构、高低压智能保护装置及电磁阀接入DCS系统，实现机组操作及设备信息管理。系统具备数据采集、运算与处理、逻辑组态与下装、画面监视与控制等多项功能。辅助控制系统集中在机组集控室管理，脱硫进入主机DCS系统，实现了一体化监控。

图1　网络结构示意图

2.2控制器分配

控制器按照以工艺系统为主，兼顾控制功能的原则进行合理分配。冗余的系统分布在不同控制器，独立的系统分布在同一控制器，既保证冗余性，又保证独立系统的完整性，起到信息共享、减少站间引用和系统通讯任务量的作用，能够优化系统、降低网络负荷率、降低系统风险以及降低维护工作量。单元机组总共35对控制器，其中锅炉20对、汽机14对，电气1对，公用2对。

2.3总线结构

控制器通过冗余的现场总线与IO从站、DP Y-LINK、DP/PA LINK设备相连，DP Y-LINK、DP/PA LINK在上级网络中作为从站，在下级DP总线系统中作为主站。DCS主控柜与总线柜采用光纤连接，对于1个主控柜到多个总线柜的连接，网段间采用DP中继器进行隔离（见图2）。DP网段中冗余DP设备采用DP中继器连接，并进行网段间隔离，单DP网段采用DP/Y设备连接，冗余DP和单DP网段采用DP中继器进行隔离。通信速率9.6k～12Mb/s，主要用于电动门、电磁阀、电动机、分析仪表等开关量和复杂设备。PA网段采用DP/PA设备连接，通信速率31.25kb/s，能给总线供电，主要用于变送器、定位器等模拟量仪表和设备。现场总线拓扑方面，支持现场总线通讯卡件本地、远程安装，远程安装通过光电收发器实现树型拓扑。

图2　现场总线结构示意图

3　系统问题分析与处理

3.1数据运算与显示不一致

机组启停机、试验等工况下，由于参数不满足等条件限制，需要在逻辑中对某些信号进行强制。调试过程中发现，在组态软件中操作人员对数值变量修改后不下装到控制器，启动动态时显示正常，被修改的数值变量动态显示的是修改后的数值，但在逻辑运算中实际使用的却仍然是修改前的数值，该问题存在较大的安全隐患。如果组态人员进行强制赋值后忘记下装控制器，启动动态查看参数无异常后进行试验启停设备，由于显示的数据和实际参与运算的数据不一致，必然导致设备误动作。目前该问题还没有从技术角度解决，主要通过规范操作、加强监护等管理方式避免。

3.2趋势曲线功能不丰富

趋势曲线可以分屏显示，如显示两个、四个等不同数量窗口曲线，但是却不能全屏显示，也没有按照系统列出曲线组功能，只能通过操作人员添加曲线组和曲线，并且不能使用鼠标在曲线组里选取曲线，对某系统进行试验、故障分析时需要手动操作，不便于迅速地进行曲线分析。现有曲线的最小分辨率是1秒，可以以曲线或者数据记录等方式查看，但控制器运算周期为100毫秒，ETS、METS等重要系统运算周期甚至为50毫秒，系统及设备故障时部分变量在1秒内已经发生了一次或多次变化，而趋势曲线往往不能有效记录当时的正确工况，给事故分析带来较大的不便。

HOLLiAS-MACS系统使用了“域”为基础单元的管理模式，“域”主要区分不同区域的工艺和设备，如锅炉、汽轮机、脱硫、公用等区域热力工艺设备。“域”间信号的传递需要使用域间变量或硬接线的方式来完成，不能在画面中将不同“域”的变量组在同一个曲线中进行分析比对。

3.3通信与软件功能不完善

画面及组态软件中变量命名不规范。为了工程组态方便，和利时使用一套自有的变量命名规则，主要根据变量所属的区域、系统进行流水编号。DCS画面变量窗口上方能明显地显示编号，但KKS编码等与设备息息相关的信息只显示在“点详细参数”列表中，在操作和检修设备时需要认真核对设备信息，否则容易误操作。另外，在DCS画面现场总线拓扑图中设备显示状态不清晰明确，拓扑图中设备运行、停止、故障等状态没有通过颜色变化等方式加以区别，只有属于该设备的信号，如开关状态、故障、力矩等信号有报警，不利于设备巡检和异常检查。组态软件中打开报表组态会造成整个工程组态软件退出。

验收测试时发现，冗余DP现场总线设备单口网络故障时操作员站无报警，在DCS系统的HAMS设备管理软件中，PROFIBUS总线设备也无报警和统计功能，PROFIBUS总线设备无法通过工程导入的方式在HAMS管理软件中进行配置和参数修改，造成设备扫描慢（10台设备约1.5min），为总线设备管理和故障诊断带来困难。

由于现场总线设备的类型和厂家众多，用户的GSD文件和设备内部固件处理出现不一致，导致通讯失败，产生了DCS系统与总线设备兼容性问题。调试时和利时公司利用其测试平台对SIPOS、EMG等电动执行机构及KM超声波液位计、Rosemount压力变送器等设备进行了兼容性测试，发现SIPOS电动执行机构测试中存在数据跳变、部分设备无法通讯等现象。为有效解决该问题，系统软件除了必须提供灵活的参数设置选项、用户可以根据实际通讯状态对默认值进行修改外，还要完善GSD文件解析，收集GSD文件进行兼容性测试。

3.4变量中文注释不能更改

在组态软件中，各种设备、测点或功能模块注释是DCS逻辑组态的一项重要内容，有助于使用者阅读组态逻辑，理解控制策略。本版本的软件中，可以根据数据库中该设备、测点或功能模块信息，在逻辑组态方案页变量前自动生成中文注释并且不能更改。组态软件中手操器、PID运算器等模块具有不同功能的引脚，组态时可以使用“功能块—引脚”的方式进行逻辑连接，由于系统功能的限制，使用“功能块—引脚”的方式进行组态时，只是自动生成了“功能块”的中文注释，对具体功能的“引脚”不区分，导致组态中大量使用的手操器、PID运算器自动、手动、输出等不同功能引脚注释全都一样，给逻辑阅读造成很大的干扰，目前通过手动再增加中文注释的方式解决。

3.5控制器负荷升高

采用单层P-P网络结构后，各个操作员站不再依赖于实时数据服务器，系统没有实时服务器的瓶颈限制，各个节点的故障不会影响其他节点，提高了系统的可靠性与安全性。但是，实时数据服务功能下移至控制器后，控制站需要直接对各操作员站分别提供数据服务，使得控制器的负担加重、负荷加大。通过在控制器读取约20000点模拟测试发现，与和利时两层Client/ Server网络结构相比，控制器负荷最高提升了3%左右，控制器负荷在20%到31%之间。虽然各项性能指标都满足要求，在没有经过机组运行恶劣工况的检验，限制控制器负荷升高的问题仍需要关注。目前采取了限制直接与控制器通讯的操作员站个数、优化操作员站数据请求数量、提高控制器CPU配置的方式进行解决。

3.6机柜电缆布线不规范

机柜总线电缆布线和隔离方面，主要存在220V电源接线连接时没有很好地与通信电缆分线槽布置，存在交叉的现象。机柜无电源和温度监视、DP电缆屏蔽层连接不当。现场总线机柜由于设计的不合理，导致光纤接线盒及光电转换器应在模件柜及通信柜中摆放布置不宽裕，光跳线连接容易有死角，铠装光缆与光电转换器之间存在互相挤压，机柜内部分DP及PA电缆余量过大，导致电缆在线槽内折叠或弯曲夹角小于90度，现场总线电缆屏蔽层出现外露等情况。上述问题通过优化设备布置、合理预留电缆长度等方法已解决。

4　应用经验与建议

4.1应用经验

该电厂在DCS系统技术协议签订不久就安排热控及运行人员进行学习和监造，第一次设计联络会确定了进度、配置、接地等问题，第二次联络会确定了区域划分、总线网段划分、控制器分配、通讯接口、系统总体规划。控制策略以主机厂提供的说明为基础，同时参考华能海门、国华绥中等同类型电厂的成功经验。在近6个月的时间内多次组织审查DCS画面，邀请专家组进行了两次大规模的逻辑外审。软硬件及现场总线积极借鉴吸收了国华台山、大唐虎山等电厂经验，将系统缺陷消除在萌芽状态，减少了调试阶段的故障率。

在工厂测试和验收阶段，电厂积极安排人员全方位配合厂家技术人员进行设备安装、系统调试及故障处理工作，机组逻辑组态和画面组态、软硬件测试和出厂验收等工作由电厂人员操作，FCS制造厂技术人员负责监督核查，锻炼了电厂技术人员的技能，从实际操作中更加深入掌握系统的特点。

在设备安装、调试阶段，对同型号主机设备单位进行了深度调研。热控和运行人员在华能海门电厂进行了长时间的学习，收集了以往工程实施的技术方案和工程经验文献，深入了解东方机组的运行特性，运行人员深入参与控制方案讨论，形成了一套完整的具有自身特色和适应机组特性的控制策略，有效避免了由于逻辑问题而影响机组安全稳定运行。重点针对同型号系统机组进行了调研，收集了同类型系统出现的典型故障与处理方案，比如控制器切换不成功、网络故障、服务器故障、强制异常等事件和处理方式，编制出应急预案，在调试期间反复测试，加以改进。

4.2提高系统可靠性建议

系统版本更新较快，每次更新又衍生了新的系统问题，并且新功能的使用是否安全可靠有待工程应用来验证，给用户带来了风险。电厂人员需要更加积极主动的与设备制造厂、设计院、调试所、同类型机组电厂进行交流，认真研究分析系统性能、产品结构、网络特性等，加强对制造厂在项目实施过程中的监督检查，已经确定后的技术方案不要随意变更。为了保证DCS系统的可靠性和稳定性，厂家应重点关注其硬件的元器件质量、制造工艺等，提高电子模件的热拔插可靠性。保证控制器有足够的运算和存储能力，提高IO模件的抗干扰能力。

负责总线设备二次信息开发的HAMS管理软件，功能要强大且方便，不只是简单的对总线设备的信息进行显示，还要具有对现场总线设备循环数据及非循环数据进行参数设置、报警及事件记录、通讯状态分析等功能，真正起到设备管理作用。

现场总线设备测试要规范。在实验室测试期间，虽然设备制造厂搭建的总线实验室平台能够进行各类总线设备的检查测试，但实验室平台机柜接线、电缆布置不规范，机柜内接线混乱、总线电缆与电源线交叉布置、冗余总线设备按照单口设备标准测试，因此，严格按照技术规范要求测试设备，才能更好的发现问题。

在完善传统功能的基础上，加快新技术的研发，进一步提高产品质量，如目前单层网络结构下如何降低控制器负荷、HAMS管理软件功能完善等。积极开展先进优化技术、现场总线技术等的研发，增强国产DCS系统结合现场总线技术的市场竞争力，提供新技术、新功能培训与交流平台，便于系统使用人员能熟练地掌握各项新技术、新功能。

5　结论

HOLLiAS MACS现场总线系统在该电厂1000MW超（超）临界燃煤机组的成功应用具有重大意义，标志着国产DCS系统具备在大容量机组上进行大规模现场总线工程实践能力。在工程建设中，电厂热控、运行人员全程积极参与跟踪调试，发现并解决了一系列影响安全稳定的问题，提高了现场总线系统的稳定性，在充分借鉴国内同类型机组成功应用经验的基础上，积极与厂家联系沟通解决，消除了系统的安全隐患。通过对本工程现场总线DCS系统应用过程中的经验与问题进行总结，可以为现场总线控制系统国产化应用以及自动化技术的进步起到积极的作用。

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Application of HOLLiAS MACS Fieldbus Control System in Ultra-supercritical Millions Units

This paper introduces applications of the HOLLiAS MACS Fieldbus Control System of the HollySys company in the power plant with one million kilowatts of Ultra-super critical units. The Fieldbus configuration, the network structure and controller of substation are described, and the problems existing in the HOLLiAS MACS Fieldbus Control System in the application process and the related treatment scheme are introduced. Finally, this paper summarizes the experience of application of HOLLiAS MACS Fieldbus Control System, and proposes the opinions and suggestions of improving the reliability of the system.

Fieldbus; HOLLiAS MACS; Application

B 文章编号：1003-0492（2016）06-0102-03 中图分类号：TP273

吴公宝（1980-），男，福建松溪人，工程师，工学学士，现就职于京能集团珠海市钰海电力有限公司，从事热控专业技术管理与工程建设工作。