电厂之66热网系统改造技术分析.doc

热网系统改造技术分析米晓庆马 钢王希林李 刚（大庆油田热电厂）摘要本文对大庆油田热电厂供热系统改造的整体情况和技术特点进行了详细的分析和介绍。对于电力生产企业辅助系统自动控制系统集成具有一定的参考意义。关键词热网 PCS7 DCS 通讯 自动化1 前言大庆油田热电厂三台200MW燃煤火力发电机组，每年不但要完成30亿kw/h的发电任务，同时还承担着东风新村、中林街等几十万居民冬季供暖的任务。其热网系统原理图如图1：图1热网系统原理图其中，六台热网加热器汽侧压力调整分别由三台机组单元控制，水侧流量调整由汽机侧零米热网控制室运行人员调整，供热出口参数在机组主厂房外的供热计量间；因此，造成供热系统调整比较困难。虽然热网运行人员较多，但是仍然存在供热参数调整周期时间长、参数波动大、调节精度低的问题。同时，原有的热网系统的显示、控制仪表及程控系统仍采用较为落后的监视控制设备,运行人员操作较为复杂,系统难以稳定投入，参数波动较大，无法满足现代化电厂生产自动化的要求。因此,需要进行热网控制DCS系统改造，实现集中显示控制,以提高自动化控制水平,提高劳动生产率，为发电机组的安全发电供热、平稳经济运行奠定基础。本次改造采用德国西门子公司生产的PC S7系列集散系统，该系统结构简单，性能优良，价格合理，适合电厂的生产控制需要。本次改造同以往的DCS系统改造相比，在技术创新方面具有以下特点：（1） 采用了国际通用标准的工业通讯协议，网络通讯兼容能力强，易于扩展，同时有利于同我厂其他控制系统实现数据共享，为实现管控一体化的目标奠定基础。（2） 对供热参数进行了智能化运算，实现了瞬时值、累积值的显示和比较曲线，为热网工艺参数调整提供方便。（3） 操作人员身份认证更加灵活，可以根据不同的操作范围进行授权。（4） 第一次将模拟信号的远传和调整机构的操作距离延长到一公里。2 系统介绍2.1热力系统介绍油田热电厂供热面积达到400余万平方米，从区域上划分可以分为三部分：东风新村供热、中林街供热和厂区供热。其中东风新村供热和厂区供热为原设计供热区域，中林街供热为本次改造新增加部分。2.2控制系统介绍2.2.1系统简介大庆油田热电厂热网DCS改造采用德国西门子公司的PCS 7过程控制系统，PCS 7过程控制系统是由一系列现代化的、功能强大的系统组件组成的测量和控制设备，它集合了当代DCS与PLC系统的特点，具有很好的模拟量处理和闭环控制功能，而且比以往的DCS系统有着更强的逻辑、顺控功能。此系统可以应用于电力，化工，钢铁等各行各业，可提供电厂过程自动化所需的所有功能。2.2.2系统功能组成根据热网系统生产运行情况的需要，此次热网DCS系统改造I/O点数共825点，包括AI，AO，DI，DO。采用冗余的SIEMENS CPU414H控制器，设置了1个工程师站和3台控制终端，#1-#3机组单元控制室内各有一台。其中，#2机热网控制终端作为主控站，承担全厂热网水侧和#2机汽侧流程的调整控制；#1机和#3机热网控制终端分别承担各自机组热网汽侧部分的流程控制。另外，#2机热网控制终端承担与厂MIS系统的接口任务，热网出口参数全部引入热费计量系统。现场级单元由一个电源柜、一个控制柜和一个扩展柜组成。下位单元各个ET200M分站通过冗余Profibus工业现场总线与CPU通信，下位机与上位机之间通过冗余的光纤环网连接，由于整套系统采用了总线冗余配置，这样大大地提高了整个DCS的安全性，DCS的具体构成见图2。图2 ：热网系统配置图2.2.3系统基本功能热网DCS改造工程设计有完整的数据采集系统（DAS）、顺序控制系统（SCS）、闭环控制系统（MCS）以及信息报警、报表打印等功能，下面对这些功能作简要介绍。(a)数据采集系统（DAS）:共11个画面区，23幅画面，显示测点800多个。系统可以提供本画面中显示过程值和相应的阀位输出值。当鼠标移至每个可操作的设备上时鼠标旁出现 标志，表示该设备可以操作，具有一定的智能提示功能。在每幅画面的左下方都有“显示位号”和“设备名称”按键，单击相应的键可以起到注释的作用。(b)记录曲线功能：所有重要的供热参数均以实时趋势和历史曲线两种方式存档，点击曲线左上方的“启动”/“停止”键可以相互切换。曲线采样时间可以根据需要灵活定义。曲线记录共分为8幅画面，可点击屏幕右侧的按键进入相应的曲线画面。在热网出口供热参数曲线中，我们设计了供热函调参数和实际运行参数同步记录的方式，确保了运行人员在调整参数时严格按照要求指标调整，在曲线中还增加了热网供回水温度、流量和压力差比较曲线，有利于供热系统的平稳运行和对各项经济技术指标的考核。（c）顺序控制系统（SCS）:包括转机、阀门、变频、保护等控制回路100余个。（d）闭环控制系统（MCS）:共有热网除氧器水位、压力，热网补水压力等闭环控制系统13个。（e）远方操作系统：7个。3 技术特点分析本次热网系统改造在系统配置、网络通讯、人机接口、测量方法与控制手段等方面具有比较鲜明的技术特点。3.1具有极强的网络通讯能力和扩展能力3.1.1通讯网络及协议根据不同的需求，PCS 7可以使用不同的通讯网络协议。包括工业以太网、过程现场总线（PROFIBUS）、多点接口（MPI）等。3.1.2网络结构其网络结构可以分为管理级、单元级、现场级和执行器-传感器级四个层次，如图2： PCS 7网络结构图3.1.2.1管理级在管理级处理整个的操作任务，也可以从多个站点收集和处理数据。对于管理级，为了更远距离的连接，我们选用了工业以太网，采用TCP/IP协议。工业以太网是一种用于工业通讯的最有效的子网，是一种符合IEEE 802.3标准的开放式通讯网络，主要优点在于其速度、简单的扩展性和开放性以及其高利用率与全球分布性。3.1.2.2单元级在单元级主要处理自动化任务。在该级别，操作和监控设备以及PC彼此连接。根据性能要求，我们选用过程现场总线（PROFIBUS）。PROFIBUS是一种独立于开发商的开放式通讯系统，它基于欧洲标准EN 50170，主要用于在少数几个通讯伙伴之间传送少量或中量的数据，通过DP(分散设备)协议可以与智能型现场设备通讯，具有快速、周期性传送数据的特点。PROFIBUS网络区分主网站和从网站。主网站使用令牌传递方式，而从网站使用主从访问方式。3.1.2.3现场级现场级是PLC与设备之间的连接链路。在现场级使用的设备提供过程值和消息等，并且也向设备转发命令。3.1.2.4执行器-传感器级在执行器-传感器级，主站与连接到其子网的执行器和传感器进行通讯。3.1.3选用光缆作为传送媒体系统使用光缆作为其网络传送媒体。光纤网络不易受到电磁干扰，适合长距离传送，传送速率可以从9.6kBit/s逐步调到12Mbit/s。其卓越的网络通讯性能可以实现与我厂其它控制系统之间的网络通讯、数据共享，并且为进一步完善我厂生产信息管理系统（MIS）奠定了基础。3.2具有更加灵活的软硬件组态、在线监测和诊断功能3.2.1组态软件介绍热网系统使用STEP 7作为组态软件。STEP 7是用于SIMATIC可编程逻辑控制器组态和编程的标准软件包，其编程语言符合EN 61131-3或IEC1131-3标准。该软件包可以运行在操作系统Windows 95/98/NT4.0/2000/Me/XP下，并与Windows的图形和面向对象的操作原理相匹配。3.2.2软件组态系统主要采用梯形逻辑图（LAD）和功能块图（FDB）两种表达方式进行软件功能组态。值得一提的是，STEP 7拥有庞大的程序库，可以将这些程序块拷贝到用户程序中所需要的地方，以节省大量的编程时间并提高效率。同时，具有较强的开放性,用户可以自行开发一些适用于生产实践的程序模块或应用程序，加入到程序库中，方便现场实际应用和二次开发。3.2.3硬件组态和诊断和其它的控制系统不同，STEP 7具有很强的硬件自动组态和在线诊断功能。3.2.3.1硬件自动组态以往的控制系统硬件组态，主要依附于硬件地址，由系统集成人员人工进行配置，过程复杂且容易出错。STEP 7则可以用视图的方式为自动化项目的硬件进行组态。如下图所示，只要从电子目录中选择机架，并在机架中将选中的模板安排在所需的槽位上即可。这种特性使用户编制配置结构时更加快捷、方便。同时，对于CPU或模板进行参数配置，都采用菜单或对话框的形式，过程简单，数据直观。3.2.3.2诊断硬件和故障诊断STEP 7提供了各种在线诊断视窗，通过各种含义不同的特殊符号，使用户很直观地观察到CPU与各个模板的工作状态和故障诊断结果。这种功能为系统的日常检修维护和故障处理提供了可靠依据。3.2.4数据在线监测STEP 7提供了三种不同特点的数据在线监测手段，用户可以根据不同需要，选择适当的方法。3.2.4.1用变量表进行测试变量表是STEP 7数据结构的基础，使用变量表可以保存各种测试环境，实现对变量的监视、修改激活和强制。这样，在操作或进行维护和维修时，可以有效地进行测试和监控。这种方法在系统调试和故障检查时经常使用。3.2.4.2用程序状态进行测试STEP 7可以通过显示程序状态（操作结果、状态位）或者为每条指令显示相应寄存器内容的方法测试程序。这种方法通常在程序调试时使用。需要注意的是，在控制系统正常工作时尽量避免使用这种方法，否则一旦功能或程序出错，会导致控制系统失灵，造成人员伤害或设备损坏。3.2.4.3使用模拟程序进行测试软件包PLC Simulation具有模拟PLC功能，可以在计算机或编程器上模拟CPU工作，直接测试应用程序。这个软件主要用来监视和修改各种用户程序中使用的参数。3.2.5人机界面具有很强的开发和管理性能热网改造选用德国SIEMENS公司 SIMATIC WinCC V5软件作为系统的显示操作界面。WinCC 是在生产过程自动化中解决可视化和控制任务的工业技术中性系统。同其它的显示操作软件相比，它不但具有图形显示、控制组态、报警信息处理、报表打印等功能，而且在图形编辑、应用程序开发和系统管理性能方面具有比较突出的特点。3.2.5.1矢量图形编辑以往的显示操作软件大都采用位图编辑，画面效果较差，经过调整后容易失真。WinCC提供的图形编辑器是一种用于创建过程画面的面向矢量的作图程序。WinCC可以用包含在对象和样式选项板中的众多的图形对象来创建复杂的过程画面。也可以通过动作编程将动态添加到单个图形对象上，自动生成动态支持并将他们链接到对象。3.2.5.2采用面向对象的程序开发技术WinCC提供了开放的界面用于用户解决方案，这使得将WinCC集成入复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。它可以集成通过ODBC和SQL方式的归档数据访问，以及通过OLE2.0和ActiveX控件的对象和文档的链接。3.2.5.3具有更加灵活的安全管理手段一般的显示操作软件，仅仅采用几个不同操作级别的口令来区分能否操作、能否进入或退出系统、能否组态等功能的封锁与开放，这种安全管理模式既死板，又不安全。热网系统则设计为：根据不同的操作范围和操作任务进行权限控制，不同身份的操作人员只能对自己负责的设备进行操作。3.2.6测量方法科学、控制手段丰富3.2.6.1热网系统改造以前，一次检测和二次变送装置大都采用模拟仪表或者机械仪表，规格型号也不统一，不但检测精度较低，而且故障率比较高，维护量大，影响了供热系统的平稳运行。因此，在这次改造中普遍选用规格统一的数字化智能检测变送装置，同时对于一些比较重要的经济仪表，采用了目前比较流行的超声波测量、弯管流量测量等先进技术，确保了在检测变送环节数据的真实性和可靠性，为经济核算和各项生产指标考核奠定基础。本次热网系统改造，我们新设计了热网补水、工业补水以及非生产用汽测量设备，通过这一段热网供暖期运行，能使我厂及时了解掌握东风新村、中林街地区失水情况及热网系统成本消耗，为我厂降低成本、促进企业进一步发展提供可靠保证。3.2.6.2由于油田热电厂设计于上个世纪80年代末期，因此控制手段大都采用比较传统的气动基地调节仪表、继电保护电路等方式，方法手段单一，控制精度低，故障率高、维护量大，无法满足现代化电厂生产自动化的要求。在这次改造中，针对不同生产流程的实际特点，选用了不同的控制方式。（1） 将热网系统所有转机设备的启停、电动门的操作和联锁均纳入DCS控制系统中，依靠逻辑运算程序来实现控制。（2） 将原有的故障率高、维护量很大的气动基地式调节仪表取消，由DCS系统完成自动控制功能。同时选用德国SIEMENS公司生产的智能阀门定位装置（可以输出反馈电信号）作为就地执行机构。改造后，提高了自动控制系统的整体性能和控制精度，提高了自动投入率，增加了远方操作功能，无论是在自动还是手动状态，运行人员都可以及时、合理进行调整。另外，设备的故障率下降到10%以下，维护费也大幅度减低。（3） 对于热网疏水泵控制采用变频调速技术，同时在DCS系统中设计了变频调速系统的远方监视和操作功能，不但提高了控制精度和系统的稳定性，而且给运行人员和检修人员的工作带来了很大的方便。4 结束语分散型控制系统（DCS）是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展。我厂要在全厂主辅专业控制系统建设方面，统筹考虑，努力实现全厂主辅系统之间联网、数据共享，最终实现在整个电厂主辅控制设备集成管