火电厂主机集中控制改造.doc

火电厂主机集中控制改造陈 瑞 （云南大唐国际红河发电有限责任公司，云南 开远 661600）摘要：目前火电厂的主机和辅助控制系统 BOP(Balance Of Plant)基本采用各自独立、运行分开的方式，存在运行维护效率低、管理难度大等问题。介绍了2X300MW流化床机组PLC+DCS的主辅机一体化集控系统的系统设计方案、系统配置、功能特点，给出了就地PLC与DCS控制器之间高可靠性通讯的关键技术方案，分析了两台机DCS上同时实现对辅机的监控技术，总结了实现问题及解决方案。关键词：DCS；PLC；OPC；Modbus；电厂；辅控；集中控制Centralized control reconstruction of main equipment and BOP system in Thermal power plantCHEN Rui（Yunnan Datang International Honghe Power Generation Co. ，Ltd. ，Kaiyuan ，Yunnan 661600）Abstract：At present, the main equipment of thermal power plant and The Balance Of Plant(BOP) used independently ,Separate operation mode basically, There are some problems such as low efficiency of operation and maintenance, management difficulty and so on. This paper introduces the design scheme ,System configuration and functional characteristics of the system integration of PLC + DCS 2X300MW main auxiliary fluidized bed unit centralized control system . The key technical scheme of the high reliability of the local PLC and DCS controller is proposed, Analysis of two sets of DCS how to realize the auxiliary monitoring technology, Summarizes the implementation of the problem and solutions. Keyword：DCS；PLC；OPC；Modbus；power plant；BOP； Centralized control0 前言某2X300MW流化床机组主机（锅炉、汽机、发电机）及其重要辅机采用DCS系统进行控制，公用辅助控制系统BOP(Balance Of Plant) 采用就地PLC进行控制。其中辅助控制系统包括水处理、供煤、灰处理、燃油、制氢、仪用/输送用气、吹灰、除尘、照明等13个子系统。各辅控子系统由不同的厂商安装完成，架构各成体系，因此致使控制系统程序编写语言各异，风格繁多，上位机组态类型不一。最终导致维护人员在系统功能的增加、修改时，需要进行比较繁琐的操作，检修维护难度增大；PLC逻辑及上位机监控软件都无跳闸首出逻辑，上位机的报警信号功能单一，无法进行历史趋势查询。针对上述问题，本文提出了全厂大集控运行模式和解决方案：新建一个辅控DCS系统，将原先各辅控系统就地的PLC与其联网，DCS作为辅控系统“上位机”运行辅控逻辑，PLC作为分布式I/O模块完成信号的采集和控制输出。主机DCS系统与辅控DCS系统再通过MODBUS TCP和OPC协议实现数据共享交互，最终实现全厂设备集中监测与控制。1 主机集中控制方案设计#1和#2机组的 DCS控制系统由机组级冗余光纤网和连接在网上的数据站SIS、历史站HIST、外部通讯接口站CIS、操作员站POC、工程师站EWS及热备冗余控制器DPU构成基础骨架，以现场分布式I/O为依托，仅实现对主机就地设备的监控；辅控BOP系统采用常规工控形式，以PLC+服务器+“上位机”构成独立辅控网实现监控。主机DCS系统与BOP系统之间无数据共享，控制相互孤立。改造后，辅控BOP系统“上位机模块”部分增加4对DCS控制器、6台操作员站POC、一台工程师站EWS、一台历史站，构成了一个辅控DCS上位系统。辅控DCS主控制器通过其以太网口直接连接至原PLC辅控网络中，通过数据转发模块实现与各辅控子系统的PLC通讯。PLC作为DCS辅控系统的下位机模块，配置了通讯卡件NOE-77101作为通讯数据传输接口，使用MODBUS TCP数据通讯规约实现下位PLC和上位DCS之间的通讯连接，构成了DCS+PLC上下位控制网络。这种控制网络具有高性能、高可靠性、稳定的实时响应特点。方案框图如图1所示：图1 设计网络示意图如图1所示，辅控网DCS系统配置了4对控制器（FK1FK4）,不配备I/O模板，仅完成辅控网上位控制逻辑的运算功能。利用控制器上的网口采用MODBUS TCP/IP协议实现与辅控各PLC-DPU的双向通讯，完成对辅控各子系统就地设备的监控功能。为实现主辅机大集控运行，到达两台机DCS操作员站和BOP系统DCS操作员站均能对全厂辅控系统实现监控的目的，本次改造软件通讯配置层面遵循Modbus TCP和OPC规约，硬件搭建层面则选用新建“主机DCS系统与BOP系统数据交互大集控网络”的方法，然后通过公用数据交互网分别将1号机组DCS系统网络、2号机组DCS系统网络和BOP系统DCS网络接入其中，构成大数据共享通道。从而实现将辅控网DCS系统与主机DCS系统连接在一起。当大集控网络任何一个节点出现通讯故障，造成主机DCS操作员站无法监控辅控DCS系统下属设备时，可将设备操作权限转移至BOP系统DCS网络操作员站，保证系统稳定和数据传送可靠。HIACS-5000 DCS系统为一个多数据源的数据交互系统，有两种互联方式：一是通过Modbus TCP接口支持与外部系统数据互联，二是可以通OPCClient接口驱动和OPCServer接口驱动与其它系统双向通讯，完成数据交换。本次改造使用了Modbus TCP实现DCS辅控网给大机DCS发送就地辅控现场数据DI和AI点；使用OPC通讯实现大机DCS操作员指令给DCS辅控系统下发操作和控制AO、DO数据点，DCS辅控网再将指令转发至就地PLC完成对就地设备的控制。数据交互方式及流向如图2：图2 主机DCS系统与辅控DCS系统数据交互图如图2所示，DCS辅控系统数据通过接口站FK-POC1和1号机组#1-POC1通讯实现数据交互；通过接口站FK-POC6和2号机组#2-POC1通讯实现数据交互。图2中红色线表示Modbus TCP 数据流，由辅控网DCS操作员站发向主机DCS操作员站，用于传输现场的模拟量测点AI和开关量测点DI，实现主机DCS系统操作站可以实时监视现场采集的数据；黑色虚线表示OPC数据流，由主机操作员站（作为OPCClient）发给辅控操作员站（作为OPCServer），用于给辅控网就地设备下发DO和AO指令，实现主机DCS系统可以实时控制现场设备动作的功能。2 集中控制数据通讯解决方案2.1原辅控系统现地PLC的配置及功能实现： 通过施耐德 concept2.7开发环境，设定PLC的Memory Partition discrete均为4096，设定Register 均为512。原先PLC系统控制器只保留系统配置的基本信息，删除原有程序控制逻辑，不再进行逻辑运算，仅作为一个就地IO站，负责就地设备数据的采集上传及接收集控室大机DCS和DCS辅控网的DPU控制器下达的指令，逻辑运算交由DCS辅控网的4对控制器DPU执行。为实现辅控网DCS与就地PLC通讯，设置PLC数据传送方式为Ethernet II （以太网二层链路协议）并赋予可编程程序控制器地址及网关。 2.2 DCS辅控网系统与原有辅控系统就地PLC系统的Modbus数据交互实现：在完成原辅控系统现地PLC的配置后，需要进行辅控网DCS上位系统的网络驱动及初始化逻辑设计，为保证通讯数据的可靠性，DCS与就地PLC系统采用了双网连接。DCS初始化逻辑内设计了数据网络切换功能，当通讯数据网段IN1（网络1采集数据点）出现故障或采集数据超时，自动切换至冗余的网段IN2（网络2采集数据点），数据源选择逻辑如下图3所示。图3数据源选择逻辑2.3辅控网DCS系统与主机DCS系统的通讯实现：为了实现主机运行值班员对辅控设备的直接监控，将辅控网DCS系统与#1、#2机组DCS数据联通交互起来。参见图2。主机DCS系统Modbus TCP客户端可以选择多台操作员站计算机构成一主多从的冗余结构，同一时刻只有一个站为活动，其他都在监听中，当活动站有故障时，其余从机按优先级别转换为活动态启动通讯。2.4 改造后的通信网络拓扑结构优点主辅机大集控系统保留原有辅控PLC系统的星型网络拓扑结构，该结构容易扩展并且易于维护。设置了自适应光电一体冗余交换机，保证网络数据传输效率，单个节点故障不影响整个网络稳定。同时配置了主机交换机作为集控DCS系统的数据网络支撑。实现辅控BOP系统的数据与主机DCS系统共享。大集控系统具有网络多元化，数据交互方便、快捷、稳定等特点。3主机辅机大集控系统逻辑组态改造后的辅控DCS系统接管了原有电厂BOP系统中各个子系统的就地PLC业务逻辑运算功能。为方便对辅控设备的控制，满足原先控制工艺的需求，DCS系统组态功能支持用户开发自定义模块，以实现两种组态和编程环境下的程序控制方式相一致。由于电厂水处理系统的工艺比较复杂，采用合理的逻辑封装模块可以有效提高编程效率及提高程序的可读性，以常用的时序控制为例，将PLC设计宏命令中的timer模块重新设计应用成模块化调用宏。该功能块集中了程序运行时间设定、步序保持、程序执行条件判断、跳步、步序执行时间输出、步序剩余时间输出、计时时间到触发下一节点等功能。在实际应用过程中，调用便捷、功能全面。PLC系统其程序设计语言的局限性，在控制工艺要求复杂的情况下，实现系统的最优控制很困难，而PLC程序控制转移到DCS上后，由于DCS的组态功能强大，支持自定义功能块，同时对辅控逻辑做了优化改进。改造后的辅控系统实现了BOP系统中各子系统的控制逻辑方案的集中管理，方便日常进行修改及维护。4 结束语综上所述，主机辅机集中控制采用了PLC+以太网+DCS的方式，实现了主机、辅控BOP系统的统一，实现了电厂的大集控运行。实施后取消了辅机就地控制室值班，由主机集控室全局把控，提高了运行人员工作效率。改造建成的PLC+DCS集中控制系统保留了原有PLC电源模件、I/O卡件、中央处理器CPU（Central Processing Unit）、通讯模件、通讯电缆，最大限度的避免了资源浪费，节省改造成本。改造完的集中控制系统将逻辑组态语言统一为DCS系统的模块化编程，有效的减少了系统维护难度，提高了设备故障处理效率。 该系统在实际运行中的工作模式、运行状态、逻辑保护等主要技术特点，均满足电厂需求。通过实际运行，证实了所提出的主机及BOP系统的集中控制改造效果好，系统操作方式灵活、稳定可靠、功能全面。参考文献：1 包春雨, 郭静. 火力发电厂辅控车间采用DCS联网技术的探讨J. 电气传动自动化，2003，25(2)：41-43,49. 2 裴顺. 超超临界机组全厂大集控的设计研究J. 自动化与仪器仪表, 2011, (6)：25-26,29. 3 李裕琨. 火电厂