maxDNA分散控制系统在电厂DCS系统改造中的应用

摘要：介绍了采用maxDNA分散控制系统对国产300MW火力发电机组的MAX1000进行改造的应用；阐明了该控制系统的特色和在300MW机组控制应用中的结构；特别是对实现锅炉和汽机的协调所采用的直接能量平衡控制策略作了分析。

关键词：分散控制系统；改造；直接能量平衡控制策略

中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)15-30733-02

The Application of Rebuilding of DCS by maxDNA Distributed Control System for Power Plant

YAN Hong-xia

(Department of Computer Science and Technology of Tongji University, Shanghai 200092, China)

Abstract:The application of rebuilding of MAX 1000 by maxDNA distributed control system for domestic 300MW coal-fired generating units is introduced. The features of said control system and subject structure of application for 300MW units control is also clarified. Particularly analyses the direct energy balance control strategy used for coordination control of boiler and turbine.

Key words:distributed control system；rebuilding；direct energy balance control strategy

1 引言

田家庵发电厂#5机组DCS系统（以下简称电厂DCS系统）于1996年12月份随机组投产，由于受当时技术及资金条件限制，老的DCS系统软、硬件本身固有的缺陷逐步暴露出来，故障率增高，同时存在的“千年虫”问题一直没有彻底解决，系统时钟问题一直影响着DCS系统中历史时间查询等功能的使用，系统已难以满足电力生产的高自动化程度、高可靠性、高经济性的运行要求，因此有必要对电厂DCS系统进行升级改造，本次改造采用maxDNA分散控制系统替代了原来的MAX1000分散控制系统，并将机组电气（ECS）系统和汽机侧SCS系统纳入DCS系统。

2 系统概述[1]

改造后的maxDNA系统，将完成DAS、APC、FSSS、SEQ、SCS功能，以满足机组在各种运行工况的监控要求，确保机组安全、高效运行。maxDNA由以下部分构成：

(1)MAXNET数据通讯系统：基于交换型快速以太网标准的全双工100Mbps冗余高速数据通讯网；单层网络结构无瓶颈效应；星型网络拓扑安全且易扩展；TCP/IP通讯协议，采用软件背板（Software Backplane）实现系统内部的连接和数据访问。

(2)MAXSTATION 人－机接口：基于WINDOWS NT的图形界面，IEC1131-3标准化图形组态工具；基于Intel的开放型硬件平台；支持多种语言包括中文。

(3)DPU4E分散处理单元：基于Intel Pentium的多处理器控制器，直接连接于MAXNET；模块化结构仅占一个安装槽位；高达10，000个算法块处理能力；高速并行I/O BUS对开关量扫描分辨率小于1mS。DPU和I/O模件一起安装在RPU柜中。

(4)RPU过程I/O单元：基于高速并行I/O BUS的过程输入/输出模件，任何位置的DI均可实现SOE采集；模件品种少功能全，至模件通道级的隔离措施。

3 DCS系统改造的具体内容和要求

硬件方面，保留原MAX1000系统的I/O模件、机柜、电源以及DCS系统内的相关电缆，系统至现场的连接电缆保持不变。采用maxDNA的分散处理单元DPU4E、高速数据通讯网络MAXNET、工作站MAXSTATION，更换原MAX1000系统DPU及以上的数据高速公路和所有的工作站。

软件方面，采用maxDNA的系统软件，更换原MAX1000系统的所有系统软件。在maxDNA系统平台上重新组态应用软件，并确保在功能上优于原MAX1000系统应用软件的水平。

改造所涉及的功能范围为DAS、APC、FSSS、SEQ、SCS。

具体内容和要求为：

(1)改造升级后控制画面与原来控制画面基本相同。增加部分DEH控制画面。

(2)各系统逻辑控制满足原控制要求。

(3)满足原设计的DCS系统与DEH系统、与MIS系统通讯,增加部分与DEH控制通讯。

(4)满足原设计的报警、事故追忆、电源监视、打印机等管理。

(5)汽机顺控SCS系统进DCS系统，增加机柜、DPU、各类型卡件、24VDC电源装置、48VDC电源装置、网络接线、继电器柜。

(6)DCS系统电源装置部分维护，包括电容更换、风扇更换、电源监视维护，增订部分整件。DCS系统电源柜改造（包括SCS系统接入）。

(7)DAS系统DPU改为冗余配置。

(8)原DCS的过程信息标签名保持不变。

(9)SEQ系统利用2对空机柜，增加1对DPU。

(10)配置一套GPS时钟，DCS具有GPS接口功能。为DEH系统预留GPS接口。

4 DCS系统改造的实施方案

4.1 原系统状况

原系统配置工作站为：AP（应用服务器）2台；GP（图形服务器）5台；RTP（实时服务器）3台；RPU机柜组4个，分别为：

(1)DAS10个机柜（5个背靠背机柜，每个机柜下方有中间端子排）

DPU 6个DPU552和4个DPU4A，其中有一对为冗余。

(2)SEQ8个机柜（4个背靠背机柜，现场直接接线至I/O端子块）

DPU 4对DPU552，4对冗余。

(3)FSSS 8个机柜（4个背靠背机柜，现场直接接线至I/O端子块）

DPU 4对DPU552，4对冗余。

(4)APC8个机柜（4个背靠背机柜，现场直接接线至I/O端子块）

DPU 4对DPU552，4对冗余。

4.2 系统升级方案

本工程采用将MAX1000系统升级到maxDNA系统（并增加1000点SCS）的方法来对原系统进行改造。

升级后的系统为当代技术领先的分散控制系统，同时系统具有非常好的开放性，便于以后设备不断更新升级。

5 系统调试[1]

5.1 系统检查

系统机柜受电前，对系统电缆接线、系统绝缘、屏蔽接地都进行了全面检查，保证系统安装的正确性、绝缘性能和抗干扰性能。在系统机柜受电前在离线状态下，对DAS系统的各种功能和APC系统的逻辑组态进行了全面检查；对FSSS、SEQ、SCS系统的逻辑组态进行了全面检查；对盘台仪表接线、电源系统、盘台接地复核、检查。

5.2 系统受电与程序装载

在确认系统I/O接线正确，无强电引入的前提下使机柜受电，启动系统数据高速公路通迅网络，并用工程师站对控制站进行程序下装，使系统运行。DAS、APC、FSSS、SEQ、SCS、ECS进行各自独立的调试和系统联合调试，整个DCS系统所有信息均共享。

5.3 系统调试

5.3.1 系统静态调试

首先对I/O卡件进行功能测试和精度试验，对不合格的老卡件进行了调试或更换。对DAS系统，在机房内进行运行监视、操作各种显示，报表打印等功能调试，也进行了对应关系、显示正确性和精度检查，检查结果基本能满足运行要求。对APC系统，在检查和修正了控制逻辑的基础上，进行了信号传递和运算检查，整定了静态参数，设置了各种补偿运算、函数运算等参数，对于给水、减温、燃烧等各参数先用改造前各参数，进行了“强操”和软手操试验和手/自动切换试验，检查了跟踪情况和切换扰动，确认了作用方向，进行了阀门及挡板的联锁试验，各项指标达到系统标准。

5.3.2 系统动态调试

在机组启动前，将操作员站、工程师站、历史站、DPU控制站等系统投入运行，配合机组分部试运和整套启动试运，DCS进入正式运行状态。配合现场调试投入能投入的所有测点，进行调节门的操作试验和确认，为DCS系统改造在规定工期内按时启动运行创造了条件。

6 系统调试的结果

本次DCS系统改造是成功的，改造后的控制室简洁、美观，改造后的系统精简了机组控制仪表、操作按钮的数量，液晶屏的应用使改造后的整体效果提高了一个台阶，方便了运行人员的操控，减轻了运行人员监盘的强度。

从系统控制设备的硬件及控制软件来看，maxDNA系统是非常可靠的，机组运行的安全性和控制可靠性都大大提高。

由于所有系统均由DCS系统进行控制，原来许多不能实现的联锁、顺序控制逻辑均得以实现，其可靠性、纳入的范围大大提高，既保证了机组的安全运行，又减轻了运行人员操作的强度。目前机组的保护投入率达到100%。

DCS系统顺利实现与厂级MIS系统连接，机组运行的相关数据通过MIS网络及时向全厂发送。

在所有调试人员的共同努力下，机组自动调节系统的投入率和调节品质有很大的提高，模拟量控制系统的调节品质大为提高，目前均已投入自动运行，协调系统的投入为机组AGC功能的实现打下了坚实的基础。

7 直接能量平衡DEB/400控制策略[1-4]

直接能量平衡控制策略（direct energy balance control strategy，即DEB）是当今最先进的锅炉与汽机协调控制的思想。本次DCS系统改造中就采用了DEB/400控制策略。顾名思义即是直接用能量平衡的原理来实现锅炉与汽机的协调。该方案中能量平衡指的是输入炉膛的能量与机组总的能量需求之间的平衡。

一般来讲，输入能量应该等于输出能量和储能的变化的总和。就如一个水槽，输入的水量等于输出的水量和槽位的变化的总和。

对锅炉来说，输入炉膛的能量也就是输入炉膛的燃料的放热量，这个燃料放热量等于输入汽机的能量和储能的变化这两个测量值的总和。汽机第一级压力P1与输入汽机的能量成正比，因此汽机第一级压力的测量值为放热量中的稳态部分。储能的变化可以由汽包压力Pd的变化率确定，当储能增加时，汽包压力变化率为正值，降低时为负值，稳定时等于零，这是放热量中的动态部分。因此，燃料放热量为：P1+d/dt Pd。

机组总的能量需求应是汽机的能量需求和改变锅炉储能所需的瞬态能量需求的总和。汽机第一级压力P1与机前压力Pt之比（P1/Pt）体现了汽机调节阀的有效开度，P1/Pt与节流压力设定值Ps的乘积：P1/Pt*Ps，则代表汽机的能量需求。这个信号的动态补偿d/dt代表改变锅炉储能所需的瞬态能量需求。

这些能量的测量和计算都是连续的精确的，且反映了动态的状况。这样，将总能量需求作为设定值，放热量作为被控量组成的调节回路实现的燃料控制，实质上就是通过直接控制输入炉膛的能量使之与总能量需求相匹配，实现了直接能量平衡控制（包括动态状况）。这种燃料控制器避免了因燃料热值的改变或各种因素引起的燃料量、品种的变化的干扰，也免除了因汽机带来的干扰。

同样，所需的空气量也可以与总能量需求相匹配，即将总能量需求乘确定的燃空比作为空气量调节器的空气量的需求。由于放热量和空气量与公共的总能量需求相平衡，所以燃空比得到有效的调节，两者相互保持平衡。这样的锅炉汽机直接能量平衡控制原理如图1所示：

图1 DEB协调控制系统原理图

直接能量平衡策略为电厂运行带来重大好处：

(1)发电功率与负荷需求相匹配；

(2)有效的燃空比控制；

(3)稳定了主要变量；

(4)提高了电厂和设备的寿命。

8 结束语

田家庵发电厂采用maxDNA分散控制系统对原#5机组的MAX1000系统进行改造，并充分利用了原有资源，改造后的5#机组DCS全面达到maxDNA的各项技术特征和指标，为机组安全、经济地运行提供了有力的保障，取得了很好的300MW机组改造经验。

参考文献：

[1]Metso Automation MAX Controls, Inc. MAX1000 Related application bulletins and product specifications, P-204-U, A-701-U, A-702-U, A-703-U, A-704-U, A-705-U.

[2]李希武．直接能量平衡法(DEB)协调控制系统分析[J]．中国电力，2000，6(33)．

[3]陈胜利. 安徽电网火电机组DEB控制策略应用与优化分析[J] ．安徽电力, 2006,(2).

[4]滕卫明，王春利，高海东，等. 应用于机炉协调控制的能量平衡与主汽压力调节相结合的控制策略[J]. 热力发电，2005,6:42-44.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。