文章作者:程來勝1,殷 鷹2 ,
(1.南京科遠自動化集團股份有限公司,江蘇 南京 211100 2.大唐南京發電廠,江蘇 南京 211100) 摘要:本文討論了大型火電廠輔助車間系統的控制要求,以大唐南京發電有限公司的全廠輔助車間為例,介紹了NT6000分散控制系統在輔助車間集中控制項目上的設計方案、實踐情況、網絡結構和工程特色。 關鍵詞:DCS、輔助車間集中控制、現場總線 大唐南京電廠建設規模是2臺660MW超超臨界燃煤發電機組。按照大唐集團公司的精神和設計原則:第一要采用新技術,來提高自動化水平,第二要降低電廠的建設投資成本,第三在運行之后,要進行運行方式的改革,以實現減員增效。按照這樣一個原則,在輔助車間的技術方案選型上,打破了常規方案的局限,選用了集中控制方案;在硬件平臺的選擇上,將PLC和DCS放在一起進行比較,最終經過招投標選擇了性價比更好,更加適合集中控制應用要求的科遠NT6000分散控制系統。同時在部分系統中,采用了現場總線技術,為現場總線技術在火電廠的應用,進行了有益的嘗試。 1、控制系統配置
大唐南京電廠全廠輔助系統(車間)集中控制系統的控制范圍包括:綜合泵房、凈水系統、鍋爐補給水系統、兩臺機組的凝結水精處理及再生設備,化學取樣加藥系統、機組排水槽、脫硝氨區、工業和脫硫廢水處理、生活污水處理、煤泥水處理、暖通、輸煤、除灰系統、除渣、電除塵和脫硫等工藝系統。按照工藝系統,控制系統分成水務控制系統、灰煤渣控制系統、脫硫控制系統;其中水務控制系統監控點設在主控室內,灰煤渣控制系統、脫硫控系統監控點設在輔控綜合樓,每個監控站均為全功能站,能夠監控和操作全廠輔網設備狀態,同時通過權限設置不同的用戶,區別監視和操作輸煤、除灰、脫硫等工藝系統設備,構建了一個全廠輔助車間集中控制系統。 1.1、監控點配置
本工程設置2個值班監控點和3個后備監控點。值班監控點在正常運行時完成對輔助車間各系統的監控;后備監控點作為調試、試運行、檢修時的后備操作點,按無人值班考慮。一個值班監控點設在單元機組集控室內, 配置4 套輔助車間控制系統操作員站,監控對象為水務控制系統;另一個監控值班點設在輔控綜合樓,配置6 套輔助車間控制系統操作員站,監控對象為脫硫、輸煤、除灰渣系統。輔控綜合樓工程師站有脫硫工程師站1 套,輔網工程師站1 套、SIS 接口裝置1 臺,歷史數據服務器1 套。3個后備監控點按無人值班考慮,分別為化學水處理2個后備監控點、凝結水1個后備監控點。后備監控點用于調試、檢修及試運行期間的操作,具備針對本系統的獨立監控能力與組態調試能力。
1.2、控制器與I/O 配置 整套控制系統配置25對冗余控制器,IO點配置規模為13000點左右。
(1)水務控制系統配置 綜合泵房、凈水處理配置1對控制器;
反滲透、化學除鹽、再生系統及化學電源系統配置2 對控制器;
每臺機組的凝結水精處理及汽水取樣配置2 對控制器; 凝結水精處理再生配置1對控制器; 暖通系統配置2對控制器;
工業廢水處理及脫硫廢水配置2對控制器。 在廢水系統中采用了profibus現場總線技術,每條總線上分別有DP、PA設備組成,DP總線包含的設備有:馬達控制器、電磁閥導、電動門執行機構等; PA總線包含的設備有:液位計、壓力變送器、流量等。替代了傳統IO點300點。現場總線方案與常規系統相比,減少了常規IO模件的使用,減少大量電纜及電纜敷設工作,能夠獲取總線設備的大量現場信息,降低了工程造價,縮短了施工和調試時間,系統可靠性高,診斷信息豐富,便于后期維護。
(2)灰煤渣控制系統配置 輸煤綜合樓、轉運站、雨水泵配置2對控制器;
輸煤碼頭、煤倉、煤場配置3對控制器;
每臺機組除灰渣配置2對控制器;
灰庫、灰公用、氨區配置2對控制器。 (3)脫硫控系統配置
每臺機組脫硫配置4對控制器,脫硫公用系統配置2對控制器。 1.3、網絡結構圖
大唐南京電廠輔網網絡結構分為三大環形網絡結構組成,幾個子工藝系統組成單個冗余環形網絡,單個冗余環網之間相對獨立,又通過交換機集聯的方式連接,形成全廠網絡。詳細分布如下: (1)水務網絡:綜合泵房、凈水、化補水、廢水、脫硫廢水、#1、2精處理及公用、#1、2機暖通及公用;
(2)灰煤渣網絡:#1、2機灰渣、灰庫、空壓機公用、輸煤(碼頭、煤場、煤倉)、電除塵通訊;
(3)脫硫網絡:#1、2機脫硫、脫硫公用。 大唐南京電廠輔控網絡圖
2、項目應用總結
2008年7月,該項目招投標結束,2009年4 月第一次設計聯絡會完成,
輔助車間集中控制包括多種多樣的控制需要,有復雜的順序控制,也有復雜的模擬量控制。傳統的PLC系統的模擬量處理能力相對較弱,而傳統DCS在完成復雜順序控制時也顯示比較繁瑣。 NT6000 DCS分散控制系統,支持IEC61131-3標準規定的五種編程語言,功能塊圖FBD、順序功能圖SFC、結構化文本ST、梯形圖LD、指令表IL。傳統PLC系統的模擬量處理能力相對較弱的一個主要標志是FBD功能塊中缺少專業化的控制模塊,而不得不使用結構化文本ST或梯形圖LD來做復雜的二次開發。NT6000的功能塊中除了標準的模擬量和開關量運算功能塊,還針對工業現場的常用需要設計了集成功能模塊,包括電動機、各種開關閥門、調門、水位測量、流量計算的功能塊,只要從功能庫中直接調出模塊,連接相關的IO測點,就可以組成功能完善的邏輯組態。 對于傳統DCS而言,一般僅支持功能模塊圖FBD組態,完成模擬量控制的能力較強,但是對于復雜的順序功能則顯示比較繁瑣。NT6000中的順序功能圖SFC是IEC61131-3標準中專門解決復雜順序功能的解決方案。SFC以自然語言的結構來描述復雜的順序過程,組態效率和可讀性都非常好。對有著大量順序控制需求的輔助車間集中控制而言,SFC組態方式是一個非常好的解決方案。 2.2、高可靠性、大容量的網絡支持全廠分布集中控制
輔網集中控制中工藝系統比較多,設備分布在全廠各個角落,整個輔網組網非常龐大,所以網絡的安全性和容量就成為輔網中的一個重要問題。NT6000的系統網絡叫做eNet,eNet是架構在兩套獨立的工業以太網上的實時數據網絡,掛接在eNet上每一個設備,包括控制器、操作站員站、工程師站都有兩個獨立的以太網口,兩套網絡相互冗余。為了冗余特性,eNet的A網和B網不是一用一備的關系,而且同時工作,每一條報文通過A網和B網同時發送,在數據接收端進行判斷和篩選。因此,eNet不存在網絡切換的時間,不會出現A網B網切換過程中的數據中斷。 為了提高NT6000的網絡傳輸效率, eNet網絡采用了基于組播技術的控制器主動發送機制,由KM940控制器根據數據的變化情況,進行主動地發送,控制器只發送一份數據,由交換機根據操作站的需求進行數據復現和傳輸。因此,隨著操作站數量的增加,網絡負荷和控制器負荷是恒定,1臺操作員站和100只操作員站,對于eNet的負荷壓力是近似的。 大唐南京電廠輔控eNet網絡中總共使用管理型工業以太網交換機17對, A\B網的交換機獨立成網。根據工藝系統的劃分,組成水務網絡、灰煤渣網絡、脫硫網絡等三大環形冗余網絡(詳見大唐南京電廠輔控網絡圖),三個環形網絡之間進行網絡集聯。 這樣設計非常適合集控系統的施工過程。電廠建設首先是進行水網的安裝調試,形成水務網絡,然后進行灰煤渣控網的安裝組建調試工作,再進行脫硫網的建設調試工作,最后各個工藝系統調試結束,將所有的網絡進行大連接,組建成為全廠輔網集中控制系統。 2.3、靈活的現場總線支持減少施工量、提升數字化水平
大唐南京電廠的建設目標是樣本示范工程,因為在設計中就決定采用現場總線技術,為同類機組的建設探索新路積累經驗。NT6000分散控制系統支持多種標準現場總線協議,提供Profibus、FF、Hart、Modbus等各種現場總線通訊接口。項目設計中在廢水系統和脫硫廢水系統中采用了profibus技術,通過Profibus總線連接了現場的變送器、執行器、閥島等現場設備。下圖是廢水#1號總線拓撲圖。 大唐南京廢水總線圖
在上圖中,Profibus的網絡分為三個部分
(1)是從總線通訊卡連出來的單DP總線,DP總線掛接了12個DP從站設備(電機、電磁閥箱),每個從站設備只有一個DP接口,為了提高可靠性,在總線設備最末端通過環形連接進入另一塊總線通訊卡,形成環形總線網;(這種方式主要是為現場總線就地設備無法實現冗余總線而設計的) (2)是掛接DP總線上的PA總線(壓力、流量、液位),PA總線掛接了4個PA從站設備。
(3)是從冗余總線通訊卡連出來的雙DP總線,雙DP總線掛接了2臺雙DP接口的電動門。(今后這種連接方式是現場總線的發展方向)
以上的系統包括了四種設備,31個總線型智能設備,包括了電動機保護單元、電磁閥箱、變送器和智能型電動門,替代了傳統IO點300點。系統的總規模雖然不大,但是已經能夠代表每一個現場總線分支的完整應用。如果我們將廢水系統的方案,進行平臺的擴展,就可以構成一個完整的基于現場總線的控制系統。 綜上所述,NT6000分散控制系統在大唐南京電廠輔助車間集中控制的成功應用,是DCS應用于大型火電廠輔助車間集中控制的一個成功的嘗試。NT6000所具有的靈活的組態方式、高可靠性大容量的網絡為采用DCS技術實現輔助車間集中控制創造了有益技術條件。Profibus現場總線的應用,為今后輔助車間的發展方向提供了有建設性的參考。該項目從2010年8月投運以來,系統運行穩定,操作簡單,維護工作極少,獲得了用戶的好評。