超超臨界百萬千瓦機組

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超超臨界百萬千瓦機組HOLLiAS MACS現場總線控制系統在超超臨界百萬千瓦機組的應用，現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網絡等綜合技術為主要內容，既是一個開放通信網絡，又是一種全分布控制系統，它適應了工業控制系統向數字化、分散化、網絡化、智能化發展方向。

目錄

案例背景介紹

1、 引言

現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）以智能傳感器、控制、計算機、數字通信、網絡等綜合技術為主要內容，既是一個開放通信網絡，又是一種全分布控制系統，它適應了工業控制系統向數字化、分散化、網絡化、智能化發展方向。當前1000MW級超超臨界機組已成為國內火電建設的主流，由於超超臨界機組壓力、溫度等參數較多，控制對象複雜，能否提供安全可靠的控制和調節，是大型機組DCS面臨的主要挑戰。雖然國內和利時、國電智深等DCS設備製造商已經擁有了常規百萬超超臨界機組的成功應用經驗，但大規模現場總線控制技術目前還沒有在百萬機組成功投運的業績。

案例實施與應用情況

2、 系統概況

某電廠擴建兩台超（超）臨界1000MW燃煤發電機組，三大主機由東方電氣集團製造，鍋爐採用一次中間再熱、單爐膛、平衡通風、對沖燃燒方式Π型變壓直流鍋爐，汽輪機採用一次中間再熱、四缸四排汽、單軸、抽凝式汽輪機。單元機組和脫硫DCS控制系統採用杭州和利時HOLLiAS MACS V+SM220系統，採用四機一控模式，實現一鍵啟停。DEH、MEH、METS、FMEH、FMETS控制系統一體化，控制規模超過12000點，其中主機總線設備達到1000台以上。共配置39面現場總線櫃，152根光纖，共分配83個PA網段，71個DP網段，其中鍋爐側47個PA網段， PA設備222台，43個DP網段 ，DP設備432台；汽機側36個PA網段，PA設備219台，28個DP網段，DP設備223台。總線設備約占整個控制設備的60%，是國內現場總線應用最廣泛的項目之一。

2.1 系統網絡

DCS網絡採用實時數據通訊的P-P單層網絡結構，如圖1所示。實時數據通訊服務由數據需求方（操作員站）與數據的供給方（控制器）直接通訊，系統內配置一對冗餘的歷史站為整個系統提供報警服務、歷史數據服務和其他服務。MACS-SM控制站集成PROFIBUS現場總線，冗餘的主控制器與操作員站、工程師站點對點連接，控制器通過冗餘的現場總線與IO從站、DPY-LINK、DP/PA LINK設備相連，現場總線將智能儀表、執行機構、高低壓智能保護裝置及電磁閥接入DCS系統，實現機組操作及設備信息管理。系統具備數據採集、運算與處理、邏輯組態與下裝、畫面監視與控制等多項功能。輔助控制系統集中在機組集控室管理，脫硫進入主機DCS系統，實現了一體化監控。

2.2　控制器分配

控制器按照以工藝系統為主，兼顧控制功能的原則進行合理分配。冗餘的系統分布在不同控制器，獨立的系統分布在同一控制器，既保證冗餘性，又保證獨立系統的完整性，起到信息共享、減少站間引用和系統通訊任務量的作用，能夠優化系統、降低網絡負荷率、降低系統風險以及降低維護工作量。單元機組總共35對控制器，其中鍋爐20對、汽機14對，電氣1對，公用2對。

2.2 總線結構

控制器通過冗餘的現場總線與IO從站、DP Y-LINK、DP/PALINK設備相連，DP Y-LINK、DP/PA LINK在上級網絡中作為從站，在下級DP總線系統中作為主站。DCS主控櫃與總線櫃採用光纖連接，對於1個主控櫃到多個總線櫃的連接，網段間採用DP中繼器進行隔離（見圖2）。DP網段中冗餘DP設備採用DP中繼器連接，並進行網段間隔離，單DP網段採用DP/Y設備連接，冗餘DP和單DP網段採用DP中繼器進行隔離。通信速率9.6k～12Mb/s，主要用於電動門、電磁閥、電動機、分析儀表等開關量和複雜設備。PA網段採用DP/PA設備連接，通信速率31.25kb/s，能給總線供電，主要用於變送器、定位器等模擬量儀表和設備。現場總線拓撲方面，支持現場總線通訊卡件本地、遠程安裝，遠程安裝通過光電收發器實現樹型拓撲。

3　系統問題分析與處理

3.1　數據運算與顯示不一致

機組啟停機、試驗等工況下，由於參數不滿足等條件限制，需要在邏輯中對某些信號進行強制。調試過程中發現，在組態軟件中操作人員對數值變量修改後不下裝到控制器，啟動動態時顯示正常，被修改的數值變量動態顯示的是修改後的數值，但在邏輯運算中實際使用的卻仍然是修改前的數值，該問題存在較大的安全隱患。如果組態人員進行強制賦值後忘記下裝控制器，啟動動態查看參數無異常後進行試驗啟停設備，由於顯示的數據和實際參與運算的數據不一致，必然導致設備誤動作。目前該問題還沒有從技術角度解決，主要通過規範操作、加強監護等管理方式避免。

3.2　趨勢曲線功能不豐富

趨勢曲線可以分屏顯示，如顯示兩個、四個等不同數量窗口曲線，但是卻不能全屏顯示，也沒有按照系統列出曲線組功能，只能通過操作人員添加曲線組和曲線，並且不能使用鼠標在曲線組裡選取曲線，對某系統進行試驗、故障分析時需要手動操作，不便於迅速地進行曲線分析。現有曲線的最小分辨率是1秒，可以以曲線或者數據記錄等方式查看，但控制器運算周期為100毫秒，ETS、METS等重要系統運算周期甚至為50毫秒，系統及設備故障時部分變量在1秒內已經發生了一次或多次變化，而趨勢曲線往往不能有效記錄當時的正確工況，給事故分析帶來較大的不便。

HOLLiAS-MACS系統使用了「域」為基礎單元的管理模式，「域」主要區分不同區域的工藝和設備，如鍋爐、汽輪機、脫硫、公用等區域熱力工藝設備。「域」間信號的傳遞需要使用域間變量或硬接線的方式來完成，不能在畫面中將不同「域」的變量組在同一個曲線中進行分析比對。

3.3　通信與軟件功能不完善

畫面及組態軟件中變量命名不規範。為了工程組態方便，和利時使用一套自有的變量命名規則，主要根據變量所屬的區域、系統進行流水編號。DCS畫面變量窗口上方能明顯地顯示編號，但KKS編碼等與設備息息相關的信息只顯示在「點詳細參數」列表中，在操作和檢修設備時需要認真核對設備信息，否則容易誤操作。另外，在DCS畫面現場總線拓撲圖中設備顯示狀態不清晰明確，拓撲圖中設備運行、停止、故障等狀態沒有通過顏色變化等方式加以區別，只有屬於該設備的信號，如開關狀態、故障、力矩等信號有報警，不利於設備巡檢和異常檢查。組態軟件中打開報表組態會造成整個工程組態軟件退出。

驗收測試時發現，冗餘DP現場總線設備單口網絡故障時操作員站無報警，在DCS系統的HAMS設備管理軟件中，PROFIBUS總線設備也無報警和統計功能，PROFIBUS總線設備無法通過工程導入的方式在HAMS管理軟件中進行配置和參數修改，造成設備掃描慢（10台設備約1.5min），為總線設備管理和故障診斷帶來困難。

由於現場總線設備的類型和廠家眾多，用戶的GSD文件和設備內部固件處理出現不一致，導致通訊失敗，產生了DCS系統與總線設備兼容性問題。調試時和利時公司利用其測試平台對SIPOS、EMG等電動執行機構及KM超聲波液位計、Rosemount壓力變送器等設備進行了兼容性測試，發現SIPOS電動執行機構測試中存在數據跳變、部分設備無法通訊等現象。為有效解決該問題，系統軟件除了必須提供靈活的參數設置選項、用戶可以根據實際通訊狀態對默認值進行修改外，還要完善GSD文件解析，收集GSD文件進行兼容性測試。

3.4　變量中文注釋不能更改

在組態軟件中，各種設備、測點或功能模塊注釋是DCS邏輯組態的一項重要內容，有助於使用者閱讀組態邏輯，理解控制策略。本版本的軟件中，可以根據數據庫中該設備、測點或功能模塊信息，在邏輯組態方案頁變量前自動生成中文注釋並且不能更改。組態軟件中手操器、PID運算器等模塊具有不同功能的引腳，組態時可以使用「功能塊—引腳」的方式進行邏輯連接，由於系統功能的限制，使用「功能塊—引腳」的方式進行組態時，只是自動生成了「功能塊」的中文注釋，對具體功能的「引腳」不區分，導致組態中大量使用的手操器、PID運算器自動、手動、輸出等不同功能引腳註釋全都一樣，給邏輯閱讀造成很大的干擾，目前通過手動再增加中文注釋的方式解決。

3.5　控制器負荷升高

採用單層P-P網絡結構後，各個操作員站不再依賴於實時數據服務器，系統沒有實時服務器的瓶頸限制，各個節點的故障不會影響其他節點，提高了系統的可靠性與安全性。但是，實時數據服務功能下移至控制器後，控制站需要直接對各操作員站分別提供數據服務，使得控制器的負擔加重、負荷加大。通過在控制器讀取約20000點模擬測試發現，與和利時兩層Client/Server網絡結構相比，控制器負荷最高提升了3%左右，控制器負荷在20%到31%之間。雖然各項性能指標都滿足要求，在沒有經過機組運行惡劣工況的檢驗，限制控制器負荷升高的問題仍需要關注。目前採取了限制直接與控制器通訊的操作員站個數、優化操作員站數據請求數量、提高控制器CPU配置的方式進行解決。

3.6　機櫃電纜布線不規範

機櫃總線電纜布線和隔離方面，主要存在220V電源接線連接時沒有很好地與通信電纜分線槽布置，存在交叉的現象。機櫃無電源和溫度監視、DP電纜屏蔽層連接不當。現場總線機櫃由於設計的不合理，導致光纖接線盒及光電轉換器應在模件櫃及通信櫃中擺放布置不寬裕，光跳線連接容易有死角，鎧裝光纜與光電轉換器之間存在互相擠壓，機櫃內部分DP及PA電纜餘量過大，導致電纜在線槽內摺疊或彎曲夾角小於90度，現場總線電纜屏蔽層出現外露等情況。上述問題通過優化設備布置、合理預留電纜長度等方法已解決。