DCS一体化改造应用的实践与分析

DCS一体化改造应用的实践与分析

唐,新

（广州环投云山环保能源有限公司，广东，广州，510540）

摘要：文章介绍了全厂多种控制系统并存时存在的问题，对DCS系统、PLC系统及汽机DEH系统等各自独立控制方式的特点进行了分析，并提出DCS系统全厂一体化改造的建议和改造过程需注意的事项。

关键词：DCS一体化改造  PLC  DEH

中图分类号：TK323

0. 引言

随着自动化控制技术的不断发展，分散控制系统（DCS）已在电力、化工、环保等行业领域广泛应用，由于DCS系统组态灵活，功能完善，一般都是各种大型电厂的主要控制系统，而PLC系统由于结构简单，成本低廉，一般作为一些小型系统或辅助系统的控制使用，而且经常通讯在DCS系统上共同使用。

1. 概述

垃圾焚烧发电厂作为21世纪以来国内迅速普及的新兴行业，其必定选择DCS系统作为全厂的主要控制系统，用以操控全厂所有主系统设备，但垃圾焚烧发电是一个工艺要求高且操作流程复杂的生产过程，其配套设备除了主系统设备，还包含了大量的辅助系统设备，各个辅助系统相对主系统而言，结构相对简单，设备比较集中，控制方式单一，因此为安装方便和节约成本，在辅助系统出厂及安装之前，厂家习惯给各辅助系统配置一套PLC系统，以单独控制该辅助系统设备，在安装过程再将该PLC与DCS系统进行通讯，以实现远方监控。至此，当全厂类似的PLC系统数量越来越多，问题也随之而来。

以下以某垃圾焚烧发电厂（三炉二机）为例，介绍DCS系统与大量PLC系统并用的结果，以及DCS一体化改造的方案设计和注意事项。

2. 全厂控制系统组成方式

某垃圾焚烧电厂配备3台焚烧炉和2台汽轮发电机组，是国内规模最大的垃圾焚烧发电厂之一，该厂主控制系统采用某品牌DCS系统，辅控系统大量采用西门子PLC S7-200或S7-300搭建而成，DEH采用汽轮机厂自带控制系统，ETS采用施耐德PLC。

2.1  DCS系统共设9组控制器，分别为#1炉、#2炉、#3炉、#1ACC、#2ACC、#3ACC、#1机、#2机及公用系统。

2.2 由于垃圾焚烧及烟气净化工艺复杂，全厂各辅助系统众多，具体包括烟气脱酸、SNCR、蒸汽吹灰、脉冲吹灰和布袋除尘。在该厂投建过程，各子系统安装厂家考虑安装方便和节约成本的目的，各辅助系统在出厂便自配一套PLC系统（以采用西门子PLC S7-200或S7-300系列为主），现场设备安装完毕之后，再将PLC系统与DCS系统实现通讯即可。

2.3 全厂2台汽轮发电机组为国内某汽轮机厂出产，所配控制系统为汽轮机自主研发的控制系统，ETS保护系统也是汽轮机厂配置的施耐德PLC系统，DEH、ETS系统与DCS系统使用硬接线相连，实现汽机与全厂主系统（DCS）联通。

2.4 全厂电气ECS系统与DCS系统进行通讯，保证ECS系统可以实现锅炉、汽机等主要电机类设备的正常操作和状态显示。

2.5 三台炉CEMS系统及数采仪对应锅炉控制器进行通讯，实现炉温、污染物数据的互传。

2.6  SIS系统也与DCS系统进行通讯，实现DCS系统所有数据传输至SIS系统，保证集团和公司可以远程查看DCS数据。

全厂控制系统网络图（一体化改造前）如图1所示。

图1  全厂控制系统网络图（一体化改造前）

3. 目前全厂控制系统存在的问题

3.1 DCS系统

全厂DCS系统由于建设年限较早，DCS选型配置较低，控制器负荷等参数瓶颈给控制和维护带来极大制约，系统稳定性差，影响了机组的安全稳定运行。

3.2 PLC系统

由于焚烧工艺复杂，每台炉都各自配置了SNCR、蒸汽吹灰（2套）、脉冲吹灰（2套）、布袋除尘共计6套PLC系统，公用部分还有脱酸系统PLC，且各系统PLC型号也不统一，导致以下众多问题。

3.2.1 现场辅助系统PLC众多，造成DCS系统与大量的第三方PLC通讯，通讯速率低，数据响应慢。

3.2.2  PLC系统的CPU、网络及电源都是非冗余配置，可靠性低，严重影响机组的安全、稳定运行。

3.2.3  PLC系统型号不统一，提高了备品备件的采购成本，同时也增加了检修人员的操作维护难度。

3.2.4  PLC系统组态编辑、历史查看等众多功能，不够灵活性和便利，无法和DCS系统相比，给运行和检修人员带来大量不便。

3.2.5  PLC系统虽然和DCS系统通讯，但不属于DCS主网络架构，PLC系统异常也无法通过DCS系统自检过程发现。

3.2.6  各辅助系统设备都安装在生产现场，PLC系统一般都伴随在本系统设备旁边，而很多生产现场过于狭小不便为PLC增加隔间和安装空调，于是高温成为最常见引起PLC系统故障和降低使用寿命的因素。DCS硬件在环境温度耐受方面明显比PLC要强出许多，近年来各DCS品牌硬件在恶劣环境中运行的能力大幅提升，环境温度耐受普遍达到-20℃~70℃之间。

3.3 DEH及ETS系统

汽机的DEH系统及ETS系统为汽轮机厂自带控制系统，软件功能不强，且硬件故障率高。

3.3.1 汽机DEH系统采用的控制系统，为汽轮机厂自主研发，结构和PLC系统类似，虽有电源和网络冗余，但自成一体，拥有独立的控制器和上位机，和DCS系统采用硬接线方式连接，其所有配件和DCS配件无法通用。

3.3.2 独立的DEH系统和ETS系统，其组态编辑或历史查看等功能设计不够完善，无法DCS系统相比，且和DCS系统不在一个网络，无法在上位机上互相切换。

3.3.3 独立DEH系统和ETS系统稳定性差，故障率高，硬件性能和使用寿命无法达到DCS系统设备水平。

3.3.4 现在国内市场的主流DCS品牌中，许多品牌早已将DEH、ETS系统与DCS一体化，并且与国内各主要汽轮机生产厂家都有长期合作，技术已非常成熟，其一体化的DEH、ETS系统比汽轮机厂家自产的系统也不逞多让，且硬件质量、软件功能更佳。

随着DCS系统控制技术的日趋完善和不断发展，类似的DCS一体化改造项目，技术上已非常成熟。通过DCS一体化改造，各就地PLC系统可以全部设置成新DCS 系统的远程I/O模块，这些就地的远程I/O模块负责实时信息的采集和控制指令的输出，它们用光纤或者双绞线和集控室的DCS系统相连，从而可以节省大量控制电缆［1］。DEH系统进行DCS一体化改造，可以大幅提升硬件性能的可靠性和软件功能的灵活性，方便运行人员操作及检修人员维护，后续进行控制逻辑修改或卡件增加也非常方便，设备的运行安全性也得到极大的提高，考虑到全厂控制系统的重要性，进行DCS一体化改造是最好的选择。

4. 设计DCS一体化改造方案

进行全厂DCS一体化改造，需要统计现有信息，确定改造范围，再设计改造方案。

4.1 统计现有控制系统点数

4.1.1 将现有的DCS 9组控制器分别统计，每组控制器占有几个机柜（包括远程机柜），每个机柜内各类型点（AI、AO、DI、DO点）分别有多少个，然后进行数据汇总，统计出每组DCS控制器已使用点的具体数量。

4.1.2 将各辅助系统PLC所含的点数量进行统计，并统一汇总。

4.1.3 将汽机DEH与ETS系统的点数量进行统计，并统一汇总。

4.2 设计新DCS控制器分配方式

根据原有DCS与PLC系统，按单元制进行分配，全厂DCS一体化改造后大致共分厂6个单元系统，即#1炉、#2炉、#3炉、#1机、#2机、公用系统，然后根据每个单元系统点数配置新DCS系统控制器数量。

4.2.1  #1炉原DCS系统（指原#1炉控制器和#1ACC控制器）、#1炉PLC系统所有点全部归纳到新DCS里#1炉控制器下，但新DCS每组控制器下所能容纳的点数有限，可以将#1炉下设置几组新控制器，以容纳所有#1炉相关的点。例如#1炉原DCS系统包括锅炉及ACC共2组控制器，#1炉相关的各辅助PLC系统包括SNCR、蒸汽吹灰2套、脉冲吹灰2套、布袋除尘共计6套PLC，所以 #1炉按新DCS每组控制器容量，需配置3组控制器来容纳原所有控制系统（指原DCS+PLC），配置过程需考虑就近原则，相距较近的系统尽量分配到一组新控制器下。#1炉单元控制系统设备分配到3组新控制器下，具体如表1所示（3台炉同理）。

表1  #1炉控制系统改造统计表

4.2.2 汽机控制系统改造方式和锅炉类似，原系统每台汽机含有4个系统，即汽机系统DCS（1台机1组控制器）、1套DEH系统、1套ETS系统、1套TSI系统，TSI系统保留不变，直接用硬接线接入新DCS即可，不在本次改造范围内，所以一台汽机系统配置成2组新DCS控制器，具体如表2所示（2台机同理）。

表2  #1机控制系统改造统计表

4.2.3 公用系统原有1组DCS控制器、1套公用脱酸PLC系统，因点数过多，并考虑到公用系统所有设备分配到3组控制器下更为安全，所以公用系统配置成3组新控制器，具体如表3所示。

表3  公用控制系统改造统计表

4.3 统计与新DCS进行通讯的系统

DCS一体化改造过程中还有一些独立系统无法实现DCS一体化，需继续独立并与新DCS系统保持通讯，在这种情况下，就必须采用这些独立系统和新DCS都支持的通讯协议完成通讯。

4.3.1 电气ECS系统：由于ECS系统是一套电气独立控制系统，且十分重要，所以DCS一体化改造过程，重新建立与新DCS（对应公用控制器）的通讯即可，通讯数据、功能一切照旧。

4.3.2 CEMS系统及数采仪装置：每台炉CEMS系统及数采仪与新DCS（对应锅炉控制器）需重新进行通讯，实现炉温、污染物数据的互传。

4.3.3 SIS系统：实现SIS系统与新DCS通讯，保证集团和公司可以通过SIS系统远程查看DCS数据。

4.3.4 垃圾吊：实现垃圾吊PLC与新DCS通讯，保证垃圾吊系统数据与新DCS系统实现互传。

综上所述，设计出的全厂控制系统网络图（一体化改造后）如图2所示。

图2  全厂控制系统网络图（一体化改造后）

5. DCS一体化改造的注意事项

5.1 前期准备工作

5.1.1 改造前期的准备工作非常重要，需提前准备原DCS系统和各PLC系统的机柜接线图纸、I/O清单、外部通讯清单、逻辑备份、工艺说明等等。

5.1.2 与施工单位及DCS厂家召开联络会，讨论改造计划及施工方案。

5.1.3 要求施工单位及DCS厂家按时完成施工方案发布、组态逻辑编写、图纸资料设计，并提前交于业主方各专业专责检查核对。

5.1.4 DCS系统设备到货、验货，待具备施工条件后进厂施工。

5.2 改造接线方式

整体工艺方式采用原DCS机柜利旧、大部分的PLC机柜利旧，拆空其中的控制器、电源、卡件等电子元器件，保留端子排，IO电缆利旧，最大程度的降低施工难度，缩短施工周期，提高一次恢复接线的准确率，从而达到节约成本和降低施工风险的目的。

另外部分原有仪控柜内的热控回路和电气二次回路交叉布置、结构复杂，需进行梳理和剥离，可通过转接端子将控制回路从电气二次回路机柜内分离，使得改造后的运维安全性和便利性得到极大提高。

相隔较近的几套PLC系统利用端子和电缆转接的方式，汇总在一个DCS控制柜内，最大程度的集中控制卡件和接线。

5.3 一次性改造或分步改造

5.3.1 一次性改造方式

一次性改造方式是指结合全厂全停检修，即全厂控制系统全停，来配合DCS一体化改造，一次性将所有单元全部改造成新DCS系统，并完成DCS一体化改造的所有工作。

5.3.2 分步改造方式

分步改造方式是指全厂无法全停配合DCS一体化改造，只能轮流停1台炉或1台机等某1个单元的方式配合改造，改造某1单元过程，其它单元设备还需继续运行。

此种改造方式比较麻烦，虽然1个单元内的设备改造相对集中，但免不了会与其它运行单元（还未改造）的一些关键数据的有逻辑计算的关系，这时只能进行新、旧DCS系统的临时通讯，保证这些关键数据能够互相进行传输及计算；同时，新、旧DCS系统也是同步运行，运行人员也需同时控制新、旧系统上位机电脑，这对运行人员操作也会造成一定不便，这种不便的情况需持续一段时间，直至改造全部完成后，才能彻底解决。

5.4 MFT及DEH

如果觉得原MFT跳闸回路设计不够完善，可以结合DCS一体化改造对MFT系统进行完善，现在很多DCS品牌可以提供MFT硬跳闸板，具有交流或直流MFT继电器输出，同时DCS系统的软件也有MFT动作输出至跳闸板，完成MFT软件联动，从三重冗余角度最大限度的保证了MFT动作的可靠性。

原汽轮机厂家设计的DEH系统逻辑不够完善，可以结合DCS一体化改造，在更换一体化DEH硬件的同时，对其逻辑组态进行优化，现在国内一些DCS品牌的DEH技术非常成熟，并且和几大汽轮机厂合作紧密，对各型号汽轮机的逻辑组态设计非常完善。

6. 结束语

DCS系统进行全厂一体化改造，采用更先进的DCS控制技术，可以有效提高全厂自动化控制水平，消除各子系统与主系统之间的通讯故障风险，提高硬件质量，也有利于全厂控制系统备品备件统一，降低检修维护成本，方便运行人员监控，降低操作难度，大幅提高全厂机组设备的运行安全、稳定性。

本文参与广州环投云山环保能源有限公司2021年度科研项目《DCS系统控制性能技术研究》（项目编号：KYXMYX-2021-015）。

参考文献：

［1］ 苏志辉. 从化垃圾焚烧发电厂DCS系统全厂一体化应用. 《科技创新与应用》，2017年第7期

作者简介：唐新（1981出生），热工中级工程师，主要从事生活垃圾焚烧发电厂热工及自动控制等相关工作。