浅谈国产DCS控制系统在进口9F级燃机上的应用

浅谈国产DCS控制系统在进口9F级燃机上的应用

李明慧

大唐海口清洁能源发电有限责任公司  海南省 海口市570100

摘要：经过近 20 年来的发展，大型火力发电厂中的应用中，国产 DCS 已取得了优异业绩，已经达到或接近国际先进水平，国产化DCS 满足9F级燃机控制系统的要求。目前，国内 9F 级燃机基本使用进口 DCS 控制系统，存在国外断供隐患，系统可靠性不高，项目将打破常规，除了燃机和汽机 DEH 控制，全部采用国产 DCS。国产DCS能够完全满足控制功能，并能实现机组自启停，DCS完全瘫痪时，按“故障安全”的原则保护人身安全和设备安全，实现紧急停机、停炉。

关键词：9F级燃机、国产DCS、应用实施

一、目前国产DCS控制系统可靠性及先进性水平

分散控制系统的模件模件均通过了严格的电磁兼容测试，符合三级标准，局部达到四级标准。支持冗余环型或冗余星型网络拓扑结构;支持8个网络域连接，每个网络域最多连接64对控制器和64个操作站点，所有网络节点间的数据传输不需要通过服务器传递。网络域间通过三层交换机或路由器实现数据安全传输，任意网络域间数据通讯的权限和数据流向均可设置。每个网络设备都具有两个独立的完全隔离的网络接口，冗余网络同时工作，发送的数据在接受端进行数据过滤和冗余处理，如果发生网络切换，切换时间等于零，在数据应用上没有中断和延时，因此，不存在网络冗余切换问题。eNet网络采用基于组播网络通信技术，分布式网络管理系统自动监视网络变化及管理过程数据通信任一eNet网络节点可以随时下线和上线。eNet上所有控制器节点采用基于例外报告式的主动发送机制，由控制器根据数据的变化情况，进行主动地发送。无论有多少台操作员站，控制器只发送一次数据。在设有10台全功能站的DCS中，分散控制系统网络负荷为传统方式的1/10，而控制器的通讯负荷也为传统方案的1/10，而且随着操作站数量的增加，网络负荷和控制器负荷保持恒定。恒定的低负荷带来的更好的任务确定性和更高的可靠性,同时又提高网络通讯的速度，分散控制系统的操作响应周期小于700ms，大大优于行业标准2.5s。所有的MMI站均为全功能操作站，根据权限可以随时变更为一般操作员站，工程师站，历史站等，所有MMI站均互为热备用。分散处理单元采用3处理器结构，包含32位400MHZ CPU核心(具备64位双精度浮点运算单元)和32位200MHZ通信核心;冗余IO处理器采用32位100MHz低功耗处理器，因此，具有更强的通讯处理能力和环境适应性。具有分布式SOE系统，任一I0分支下的DI模块(包括远程分支)的任一通道均可配置为SOE通道。任一SOE通道触发模式可以选择上升沿、下降沿、双边沿三种模式。eNet网络上所有节点间SOE分辨率<1ms。冗余控制器采用软硬件容错设计，运行过程中采用控制器同步执行，主控制器允许输出指令的方式，采用创新的例外报告式高可靠性冗余策略。在大型复杂系统中，DCS的管理往往随着规模的增大变得困难，虽然各个模件都设计了自诊断功能，但是缺乏直观有效的管理界面，只有在两只冗余部件全部损坏之后，才会引发有后果故障，因此自诊断界面的设计也直接关乎DCS的可靠性。I/O通讯总线具有本地与远程两种通讯模式，总线通讯速率为3.125Mpbs,为单层多路并行分支结构。每个(对)控制器本地通讯接口最多支持12个I/0分支共96块模件，远程通讯支持最多12个远程站点，每个远程站点最多支持6个1/0分支，总计支持最多24个分支共192块I0模件。eBus单层多路并行分支结构中各分支相互电气隔离，每条分支的电气故障不影响其它分支的正常运行，可靠性更高。设计了直观易懂的系统诊断画面，将每个控制器、1/0卡件、操作员站的自诊断信息进行收集，集成处理和显示。一旦出现风吹草动，系统诊断画面将直接指出出现问题的部件，引导维护人员进行维修。故障的过程都会产生详细故障记录，便于事后分析。目前国产DCS采用了高性能的PowerPC芯片，控制器最快控制周期为5ms; 控制器与1/0卡件采用eBus直接通讯，12个本地分支满负荷配置下读写I/O数据的时间在10ms以内;控制器采用eNet协议降低了通讯负荷，提高了通讯速度，读写控制网络的时间在200ms以内。控制器以100ms的周期运算1000个PID来测试，仅占用2%的运算负荷。强大的运算能力能够实现控制工程师的各种先进的控制算法和完善的逻辑设计。

二、国产DCS系统总线解决方案及设计原则

分散控制系统拥有在智能现场仪器、仪表之间连续的利用数字通信实时的交换过程信息和设备诊断信息的能力，冗余总线采用光纤连接模块扩展连接，总线连接尽量靠近连接设备，使各总线网段连接时，无需使用中继器。

总的来说有以下基本原则:距离较远或干扰较大时，采用光纤电缆连接，通过光纤连接模块实现。通讯电缆(光纤和屏蔽双绞线)应该冗余，以保证整个控制系统的可靠性。对于带冗余接口的现场设备，可直接连接到冗余的现场总线;对于只带一个接口的现场设备，通过在现场安装相应的连接设备，可将其连接到冗余的总线上。需要根据网络的配置考虑就地网络连接设备(如光电转换器，转换设备)的供电。不宜采用现场总线的场合:要求时间分辨率小于1ms的事件顺序记录(SOE)的测点汽轮机紧急跳闸系统(ETS)汽轮机数字电液调节系统(DEH/MEH)其他要求快速控制的系统，如:发电机变压器组及厂用电源等。

三、国产DCS和燃机 TCS 数据通讯

通讯方式为硬接线加 OPC 通讯,单元机组控制系统由机组联合循环控制系统DCS、燃气-蒸汽轮机控制系统TCS组成，DCS应用软件安装在 Win10 系统上，并安装、注册,OPC应用后，远程主机通过OPC客户端工具，为了获得DCS测点实时值，需要分别在服务器侧、客户端侧进行相关配置才能实现。OPC服务器主机无特殊要求，按 NT6000 操作站要求的硬件配置，通过第三网卡与 OPC 客户端网络链接。

四、实施方案：

1、工程总体设计安排讨论，初定项目整体计划；确认全厂控制系统网络。2、确认电源、网络、接地方案、确认控制器分配方案。3、根据设计院提资进行清册排布，机柜设计等。  4、确认DCS画面风格；DCS控制逻辑讨论；讨论与燃机、汽机系统的接口数量及方式。5、DCS逻辑组态。6、DCS控制机柜出厂验收。7、DCS系统现场上电、调试等。8、DCS系统联调。 9、DCS系统根据要求进行试验。10、试验完成。11、出具DCS系统测试报告等 。

五、结语

国产 DCS 已达到或接近国际先进的水平，支持国产DCS的发展，实现DCS 国产化。将联合循环燃气电厂打造为高效率、高可靠性和高可用率的燃气-蒸汽联合循环机组典范，为推动能源行业稳健发展，助力国家能源安全战略贡献更大力量！

参考文献：

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[4]傅国轩.格尔木燃气电站DCS系统的设计与应用[D].西安理工大学,2007.

[5]殷昭华.基于国产新华 DCS 的燃气－蒸汽联合循环机组自动控制系统的设计,上海交通大学学位论文,2007.