火力发电厂辅助机电设备控制系统设计研究摘要:火力发电厂众多的辅助机电装备的自动化控制已经成为火电辅机控制系统设计的一个重要方面,本论文主要结合火电辅机的控制需求及技术要求对火电辅机控制系统进行了分析设计,给出了辅机控制系统的总体设计结构方案与功能模块,在此基础上重点探讨了辅机控制系统的实现,从基于硬件的下位机控制实现与基于组态软件的上位机开发实现两个角度详细论述了火电辅机控制系统及其集中监控网络的实现,对于进一步提高火电辅机系统自动化控制水平具有一定借鉴和指导意义。

关键词: 火电辅机系统自动化控制集中监控网络1 引言随着我国经济的发展,能源、钢铁、交通等基础设施建设得到了前所未有的巨大发展,对国民经济发挥着极其重要的作用,然而自动化程度不高越来越成为制约经济进一步发展的瓶颈,其中电能尤其显得特别突出。

在大力发展电力行业的同时,以集散控制及工控机技术为核心的电厂生产过程自动控制技术也得到了空前的发展,并逐步成熟起来, 普及到输煤、化水及除灰、脱硫等电厂的辅助系统。

本论文主要针对火力发电厂的设备特点和自动化控制的需求, 对火电辅机控制系统进行分析研究,以期从中找到可行有效的火电辅机控制系统设计及自动化控制设计方案, 并以此和广大同行分享。

2 火电辅机控制系统总体设计2 . 1 系统功能设计系统功能设计如下, 包括: 数据采集、控制运算、控制输出、设备和状态监视、报警监视、远程通信、变量的趋势和历史显示、日志记录、报表生成、事件顺序识别、图形显示、控制调节、顺控设备等。

(1)数据采集:完成实时模拟量、开关量的实时数据采集功能, 系统扫描周期为15 ms ;用于控制的点,系统扫描周期一般为5 0 ms :开关量S O E扫描周期为l m s。

( 2)设备和状态监视:从操作员站上可监视到系统本级以下的所有硬件的状态,特别是通过现场控制站可以监测到F O模件一级的设备, 采用带P r o f i b u s - D P 、Co nt rol Ne t等现场总线设备还可以检测到通道一级; 还可以诊断到各节点、打印机、网卡的故障。

( 3)报警监视:系统报警监视的内容包括工艺报警和一般故障两种类型。

工艺报警的对象来自现场采集站采集的外部变量、内部计算处理的变量、由网络或串行通讯接收的来自其它系统的变量。

一般故障报警反映系统本身及其相关设备故障以及某些特定事件, 并提供故障的详细信息。

( 4)远程通信:系统可以通过各种通讯控制模块与其它系统进行通讯, 也可以通过现场控制站主控模块的多功能接口卡使用R S - 2 3 2、R S - 4 8 5等协议与其它系统进行通讯, 在不方便连线的场合还可以用无线通讯模块进行无线通讯。

使用光纤可以轻易将通讯距离扩展到几千米。

( 5)变量的趋势和历史显示:系统的历史数据库可按照模拟量扫描周期和开关量状态变化保留一段时间内的所有点历史数据和事件,在此基础上,各种软件系统都支持变量的成组跟踪显示和历史显示。

( 6)日志记录:日志功能是按时间顺序自动记录、存储和查询运行过程中发生的各种随机突发事件的功能, 为运行人员提供事故分析的详细依据。

包括所有模拟量超限报警、超量程; 开关量状态改变、开关量抖动; 计算机系统故障、电源故障; 人工操作记录等,并可形成报表输出。

( 7)图形显示:模拟流程图以图形方式表现现场的主要工艺流程和有关的动态信息,并具有对动态点进行操作的手段。

模拟流程图组态功能中,用户可以用绘图工具生成各种对象,并将其加入对象库中。

也可以从对象库中直接调出已有的对象。

每个对象既可以作为对现场情况的显示, 也可定义为对某些现场对象的操作。

( 8)报表打印:报表大致分为定时报表和实时报表。

定时报表一般用来在规定的时刻打印生产过程的操作记录和统计(求和、平均等) , 主要用来取代操作工的抄表工作。

实时报表则用来随机打印某个时刻的报表或者历史报表, 它由人工触发。

2 . 2 辅机控制系统总体设计方案根据辅助系统的地理位置和功能不同,火电辅控系统一般分为水、灰渣、输煤、脱硫四个域, 每个域设一对冗余分支交换机, 各个域内的辅助车间以控制站或远程I/ O方式的接入各个域,其目的将全厂辅机的控制系统(包括脱硫控制系统)组成一个完整的辅助系统集中控制网络, 使全厂自动化控制系统的结构清晰、功能明确。

运行人员可在集中控制室内的辅助系统集中控制网络操作员站上对各系统进行集中监控。

由于辅助车间设备分散,分布面广,为了系统调试和启动初期方便,在就地可预留各辅助系统的工程师站接口, 可在就地调试、操作。

顺便提一下, 工业控制系统硬件一般使用P L C 或者D C S系统硬件(其实这两个不是一个概念, P L C以功能命名,D C S以体系结构命名,但实际中都是这样把它们放在一个层面上) ,总体而言,P LC的顺序控制功能强些,模拟量处理偏弱,通讯中设置和维护较复杂, D C S顺控比较差些,但是开放性比较好,便于扩展,控制方案更新方便,模拟量处理能力较强。

所以一般象脱硫这样模拟采集点多, 存在大量过程自动化控制的场合,都是采用D C S系统,规模稍小些的, 顺序控制占大部分的如除灰系统,都是采用P L C来做。

近几年随着技术的革新, P L C和D C S系统之间的边界越来越模糊,尤其是P L C的发展比较快,很多以前不怎么适用的场合都可以很好的胜任了,反倒是D C S由于各厂商比较封闭,发展慢些。

不过不论采用何种系统, 都可以用统一的通讯协议, 无缝地连接到辅助系统集中控制网络(以下简称辅网)中去,再往上纳入厂级管理信息系统( M I S )乃至厂级监控信息系统(SIS)系统,都没有问题。

辅网采用冗余以太网环网, 每个域设置两台互为冗余的实时数据库服务器,设一台辅网工程师站,在集中控制室中设置数台操作员站。

各辅机控制系统具体设置可如下:( 1)全厂性公用水系统控制:锅炉补给水系统、工业废水处理系统、综合水泵房均纳入辅机控制系统。

控制机柜设置在各自车间,在锅炉补给水车间设备设控制室;在全厂性公用水系统内的子系统还可适当采用远程I / O ,共用控制站。

( 2)凝结水精处理系统控制:纳入辅机控制系统。

控制机柜设置在主厂房内汽机电子设备间,就地不设控制室,无人值守。

(3)输煤系统控制:纳入辅机控制系统。

控制机柜设置在输煤配电间, 就地设置备用控制室。

(4)燃油泵房控制:纳入辅机控制系统。

采用远程I / O方式实现对油泵房系统的控制。

控制机柜设置在燃油泵房内,就地不设控制室,无人值守。

虽然以往大多工程采用远程I / O将其纳入机组控制公用网络并且仅在机组操作员站上监控, 但在机组全部停修时将无法监控,将对以后扩建的机组运行产生影响, 因而设在全厂性的辅网上更为合理。

( 5)除灰渣系统控制:纳入辅机控制系统, 电除尘/ 电袋除尘、湿式或干式除渣及干灰输送都采用冗余P L C系统以实现控制,通过通讯站接入辅机控制系统。

控制机柜设置在除灰综合楼内,并设置备用控制室。

(6)空压站控制:空压站现场无人值守,空压机及干燥装置均自带程控, 压缩空气系统在此基础上, 纳入除灰渣系统控制或直接接入辅网系统。

(7)脱硫系统控制:纳入辅机控制系统。

控制机柜设置在脱硫综合楼, 就地不设控制室。

3 火电辅机控制系统的实现3 . 1 辅机下位机控制系统设计火力电厂辅机控制系统很多, 针对每一套辅机都应该设计一套控制系统, 同时这样的控制系统还应当具有远程网络通讯接口,即远程I / O通讯口,在完成控制的同时实现将相关传感监测数据、远程控制指令通过远程I / O通讯口联网传输。

这里以基于P L C实现的变频调速恒压供水系统为例说明P L C构成的下位机控制系统的设计与实现。

如下图1所示,由P L C控制的变频调速恒压供水系统,主要由P L C、变频器、水位传感器、动力控制线路以及水泵等组成。

P L C 控制模块读取水位传感器传来的数据,经过程序运算,通过通* *信电缆将控制信息传送到变频器,从而改变电源频率,再通过电缆连接到两台水泵电机上, 从而改变电机的转速, 继而改变供水回路的水压,达到恒压供水。

变频器具有RS 4 85通信接口, P L C与变频器通信,控制变频器的运行、读取变频器自身的电压、电流、功率、频率累计运行时间和过压、过流、过负载等全部报警信息。

这样具有较高的运行可靠性,节省了P L C的I / O通道。

水网程控系统还配备水位显示仪表,可进行高低位报警,通过P L C可确保取水在合理水位,同时也保护电机正常运转。

流量计能显示一段时间的累积流量和瞬时流量, 可进行出水量的统计和每台泵的出水流量监控。

以清水池水位为控制目标,以供水时间、季节为参考值, 合理组合开泵台数, 减少开停泵次数, 达到稳定水压、节电供水之目的。

3 . 2 辅机控制上位机软件开发(1 )软件技术要求除各大D C S 厂商及P L C 厂商都各自有其自行研发推广的组态软件外, 而最常用的第三方上位机组态软件主要有Intellution公司(现为GE所收购)的iFi x及Won derw are公司的In to uc h,代表着目前主流组态软件的两个方向。

这些软件各有优劣,都能满足绝大部分的辅网设计需要,其中ifix由于其V B A的开放性接口,能够扩展实现的功能多,对各种硬件、软件协议及数据库等的兼容性比较好, 适用于大型的或较复杂的控制系统,而I nt ou ch在易用性和高性能上面独树一帜,比较适用于中小型系统,我们应根据需要选择合适的组态软件进行设计。

辅网和各辅机控制系统之间通过冗余的以太网接口进行通讯,并设置有操作员站,可完全实现各控制系统上位机功能, 即不仅能显示各系统风机、泵、阀门等系统设备的运行状态、过程参数、报警等,还可以进行各运行方式的选择和切换, 进行自动程控操作,同时还具有模拟量参数显示、棒状图显示、声光报警、打印制表等功能。

可通过软件设置辅网操作员站与分区集控点上位机的操作权限以避免冲突; 当运行人员在分区集控点进行监控时, 辅网操作员站只能监视不能操作。

辅网配置一台辅助系统文件/ 数据服务器,负责各辅机控制系统数据集中、数据备份, 用于系统监控范围内某辅控系统故障时恢复数据、减轻网络通讯负荷及管理辅机控制系统与S I S系统间的数据通讯等;可存储和查询各种打印信息, 必要时可连接打印机实现打印输出; 同时兼作工程师站, 可对系统监控范围内各控制系统的系统软件和画面进行编辑组态和修改。

( 2)辅网上位机系统开发根据辅网网络配置及辅网控制要求,要将所有子网系统的控制画面, 集中到辅网上位机中, 实现辅网操作员站对子网所有系统的监视与控制。

这部分设计是最考验功力的。

要综合分析硬件配置的性能,各厂商采用的总线、协议规格, 驱动的兼容性,以及对画面风格,操作习惯、权限分配、报警记录、数据库查询、可靠性乃至经济成本在内的众多要求,选择出最合适的软件和开发模式。