超超临界百万千瓦机组

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超超临界百万千瓦机组HOLLiAS MACS现场总线控制系统在超超临界百万千瓦机组的应用，现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络等综合技术为主要内容，既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展方向。

目录

案例背景介绍

1、 引言

现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）以智能传感器、控制、计算机、数字通信、网络等综合技术为主要内容，既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统，它适应了工业控制系统向数字化、分散化、网络化、智能化发展方向。当前1000MW级超超临界机组已成为国内火电建设的主流，由于超超临界机组压力、温度等参数较多，控制对象复杂，能否提供安全可靠的控制和调节，是大型机组DCS面临的主要挑战。虽然国内和利时、国电智深等DCS设备制造商已经拥有了常规百万超超临界机组的成功应用经验，但大规模现场总线控制技术目前还没有在百万机组成功投运的业绩。

案例实施与应用情况

2、 系统概况

某电厂扩建两台超（超）临界1000MW燃煤发电机组，三大主机由东方电气集团制造，锅炉采用一次中间再热、单炉膛、平衡通风、对冲燃烧方式Π型变压直流锅炉，汽轮机采用一次中间再热、四缸四排汽、单轴、抽凝式汽轮机。单元机组和脱硫DCS控制系统采用杭州和利时HOLLiAS MACS V+SM220系统，采用四机一控模式，实现一键启停。DEH、MEH、METS、FMEH、FMETS控制系统一体化，控制规模超过12000点，其中主机总线设备达到1000台以上。共配置39面现场总线柜，152根光纤，共分配83个PA网段，71个DP网段，其中锅炉侧47个PA网段， PA设备222台，43个DP网段 ，DP设备432台；汽机侧36个PA网段，PA设备219台，28个DP网段，DP设备223台。总线设备约占整个控制设备的60%，是国内现场总线应用最广泛的项目之一。

2.1 系统网络

DCS网络采用实时数据通讯的P-P单层网络结构，如图1所示。实时数据通讯服务由数据需求方（操作员站）与数据的供给方（控制器）直接通讯，系统内配置一对冗余的历史站为整个系统提供报警服务、历史数据服务和其他服务。MACS-SM控制站集成PROFIBUS现场总线，冗余的主控制器与操作员站、工程师站点对点连接，控制器通过冗余的现场总线与IO从站、DPY-LINK、DP/PA LINK设备相连，现场总线将智能仪表、执行机构、高低压智能保护装置及电磁阀接入DCS系统，实现机组操作及设备信息管理。系统具备数据采集、运算与处理、逻辑组态与下装、画面监视与控制等多项功能。辅助控制系统集中在机组集控室管理，脱硫进入主机DCS系统，实现了一体化监控。

2.2　控制器分配

控制器按照以工艺系统为主，兼顾控制功能的原则进行合理分配。冗余的系统分布在不同控制器，独立的系统分布在同一控制器，既保证冗余性，又保证独立系统的完整性，起到信息共享、减少站间引用和系统通讯任务量的作用，能够优化系统、降低网络负荷率、降低系统风险以及降低维护工作量。单元机组总共35对控制器，其中锅炉20对、汽机14对，电气1对，公用2对。

2.2 总线结构

控制器通过冗余的现场总线与IO从站、DP Y-LINK、DP/PALINK设备相连，DP Y-LINK、DP/PA LINK在上级网络中作为从站，在下级DP总线系统中作为主站。DCS主控柜与总线柜采用光纤连接，对于1个主控柜到多个总线柜的连接，网段间采用DP中继器进行隔离（见图2）。DP网段中冗余DP设备采用DP中继器连接，并进行网段间隔离，单DP网段采用DP/Y设备连接，冗余DP和单DP网段采用DP中继器进行隔离。通信速率9.6k～12Mb/s，主要用于电动门、电磁阀、电动机、分析仪表等开关量和复杂设备。PA网段采用DP/PA设备连接，通信速率31.25kb/s，能给总线供电，主要用于变送器、定位器等模拟量仪表和设备。现场总线拓扑方面，支持现场总线通讯卡件本地、远程安装，远程安装通过光电收发器实现树型拓扑。

3　系统问题分析与处理

3.1　数据运算与显示不一致

机组启停机、试验等工况下，由于参数不满足等条件限制，需要在逻辑中对某些信号进行强制。调试过程中发现，在组态软件中操作人员对数值变量修改后不下装到控制器，启动动态时显示正常，被修改的数值变量动态显示的是修改后的数值，但在逻辑运算中实际使用的却仍然是修改前的数值，该问题存在较大的安全隐患。如果组态人员进行强制赋值后忘记下装控制器，启动动态查看参数无异常后进行试验启停设备，由于显示的数据和实际参与运算的数据不一致，必然导致设备误动作。目前该问题还没有从技术角度解决，主要通过规范操作、加强监护等管理方式避免。

3.2　趋势曲线功能不丰富

趋势曲线可以分屏显示，如显示两个、四个等不同数量窗口曲线，但是却不能全屏显示，也没有按照系统列出曲线组功能，只能通过操作人员添加曲线组和曲线，并且不能使用鼠标在曲线组里选取曲线，对某系统进行试验、故障分析时需要手动操作，不便于迅速地进行曲线分析。现有曲线的最小分辨率是1秒，可以以曲线或者数据记录等方式查看，但控制器运算周期为100毫秒，ETS、METS等重要系统运算周期甚至为50毫秒，系统及设备故障时部分变量在1秒内已经发生了一次或多次变化，而趋势曲线往往不能有效记录当时的正确工况，给事故分析带来较大的不便。

HOLLiAS-MACS系统使用了“域”为基础单元的管理模式，“域”主要区分不同区域的工艺和设备，如锅炉、汽轮机、脱硫、公用等区域热力工艺设备。“域”间信号的传递需要使用域间变量或硬接线的方式来完成，不能在画面中将不同“域”的变量组在同一个曲线中进行分析比对。

3.3　通信与软件功能不完善

画面及组态软件中变量命名不规范。为了工程组态方便，和利时使用一套自有的变量命名规则，主要根据变量所属的区域、系统进行流水编号。DCS画面变量窗口上方能明显地显示编号，但KKS编码等与设备息息相关的信息只显示在“点详细参数”列表中，在操作和检修设备时需要认真核对设备信息，否则容易误操作。另外，在DCS画面现场总线拓扑图中设备显示状态不清晰明确，拓扑图中设备运行、停止、故障等状态没有通过颜色变化等方式加以区别，只有属于该设备的信号，如开关状态、故障、力矩等信号有报警，不利于设备巡检和异常检查。组态软件中打开报表组态会造成整个工程组态软件退出。

验收测试时发现，冗余DP现场总线设备单口网络故障时操作员站无报警，在DCS系统的HAMS设备管理软件中，PROFIBUS总线设备也无报警和统计功能，PROFIBUS总线设备无法通过工程导入的方式在HAMS管理软件中进行配置和参数修改，造成设备扫描慢（10台设备约1.5min），为总线设备管理和故障诊断带来困难。

由于现场总线设备的类型和厂家众多，用户的GSD文件和设备内部固件处理出现不一致，导致通讯失败，产生了DCS系统与总线设备兼容性问题。调试时和利时公司利用其测试平台对SIPOS、EMG等电动执行机构及KM超声波液位计、Rosemount压力变送器等设备进行了兼容性测试，发现SIPOS电动执行机构测试中存在数据跳变、部分设备无法通讯等现象。为有效解决该问题，系统软件除了必须提供灵活的参数设置选项、用户可以根据实际通讯状态对默认值进行修改外，还要完善GSD文件解析，收集GSD文件进行兼容性测试。

3.4　变量中文注释不能更改

在组态软件中，各种设备、测点或功能模块注释是DCS逻辑组态的一项重要内容，有助于使用者阅读组态逻辑，理解控制策略。本版本的软件中，可以根据数据库中该设备、测点或功能模块信息，在逻辑组态方案页变量前自动生成中文注释并且不能更改。组态软件中手操器、PID运算器等模块具有不同功能的引脚，组态时可以使用“功能块—引脚”的方式进行逻辑连接，由于系统功能的限制，使用“功能块—引脚”的方式进行组态时，只是自动生成了“功能块”的中文注释，对具体功能的“引脚”不区分，导致组态中大量使用的手操器、PID运算器自动、手动、输出等不同功能引脚注释全都一样，给逻辑阅读造成很大的干扰，目前通过手动再增加中文注释的方式解决。

3.5　控制器负荷升高

采用单层P-P网络结构后，各个操作员站不再依赖于实时数据服务器，系统没有实时服务器的瓶颈限制，各个节点的故障不会影响其他节点，提高了系统的可靠性与安全性。但是，实时数据服务功能下移至控制器后，控制站需要直接对各操作员站分别提供数据服务，使得控制器的负担加重、负荷加大。通过在控制器读取约20000点模拟测试发现，与和利时两层Client/Server网络结构相比，控制器负荷最高提升了3%左右，控制器负荷在20%到31%之间。虽然各项性能指标都满足要求，在没有经过机组运行恶劣工况的检验，限制控制器负荷升高的问题仍需要关注。目前采取了限制直接与控制器通讯的操作员站个数、优化操作员站数据请求数量、提高控制器CPU配置的方式进行解决。

3.6　机柜电缆布线不规范

机柜总线电缆布线和隔离方面，主要存在220V电源接线连接时没有很好地与通信电缆分线槽布置，存在交叉的现象。机柜无电源和温度监视、DP电缆屏蔽层连接不当。现场总线机柜由于设计的不合理，导致光纤接线盒及光电转换器应在模件柜及通信柜中摆放布置不宽裕，光跳线连接容易有死角，铠装光缆与光电转换器之间存在互相挤压，机柜内部分DP及PA电缆余量过大，导致电缆在线槽内折叠或弯曲夹角小于90度，现场总线电缆屏蔽层出现外露等情况。上述问题通过优化设备布置、合理预留电缆长度等方法已解决。