國產(chǎn)maxDNA大型分散控制系統(tǒng)在1000MW機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用

吳科，馬振華，朱能飛，陳玉年

（南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210032）

國產(chǎn)maxDNA大型分散控制系統(tǒng)在1000MW機(jī)組一體化控制中的應(yīng)用

吳科，馬振華，朱能飛，陳玉年

（南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司，南京 210032）

介紹了國產(chǎn)maxDNA大型分散控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，對系統(tǒng)在某電廠2臺1 000MW超超臨界火電機(jī)組的鍋爐、汽輪機(jī)和電氣一體化控制方面的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹和分析。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)異，滿足1000MW機(jī)組一體化控制要求。

1000MW機(jī)組；分散控制系統(tǒng)；汽輪機(jī)數(shù)字電液控制；一體化控制

0 引言

超超臨界參數(shù)機(jī)組發(fā)電效率超過41%，經(jīng)濟(jì)性明顯［1］，國外多年的商業(yè)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，其技術(shù)已經(jīng)非常成熟［2-3］。近年來，國內(nèi)新建了大批1 000 MW超超臨界機(jī)組，這對分散控制系統(tǒng)（DCS）的容量、速度、精度、穩(wěn)定性、可靠性和易用性等提出了更高的要求，國產(chǎn)DCS雖然在1000MW機(jī)組中得到了應(yīng)用，但僅限于輔控和鍋爐控制［4］，而汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）仍為國外公司壟斷，更無法實(shí)施真正的全廠一體化控制。

1000MW機(jī)組大型DCS（特別是汽輪機(jī)控制）技術(shù)難度大，門檻高。為實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)系統(tǒng)在該領(lǐng)域的突破，華電集團(tuán)與南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司進(jìn)行深度合作，引進(jìn)maxDNA大型DCS全套先進(jìn)技術(shù)，獲得知識產(chǎn)權(quán)并進(jìn)行消化吸收和再創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。在某電廠2×1000MW超超臨界機(jī)組鍋爐汽輪機(jī)電氣一體化控制中的應(yīng)用結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能優(yōu)異。

本文介紹國產(chǎn)maxDNA大型DCS的整體架構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，并在1000MW機(jī)組一體化控制項(xiàng)目中進(jìn)行驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

maxDNA大型DCS技術(shù)源于美國利諾（Leeds＆Northrup）公司，該系統(tǒng)經(jīng)過近90年的技術(shù)和工程積累，在全球電力、石化等行業(yè)擁有眾多成功業(yè)績。

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)遵循冗余和完全分布式的原則，I／O層通信采用高速并行總線，主干通信采用交換式快速以太網(wǎng)，通過獨(dú)有的軟件背板（Software Backplane，SBP）技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組件的快速、穩(wěn)定數(shù)據(jù)交互。主要技術(shù)特點(diǎn)有：（1）完全分布式，無中心服務(wù)器設(shè)計(jì)，危險(xiǎn)分散；（2）大容量，通過軟件背板和變量傳輸技術(shù)支持100 000點(diǎn)以上I／O標(biāo)簽；（3）高性能，采用高速并行總線、時序同步技術(shù)和專用模件實(shí)現(xiàn)控制回路5ms處理周期，可用于汽輪機(jī)數(shù)字電液調(diào)節(jié)；（4）高可靠性，通過特殊硬件設(shè)計(jì)、元器件選型和軟件設(shè)計(jì)提升系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性；（5）高安全性，在控制器和監(jiān)控系統(tǒng)層級均進(jìn)行信息安全增強(qiáng)；（6）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)開放，擴(kuò)展性強(qiáng)，可擴(kuò)展各類用戶功能塊和應(yīng)用程序；（7）支持多種通信協(xié)議，可方便地與第三方系統(tǒng)互連互通。

該系統(tǒng)較傳統(tǒng)DCS在橫向和縱向都進(jìn)行了擴(kuò)展，包含廠級信息管理、信息管理、性能計(jì)算、監(jiān)控系統(tǒng)、第三方通信、可實(shí)時控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集（支持現(xiàn)場總線接入）等完整的層次，實(shí)現(xiàn)從企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）系統(tǒng)到現(xiàn)場控制的整個過程，滿足電廠一體化控制要求。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件及技術(shù)特點(diǎn)

控制器采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和凌動處理器，實(shí)現(xiàn)分周期執(zhí)行和最快10ms的回路處理周期，通信處理器采用高速現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）實(shí)現(xiàn)，與運(yùn)算處理器互相獨(dú)立，結(jié)合時序同步技術(shù)保證運(yùn)算、通信的實(shí)時性和可靠性。

I／O模件采用獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)，具有極高的可靠性，采用高速并行總線實(shí)現(xiàn)高速I／O層級通信，具備自校驗(yàn)功能，可以保證長時間運(yùn)行信號測量和輸出的準(zhǔn)確性而不需要進(jìn)行人工校驗(yàn)。同時，板卡設(shè)計(jì)有自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，可以抵御一定強(qiáng)度的干擾并自動恢復(fù)正常工作。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)具有DEH專用模件，閥門控制模件處理周期為5ms，支持一體化的汽輪機(jī)控制。系統(tǒng)具有獨(dú)特的時間順序記錄機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)跨電子間的1ms時間順序記錄（SOE）精度。除常規(guī)模件外，還包含現(xiàn)場總線接入模件，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場總線設(shè)備的無縫接入。

系統(tǒng)控制器、I／O模件、電源、網(wǎng)絡(luò)等均可以冗余配置，完全滿足電站分散控制系統(tǒng)要求，也可以應(yīng)用于其他工業(yè)過程。

1.3 系統(tǒng)軟件及技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)軟件通信采用獨(dú)有的SBP技術(shù)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)：控制器、監(jiān)控軟件、歷史庫、第三方通信、報(bào)警、性能計(jì)算等均為SBP的服務(wù)器或／和客戶端，所有數(shù)據(jù)交互均通過SBP實(shí)現(xiàn)，SBP完全面向?qū)ο笄抑С秩哂?。SBP主要采用函數(shù)調(diào)用／回調(diào)經(jīng)由進(jìn)程間通信實(shí)現(xiàn)，提供帶質(zhì)量的各種數(shù)據(jù)類型的讀、連續(xù)讀、快速讀，寫、連續(xù)寫、快速寫，訂閱和取消訂閱等操作，其函數(shù)處理流程如圖2所示。

圖2 軟件背板函數(shù)處理流程

控制器組態(tài)軟件支持填表式和圖形化組態(tài)方式；支持可靠的增量在線下裝和整體離線下裝；支持多種強(qiáng)制功能和凍結(jié)檢查，防止下裝過程對系統(tǒng)的擾動；可通過組合基礎(chǔ)功能塊和腳本自定義功能塊。

畫面組態(tài)工具提供豐富的控件以實(shí)現(xiàn)用戶所需的各類功能，且提供強(qiáng)大的腳本支持，可方便開發(fā)各類特殊要求的畫面效果。

系統(tǒng)支持冗余的第三方通信機(jī)；支持冗余的歷史站，且可設(shè)置分布式歷史站，歷史數(shù)據(jù)和趨勢可集中查閱；提供強(qiáng)大的報(bào)表工具和性能計(jì)算軟件；提供SBP開發(fā)接口，用戶可設(shè)計(jì)應(yīng)用程序無縫接入系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用虛擬DCS（虛擬DPU+真實(shí)監(jiān)控系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)全工況仿真系統(tǒng)，對控制器和畫面的操作與真實(shí)系統(tǒng)完全一致，具有極高的逼真度，機(jī)爐模型可以采用虛擬DPU，也可以采用第三方仿真支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)還提供豐富的實(shí)用工具，如通信報(bào)文抓取診斷軟件、控制器I／O模件負(fù)荷率評估軟件、網(wǎng)絡(luò)分析診斷軟件、組態(tài)文件同步軟件等，方便系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和使用。

2 1000MW機(jī)組一體化控制的實(shí)現(xiàn)

2.1 項(xiàng)目概況

某電廠一期建設(shè)2臺1 000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，同步建設(shè)脫硫脫硝裝置，鍋爐為東方鍋爐股份有限公司單爐膛、前后墻對沖燃燒、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣超超臨界變壓運(yùn)行直流爐。汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)股份有限公司超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式、八級回?zé)岢槠狡啓C(jī)。發(fā)電機(jī)為上海汽輪機(jī)股份有限公司和西門子公司聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的水氫氫冷卻、自并勵靜止勵磁汽輪發(fā)電機(jī)。制粉系統(tǒng)采用中速磨煤機(jī)冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式制粉系統(tǒng)，燃燒設(shè)計(jì)煤種時，5臺運(yùn)行，1臺備用。制粉系統(tǒng)配2臺密封風(fēng)機(jī)，1臺運(yùn)行，1臺備用。鍋爐點(diǎn)火采用微油點(diǎn)火，起點(diǎn)火及助燃作用，保留點(diǎn)火油系統(tǒng)。每臺鍋爐配2臺動葉可調(diào)軸流式一次風(fēng)機(jī)、2臺動葉可調(diào)軸流式送風(fēng)機(jī)、3臺靜葉可調(diào)軸流式吸風(fēng)機(jī)、2臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器及2臺電除塵器。高壓旁路采用帶安全閥功能的100%容量三用閥系統(tǒng)，低壓旁路容量為65%容量。給水系統(tǒng)設(shè)置2臺50%容量汽動給水泵和1臺電動給水泵。汽輪機(jī)回?zé)嵯到y(tǒng)有八級抽汽，一、二、三段抽汽向3個高壓加熱器供汽，四段抽汽供汽至給水泵小汽輪機(jī)、除氧器、輔助蒸汽聯(lián)箱等，五、六、七、八段抽汽向4個低壓加熱器供汽。工程由江蘇省電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，江蘇省電力科學(xué)試驗(yàn)研究院調(diào)試，＃1機(jī)組（除汽輪機(jī)控制外）、＃2機(jī)組（鍋爐和汽輪機(jī)）均采用國產(chǎn)maxDNA大型DCS實(shí)現(xiàn)一體化控制。

＃1機(jī)組于2013年1月30日倒送電成功，7月5日整套啟動，8月14日168 h試運(yùn)行結(jié)束；＃2機(jī)組于2013年3月16日倒送電成功，8月28日整套啟動，10月31日168 h試運(yùn)行結(jié)束。一體化分散控制系統(tǒng)功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異，得到了業(yè)主、設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和監(jiān)理單位的一致認(rèn)可。

2.2 鍋爐控制系統(tǒng)

從熱控自動套數(shù)上看，典型600MW超臨界機(jī)組熱控自動套數(shù)約110套，而1 000MW機(jī)組約180套，因數(shù)量過多而無法手動調(diào)節(jié)［5］，這就對熱控自動化水平提出了更高的要求。

在某電廠1000MW超超臨界機(jī)組分散控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工藝過程特點(diǎn)和控制器處理能力，合理劃分不同的控制域，采用總線評估軟件進(jìn)行控制器及I／O測點(diǎn)劃分。

系統(tǒng)劃分為單元機(jī)組及公用系統(tǒng)，單元機(jī)組分為鍋爐、汽機(jī)、電氣、脫硫等部分，共3個電子設(shè)備間。單元機(jī)組鍋爐系統(tǒng)I／O測點(diǎn)為6467點(diǎn)、汽機(jī)系統(tǒng)3034點(diǎn)、電氣系統(tǒng)710點(diǎn)、脫硫系統(tǒng)842點(diǎn)。鍋爐系統(tǒng)含1面電源柜、1面link柜、1面主燃料跳閘（MFT）繼電器柜、33面控制柜、20對DPU，汽機(jī)系統(tǒng)含1面電源柜、17面控制柜、10對DPU，電氣系統(tǒng)含3面控制柜、1面繼電器柜、3對DPU，脫硫系統(tǒng)含1面電源柜、5面控制柜、2對DPU，共使用4對Cisco交換機(jī)，分別布置1對在集控室、1對在鍋爐電子間、1對在汽機(jī)電子間、1對在脫硫電子間。公用系統(tǒng)包括公用電氣、空氣壓縮機(jī)房、燃油泵房、循環(huán)水泵房、氨區(qū)系統(tǒng)，共設(shè)置1面電源柜、4面控制柜、1面繼電器柜、4面遠(yuǎn)程I／O柜、4對DPU，使用1對Cisco交換機(jī)，公用系統(tǒng)交換機(jī)與單元機(jī)組交換機(jī)采用直接物理連接。

DCS人機(jī)界面單元機(jī)組包括9臺操作員站、3臺工程師站、1臺第三方通信站、2臺歷史站、1臺廠級信息監(jiān)控系統(tǒng)（SIS）接口站，其中設(shè)置2臺跨域代理服務(wù)器，1臺具備分屏功能（至大屏），1臺配置事件服務(wù)。公用系統(tǒng)包括2臺第三方通信站（同時具備代理服務(wù)器功能）、1臺氨區(qū)系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作員站。

DCS與第三方通信包括發(fā)電廠廠用電氣自動化系統(tǒng)（EFCS）、智能前端、吹灰系統(tǒng)、爐管泄漏系統(tǒng)、機(jī)組及主要輔機(jī)振動監(jiān)測分析故障診斷系統(tǒng)（TDM）、LED顯示屏。由南京國電南自美卓控制系統(tǒng)有限公司負(fù)責(zé)的DCS外圍系統(tǒng)及設(shè)備包括集控室操作臺、智能前端、數(shù)字儀表墻等。

根據(jù)工藝要求，在控制器內(nèi)設(shè)置有不同的執(zhí)行周期；對于順序控制和保護(hù)回路，合理設(shè)置功能塊執(zhí)行順序，保證保護(hù)回路可靠性；重要保護(hù)信號采用軟硬件冗余與品質(zhì)判斷，提高了信號的可靠性；采用自定義功能塊編寫了特殊功能塊，滿足工藝控制要求；根據(jù)用戶需要設(shè)計(jì)了清晰、直觀的流程畫面和操作畫面。

2.3 汽輪機(jī)控制

1000MW機(jī)組的DEH是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的控制制高點(diǎn)，對控制指標(biāo)要求極為嚴(yán)苛：汽輪機(jī)危急跳閘系統(tǒng)（ETS）控制站要求20ms響應(yīng)，DEH負(fù)荷控制站要求運(yùn)算周期50ms以下，且汽輪機(jī)控制邏輯和算法相當(dāng)復(fù)雜，對程序的執(zhí)行時序要求也非常嚴(yán)格，稍有不慎就會導(dǎo)致控制延遲甚至擾動，DEH專用的閥門控制卡和測速卡則必須達(dá)到極小的控制周期。

某電廠采用的1 000MW機(jī)組汽輪機(jī)此前均配置西門子T3000 DEH［6-7］，該系統(tǒng)在軟硬件等方面有著鮮明的特點(diǎn)，但同時在一些細(xì)節(jié)方面也存在不足之處［8］。該電廠1 000MW機(jī)組采用maxDNA系統(tǒng)后，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了DCS，DEH和小汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（MEH）一體化，減少了設(shè)備投資，且為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和調(diào)試創(chuàng)造了條件。

在DEH設(shè)計(jì)和調(diào)試階段，根據(jù)該型汽輪機(jī)的特點(diǎn)和控制要求［9］，結(jié)合控制系統(tǒng)特點(diǎn)，采用專用汽輪機(jī)控制模件實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的快速、準(zhǔn)確測量和閥門的高速精確控制，控制程序?yàn)榻M態(tài)式，方便調(diào)試修改，專用控制模件執(zhí)行周期為5ms，ETS執(zhí)行周期為20ms；針對該機(jī)型閥位單反饋的特點(diǎn)，采用圖3所示閥門交叉冗余控制技術(shù)［10］，提供在線更換閥門定位器模件內(nèi)部程序及硬件本身的能力，提高了閥門控制冗余度和可靠性；合理設(shè)置功能塊運(yùn)行順序和周期，各種措施保證了控制的精確性和保護(hù)的可靠性，各項(xiàng)指標(biāo)符合要求，部分指標(biāo)優(yōu)于西門子DEH系統(tǒng)。

此次，該電廠＃2機(jī)組DEH首次采用國產(chǎn)max-DNA系統(tǒng)，DEH／MEH系統(tǒng)含1面ETS跳閘柜、1面METS跳閘柜、1面電源柜、7面控制柜、7對DPU，成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)組沖轉(zhuǎn)、并網(wǎng)、升負(fù)荷到帶滿負(fù)荷的全程控制，機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）在168 h考核期間全程投入，自動發(fā)電控制（AGC）及一次調(diào)頻功能順利通過電網(wǎng)考核試驗(yàn)。

2.4 電氣監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的熱工與電氣控制系統(tǒng)是完全獨(dú)立的2套系統(tǒng)，系統(tǒng)間的聯(lián)系全部依靠硬接線。在該項(xiàng)目中，采用maxDNA監(jiān)控系統(tǒng)平臺，通過通信方式與電氣設(shè)備2000多點(diǎn)進(jìn)行可靠通信，取代部分硬接線，不僅實(shí)現(xiàn)可靠監(jiān)視，還具備控制功能，為實(shí)現(xiàn)1000MW機(jī)組熱工與電氣的一體化監(jiān)控進(jìn)行了有益的探索。

圖3 1000MW汽輪機(jī)閥門交叉冗余控制方案

2.5 全工況仿真系統(tǒng)

1000MW機(jī)組自動化程度高，人員配備少，對運(yùn)行和熱工人員提出了更高的要求。全工況仿真系統(tǒng)可應(yīng)用于運(yùn)行人員和熱工檢修人員的培訓(xùn)，提高操作熟練程度并可進(jìn)行事故演練。采用該系統(tǒng)虛擬DCS和第三方APROS仿真支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1 000MW機(jī)組的全工況仿真，對控制器和畫面的操作與真實(shí)系統(tǒng)完全一致，具有極高的逼真度，應(yīng)用于運(yùn)行和熱工檢修人員的培訓(xùn)，取得了良好的效果。

3 結(jié)束語

大容量、高效率的1 000MW超超臨界機(jī)組符合節(jié)能、減排、增效的要求，將成為我國火電主力機(jī)組，而研制和投運(yùn)與之配套的國產(chǎn)大型分散控制系統(tǒng)和控制策略，實(shí)現(xiàn)機(jī)爐電一體化控制，對于打破國外公司技術(shù)壟斷，提升我國電力自動化行業(yè)技術(shù)水平和技術(shù)安全具有重要意義。

本文提出的國產(chǎn)maxDNA大型DCS源于國外成熟技術(shù)，采用引進(jìn)吸收的方式獲得全套技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)并結(jié)合國內(nèi)應(yīng)用需求進(jìn)行再創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)本地化生產(chǎn)。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某電廠的2×1 000 MW超超臨界機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了鍋爐控制DCS，DEH，ECS等一體化控制和全工況仿真。

系統(tǒng)投運(yùn)已來，運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，各項(xiàng)性能指標(biāo)優(yōu)異。實(shí)踐表明，國產(chǎn)maxDNA大型DCS滿足1 000 MW機(jī)組的控制要求且性能優(yōu)異，可以在1 000MW機(jī)組及其他容量機(jī)組上推廣應(yīng)用。

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（本文責(zé)編：白銀雷）

TP 273；TK 223

A

1674-1951（2015）08-0006-04

吳科（1981—），男，江蘇常熟人，工程師，工學(xué)博士，從事大型分散控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)雜熱力系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制研究方面的工作（E-mail：ke-wu＠sac-china.com）。

馬振華（1982—），男，江蘇南京人，工程師，從事火電廠大型分散控制系統(tǒng)研究與實(shí)施等方面的工作。

朱能飛（1968—），男，江蘇句容人，高級工程師（教授級），從事火電廠分散控制系統(tǒng)和電站信息化研究工作。

陳玉年（1970—），男，江蘇淮安人，高級工程師，從事大型分散控制系統(tǒng)項(xiàng)目管理方面的工作。

2015-01-27；

2015-06-21

江蘇省國際科技合作計(jì)劃——國際技術(shù)轉(zhuǎn)移及聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目（BZ2013017）