谷 偉，王兆舜，劉 偉，姚慧鐘，葛舉生

(南京國電南自維美德自動化有限公司，江蘇 南京 210032)

火電機組若運行時間長達十幾年，硬件故障、隱患問題將逐年增多，機組穩(wěn)定性下降。某電廠330 MW機組，投產于2005年，原分散控制系統(tǒng)(DCS)對單元機組爐、機、電集中控制，集成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、電氣控制系統(tǒng)(ECS)、汽輪機電液調節(jié)控制系統(tǒng)(DEH/MEH)、煙氣脫硫控制等系統(tǒng)功能，汽輪機保護系統(tǒng)(ETS)采用可編程控制器(PLC)。

下面對該機組存在的問題進行分析，針對此問題，采用maxICS系統(tǒng)對DCS硬件改造升級，并提出改造方案。

1 存在的問題

a.核心部件設備老化。機組DCS已運行14年，部分核心硬件已接近或超出使用壽命，工作性能不穩(wěn)定，故障率高，造成安全隱患。

b. DCS網絡結構存在安全隱患。原DCS為環(huán)狀+邏輯斷點模式，核心交換機型號老舊，故障頻發(fā)，導致邏輯斷點失效，易形成網絡風暴影響機組穩(wěn)定；網口通信品質下降，備用網口不足，負荷率增大，不符合當前安評要求。

c.人機界面設備性能降低、可靠性差。操作站處理器能力老化，運算能力不足，影響正常操作調閱相關畫面和正常指令輸入。數(shù)據(jù)記錄功能不滿足要求，DCS歷史站存儲配置小，無法滿足數(shù)據(jù)趨勢查閱及事故分析要求。

d.機組已無備用I/O模件、備用點可用。多次技改導致I/O點數(shù)增加較多，備用卡件與備用通道幾乎全部使用，沒有I/O冗余能力，同時I/O點數(shù)的增加使得所有過程控制站CPU負荷率增大，不符合安評要求。系統(tǒng)運算速度較慢，監(jiān)視、調整、自動調節(jié)等功能運行緩慢，也直接影響調節(jié)系統(tǒng)的調節(jié)品質。

e.自動化水平已不滿足當前控制要求。運行年限的增多，原協(xié)調控制、自動發(fā)電控制(AGC)、一次調頻等控制精度不夠，機組被考核次數(shù)增多。DEH伺服卡控制慢，有不合理邏輯，繼電器老化存在風險。ETS為PLC獨立系統(tǒng)，不易維護。

f. DCS電源設計配置不合理，工程師站、操作站、歷史站電源沒有分散控制，電源切換時存在短時失電現(xiàn)象，造成顯示黑屏或操作站關機。

總之，由于系統(tǒng)設備老化、硬件及軟件設備經常出現(xiàn)故障、控制技術落后等原因，需對系統(tǒng)進行升級改造，升級后可延長系統(tǒng)壽命、減少系統(tǒng)故障、消除安全隱患、提高自動化水平，對維持機組的安全正常運行具有重大意義。

2 maxICS系統(tǒng)介紹

maxICS系統(tǒng)是某公司2019年在原maxDNA技術的基礎上，通過硬件本質上的整體升級及軟件上的深入開發(fā)，推出的全新智能電廠一體化控制系統(tǒng)。

2.1 先進的過程控制器

實現(xiàn)生產過程中相對獨立子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制和保護功能，過程控制器(DPU)包含控制處理器CP模件、輸入輸出模件、通信鏈路模件、現(xiàn)場信號接口等硬件。它是maxICS系統(tǒng)主控通信網絡上的節(jié)點，其特點有： 每個過程控制站可擴展8路串行通信鏈路； 每條通信鏈路最大支持12個I/O模件，每個過程控制站最大可擴展96個I/O模件； 每個機柜可放置4列I/O模件，每個過程控制站最大可擴展到兩個機柜； 每路通信鏈路調制速率為2 Mb/s； 每條通信鏈路上的I/O模件地址可以自識別； DPU模件內有一個多速處理系統(tǒng)，允許按三種不同的時間等級(從最快10 ms到0.5 s)可執(zhí)行8 000個目標功能塊。

2.2 完整的系統(tǒng)架構

主干通訊采用交換式快速以太網，通過獨有軟件背板(SBP)技術實現(xiàn)系統(tǒng)組件的快速、穩(wěn)定數(shù)據(jù)交互。

maxICS系統(tǒng)主要技術特點[1]有：分布式分散，無中心服務器設計；大容量，通過軟件背板和變量傳輸技術支持100 000點以上I/O標簽；高性能，采用高速并行總線、時序同步技術和專用模件實現(xiàn)控制回路5 ms級處理周期，可用于汽輪機數(shù)字電液調節(jié)；高可靠性，通過特殊硬件設計、元器件選型和軟件設計提升系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性；高安全性，在控制器和監(jiān)控系統(tǒng)層級均進行信息安全增強；系統(tǒng)結構開放，擴展性強，可擴展各類用戶功能塊和應用程序；支持多種通訊協(xié)議，可方便地與第三方系統(tǒng)互連互通。

系統(tǒng)在傳統(tǒng)DCS基礎上在橫向和縱向都進行了擴展，包含廠級信息管理、信息管理、性能計算、監(jiān)控系統(tǒng)、第三方通訊、實時控制和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等完整的層次。

2.3 冗余的星型網絡

星型網絡控制簡單，任何一站點只和中央節(jié)點相連接，因而介質訪問控制方法簡單；中央節(jié)點對連接線路可以逐一隔離進行故障檢測和定位，單個連接點的故障只影響一個設備，不會影響全網。網絡傳輸數(shù)據(jù)快，不會形成網絡風暴。

冗余的交換機配置，分別冗余連接分散控制系統(tǒng)中各過程控制站、人-機接口站(操作員站、工程師站等)的實時數(shù)據(jù)通信網絡。采用工業(yè)以太網交換機、全雙工模式工作，通訊速率為1 000/100 Mb/s，傳輸介質采用超五類雙絞線或多、單模光纜。

3 maxICS系統(tǒng)在改造中的應用

機組停機檢修期間內對機組DCS設備分步進行改造。首先，機組停機后先對鍋爐側DCS設備進行拆除改造，待汽機冷卻后再對汽機側DCS設備進行拆除改造。在機組停機前，對DCS點表、邏輯、畫面、各項改造措施進行充分的討論，形成最終的改造方案，同時完成各項設備的靜態(tài)試驗。施工和調試技術人員，提前進入現(xiàn)場熟悉改造設備，以確保改造工期滿足要求。

3.1 硬件改造方案

a.施工單位進場準備，所有信號線打印最新膠頭號，解線分類梳理。

b.將機組原有的鍋爐汽機DCS、ECS、循環(huán)泵房、DEH/MEH等控制機柜、ETS的PLC控制機柜、繼電器柜、電源柜等全部拆除，采用全新的maxICS系統(tǒng)DCS機柜進行更換。同時拆除原DCS操作員站、工程師站、歷史站、虛擬機站等

c. maxICS機柜按原DCS機柜分布進行布置。原DCS的一個DPU控制站分為DPU基本柜與接線端子柜。maxICS系統(tǒng)也配置成DPU基本柜與接線端子柜的形式，對機柜1∶1進行替換。

d.將原有通信方式接入DCS的ETS機柜拆除，重新設計根據(jù)分散布置原則增加相應控制站。

e.DPU數(shù)量按1∶1原則完全替換，同時原機柜遠程柜改用遠程站形式，增加2對DPU，滿足分散布置原則。操作員站等按1∶1替換最新型號電腦，增加1臺歷史站與1臺專用廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)接口站。

f.改造現(xiàn)場分為鍋爐與汽機兩個主要電子間。原DCS網絡為環(huán)狀網絡加邏輯斷點形式。maxICS系統(tǒng)為星型網絡，成輻射狀。改造以鍋爐核心交換機為中心交換機，鍋爐側所有控制站、工程師室與集控室所有操作站接入鍋爐核心交換機，汽機側所有控制站接入汽機核心交換機，鍋爐核心交換機與汽機核心交換機采用千兆光纖通信，兩用兩備。

g.保留下原機組所有外掛通信設備，設備在原DCS均是通過一個除DPU A/B網以外的第三網集中通信再分散接入對應虛擬DPU供實際DPU使用，maxICS系統(tǒng)將各外掛通信設備直接與實際DPU建立通信，免去中間環(huán)節(jié)，功能標識明顯，避免了外掛設備之間的互相影響，便于管理。

h.原DCS所有接線端子柜的每塊接線端子標識拍照留存，所有信號線膠頭號根據(jù)核對后的I/O點表重新打印，同時保留原有膠頭號以便查找。原DCS電纜盡可能利舊，若長度不能滿足maxICS系統(tǒng)接線要求時，通過增加中間轉接端子或電纜鉸接、焊接的方式解決，重要輔機測點分散布置的改造工作中，電纜要求調整跨柜的采用端子轉出，柜內長度不夠的采用鉸接方式。

i.增加主要設備電纜設計。原總燃料跳閘(MFT)硬回路系統(tǒng)只有一套，根據(jù)MFT柜最新規(guī)范重新設計，采用最新的跳閘控制回路，設計兩套跳閘控制回路。保留原接入接出信號，原MFT硬回路系統(tǒng)設計增加一路FSSS復位MFT信號；第二套增加3路FSSS柜失電MFT動作(3取2)，增加2路FSSS復位MFT信號。另外，增加3路協(xié)調控制系統(tǒng)(CCS)負荷指令至DEH機柜，替換原DCS控制采用的開關量信號。

j.本次改造公用部分不參與，因此本機組側保留了一臺公用電腦，保留原鍋爐A/B網交換機接入原網絡，僅供公用電腦使用。

k.機柜替換完成，接線信號校對結束后，進行分系統(tǒng)調試以及整套啟動，聘請有資質和能力的電科院等單位進行項目過程把關，包括接地電阻交接試驗，DCS性能試驗，AGC及一次調頻試驗，快速甩負荷(RB)試驗等。

3.2 邏輯改造方案

按照原DCS邏輯翻譯成maxICS系統(tǒng)可執(zhí)行邏輯，同時調試期間針對原控制邏輯不夠完善達不到控制要求的進行邏輯修改或完善。原DCS全程給水自動邏輯與CCS邏輯在機組長期運行后，已不能滿足機組穩(wěn)定控制，人工干預增多。本次改造重點修改完善這兩部分邏輯。

3.2.1 全程給水自動邏輯

給水控制設計2臺50%汽泵和1臺50%的電泵，正常運行時由2臺汽泵供水，電泵是在鍋爐啟?；虻拓摵晒r下或汽泵故障緊急備用投備。一定負荷后主給水門開由電泵勺管控制汽包水位。汽包水位按全程給水自動控制設計。單沖量及三沖量控制如下。

機組在啟動低負荷階段(0%～14%)，調速泵保持在最低安全轉速，調節(jié)閥控制汽包水位為定值；當負荷在14%～25%時，采用電泵控制汽包水位；當負荷大于25%時，系統(tǒng)切換為三沖量調節(jié)；當負荷升到35%啟動一臺汽動給水泵，當汽動給水泵轉速升到MEH的指定轉速后投入遙控，由MCS操作，可投入自動控制。當負荷升到50%以上啟動另一臺汽動給水泵，當汽動給水泵轉速升到MEH的指定轉速后投入遙控，由MCS操作，可投入自動控制。逐步減小電動給水泵負荷，增加汽泵負荷，維持汽包水位穩(wěn)定。

每臺泵有手自動切換、偏置設定功能；當兩臺泵運行的轉速不同時，一臺投自動，當投另一臺自動后偏差記錄在后投自動的偏差位置，保證汽包水位調節(jié)無擾動，手動改變偏差可調節(jié)兩臺汽泵的流量，達到兩臺汽泵的出力相同。

降負荷過程中，負荷降到50%以下解除電泵備用，可停一臺汽泵。當負荷降到30%以下時啟動電泵逐漸把負荷移至到電泵，保證汽包水位的穩(wěn)定可停另一臺汽泵。當負荷降到25%時，三沖量自動切為單沖量控制。當電泵低轉速運行時，可用旁路給水閥調節(jié)汽包水位穩(wěn)定。

3.2.2 CCS邏輯

針對原DCS運行邏輯，結合調試過程中的數(shù)據(jù)分析在如下幾個方面做了重要優(yōu)化調整[2]。

a.一次風機控制邏輯優(yōu)化：完善一次風壓設定值生成回路，在常規(guī)負荷指令對應一次風壓函數(shù)上，增加負荷指令微分的動態(tài)響應部分。

b.鍋爐主控控制邏輯優(yōu)化：鑒于升降負荷時機組運行特性的不同，根據(jù)負荷水平和壓力偏差建立升降負荷時不同的鍋爐主控動態(tài)前饋修正函數(shù)。

c.汽機主控控制邏輯優(yōu)化：根據(jù)不同負荷偏差自適應調整汽機主控功率回路PID的積分作用。

機組AGC的負荷響應速度快，響應時間小于30 s，負荷的動態(tài)偏差為額定負荷的1%，穩(wěn)態(tài)偏差為額定負荷的0.5%，各參數(shù)指標都只有規(guī)程要求范圍值的一半，優(yōu)化后跟蹤效果顯著。

4 改造后運行效果

自機組所有試驗項目合格結束，maxICS系統(tǒng)已連續(xù)工作96天，機柜控制器及模件工作正常，系統(tǒng)狀態(tài)穩(wěn)定，未發(fā)生一起軟硬件故障。畫面數(shù)據(jù)顯示實時準確，報警提示準確及時。交換機網口負荷率普遍維持在1%左右，DPU負荷率普遍維持在2%～5%。機組啟動2次，解列1次，總計運行82 天，運行期間機組負荷在165～330 MW調整，各項功能應用正常，保護投入率100%，自動投入率100%，機組AGC可以保證至少180～330 MW投入，且控制品質良好，省調AGC測試速率高于省調考核標準，且有一定裕量。

通過對機組DCS改造升級，使機組各項指標達到DL/T 657-2015《火力發(fā)電廠模擬量控制系驗收測試規(guī)程》要求及安全評價要求，并且效果顯著，提高了控制系統(tǒng)自動化程度、機組控制水平及安全穩(wěn)定性。