田建文

（華能新疆吉木薩爾發(fā)電有限公司，新疆 昌吉 831700）

0 引言

燃料輸送作為大型火電廠生產(chǎn)運(yùn)營中的重要環(huán)節(jié)，對火電廠的穩(wěn)定運(yùn)行與發(fā)展具有較大影響[1]。燃料輸送過程復(fù)雜，存在較多不確定與不可控因素，對燃料輸送的操作效率會產(chǎn)生不同程度的影響[2]?；诖?，該文在傳統(tǒng)燃料輸送控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入現(xiàn)場總線技術(shù)，以S大型火電廠為例，設(shè)計(jì)了一種全新的燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，為提高大型火電廠燃料輸送的效率、促進(jìn)火電廠的高速發(fā)展提供參考。

1 控制系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)采用3層控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為控制系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供基礎(chǔ)保障。控制系統(tǒng)采用局域網(wǎng)接入的S系列的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，其尺寸為45 mm×440 mm×290 mm，交換容量為56 Gbps，RAM內(nèi)存為128 MB。配置24個千兆RJ45端口，自適應(yīng)IEEE 802.3af PoE或IEEE 802.3at PoE+端口，能夠自動檢測并對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備提供所需功率[3]。管理員可以在控制系統(tǒng)圖形界面中配置、監(jiān)控和排除燃料輸送設(shè)備故障[4]?？刂葡到y(tǒng)數(shù)據(jù)中心電源采用在線式UPS類型的電源，其輸出功率容量為6 000 VA/5 400 W。數(shù)據(jù)中心電源前面板LCD界面能顯示控制系統(tǒng)燃料輸送過程中UPS狀態(tài)、電壓、頻率以及備用時間等，LED屏可顯示控制系統(tǒng)中各個設(shè)備運(yùn)行交流電輸入/輸出電壓、電池電量和輸送設(shè)備故障狀態(tài)。

2 控制系統(tǒng)軟件功能開發(fā)

上述燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)配置設(shè)計(jì)完畢后，該文又對控制系統(tǒng)各項(xiàng)軟件功能進(jìn)行了開發(fā)設(shè)計(jì)，具體步驟如下。

2.1 燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能設(shè)計(jì)

燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能作為該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)中的重要組成部分，對燃料輸送的效率具有直接影響。該文先對大型火電廠的生產(chǎn)運(yùn)營狀況與特征做出全面分析，初步獲取了燃料輸送現(xiàn)場總線控制邏輯。然后分別從控制系統(tǒng)物理地址與邏輯地址2個角度出發(fā)，描述燃料輸送過程中系統(tǒng)脈沖信號的變化情況[5]。再根據(jù)脈沖信號的動態(tài)變化和控制系統(tǒng)運(yùn)行的自動狀態(tài)條件， 設(shè)定燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能的開/關(guān)命令。在此基礎(chǔ)上，輸入大型火電廠燃料輸送的狀態(tài)條件，設(shè)計(jì)燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能的設(shè)備操作窗，如圖1所示。

如圖1所示，設(shè)定燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制標(biāo)題與操作按鈕，實(shí)時顯示系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)合PID控制原理，設(shè)定燃料輸送模擬量穩(wěn)定值，根據(jù)大型火電廠燃料輸送量的需求調(diào)節(jié)設(shè)備操作窗的滑塊位置，修改燃料輸送模擬量，使其接近穩(wěn)定值。通過控制系統(tǒng)設(shè)備操作窗實(shí)時調(diào)節(jié)輸送量與輸送時間，實(shí)現(xiàn)燃料輸送模擬量自動化控制的目標(biāo)[6]。

在此基礎(chǔ)上，實(shí)時分析總線控制系統(tǒng)中燃煤輸送床層壓力指令的動態(tài)變化，將系統(tǒng)輸出的壓力指令與實(shí)際燃料輸送需求進(jìn)行對比，獲取系統(tǒng)輸出指令的偏差。將輸出指令偏差通過系統(tǒng)的乘法器進(jìn)行增益處理，獲取輸出指令的增益系數(shù)，上傳至總線控制系統(tǒng)的PID控制器中，作為燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能的控制指令。燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能控制指令的表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：D為輸出指令的增益系數(shù)，即燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能控制指令；qa、qs和qc分別為總線控制系統(tǒng)的床層壓力、燃料儲存鍋爐床壓與燃料控制層壓力；qM為燃料儲存爐膛密相區(qū)的壓力；Tc為函數(shù)器轉(zhuǎn)換系數(shù)；hm為燃料輸送控制料層高度；r為總線控制系統(tǒng)運(yùn)行增益系數(shù)。在總線控制系統(tǒng)燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能處于穩(wěn)態(tài)時，qc等于零，此時，控制指令如公式（2）所示。

通過燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能實(shí)時控制燃料的輸送量與系統(tǒng)床壓偏差，保證總線控制系統(tǒng)燃料輸送的效率。

2.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在上述燃料輸送模擬量調(diào)節(jié)控制功能設(shè)計(jì)完畢后，實(shí)現(xiàn)燃料輸送量實(shí)時自動化控制的目標(biāo)。在這個基礎(chǔ)上引入現(xiàn)場總線技術(shù)，對控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全方位設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)通信、數(shù)據(jù)交換與傳輸?shù)膶?shí)時性與高效性。

該文在燃料輸送控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，以主、從站控制的形式為主，在系統(tǒng)主站與上位機(jī)、從站之間建立通訊連接。在連接中，以Profibus DP/PA總線協(xié)議為主要通信協(xié)議，布設(shè)大型火電廠燃料輸送現(xiàn)場總線設(shè)備，使現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)組件與控制系統(tǒng)上位機(jī)、現(xiàn)場總線設(shè)備之間能進(jìn)行高效實(shí)時通信。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)示意圖如圖2所示。。

為了提高控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量與效率，該文在燃料輸送現(xiàn)場總線DP網(wǎng)段設(shè)計(jì)中采用菊花鏈型結(jié)構(gòu)，在PA網(wǎng)段設(shè)計(jì)中采用樹型結(jié)構(gòu)。選擇5 Mbits/s的穩(wěn)定可重復(fù)性網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)中設(shè)置一定數(shù)量的節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)點(diǎn)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性與可靠性。

整體的燃料輸送現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)以分布式配置為主，遠(yuǎn)程控制燃料輸送控制系統(tǒng)中各項(xiàng)設(shè)備的參數(shù)設(shè)定需要結(jié)合燃料實(shí)際輸送狀況，調(diào)整系統(tǒng)的控制策略與程序。

2.3 燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

上述控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)通信與數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省＝酉聛?，該文對系統(tǒng)中燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能進(jìn)行了設(shè)計(jì)，以實(shí)時監(jiān)控大型火電廠燃料輸送設(shè)備的輸送操作狀況，掌握輸送現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為火電廠燃料的生產(chǎn)運(yùn)營提供保障。

首要的是確定燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能的監(jiān)控對象，對監(jiān)控對象的運(yùn)行方式進(jìn)行全面分析，掌握其運(yùn)行特征。該文設(shè)定燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能參數(shù)設(shè)計(jì)

表1中的相關(guān)參數(shù)具有較高的功能集成度與軟件結(jié)構(gòu)清晰度。在此基礎(chǔ)上，該文設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)上位機(jī)的實(shí)時監(jiān)控畫面，選取4個不同顏色來描述燃料輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)：紅色表示燃料輸送機(jī)處于輸送操作狀態(tài)；綠色表示燃料輸送機(jī)處于停止運(yùn)行狀態(tài)；黑色表示燃料輸送機(jī)處于故障檢修狀態(tài)；藍(lán)色表示燃料輸送機(jī)處于選中即將投入輸送操作狀態(tài)。顏色劃分的方式可使燃料輸送機(jī)當(dāng)前狀態(tài)在控制系統(tǒng)上位機(jī)實(shí)時監(jiān)控畫面中顯示得更加直觀清晰。

在火電廠燃料輸送過程中，總線控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)監(jiān)控燃料機(jī)運(yùn)行時燃料儲存鍋爐供油噴嘴的工作狀態(tài)變化與爐內(nèi)介質(zhì)溫升變化。在監(jiān)控功能中，設(shè)定總線控制系統(tǒng)的報(bào)警閾值，當(dāng)燃料儲存鍋爐供油噴嘴運(yùn)行異常和介質(zhì)溫升異常時，系統(tǒng)監(jiān)控功能通過現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)自動發(fā)出報(bào)警。燃料儲存爐內(nèi)介質(zhì)溫升計(jì)算如公式（3）所示。

式中：Vr為燃料儲存爐內(nèi)可燃混合物的容積；V為燃料儲存爐內(nèi)整體容積；Qr為燃料儲存爐內(nèi)可燃混合物單位容積熱值；Cr為燃料輸送過程中的爐膛介質(zhì)平均比熱容。

通過計(jì)算獲取燃料輸送過程中的儲存爐內(nèi)介質(zhì)溫升變化，溫升異常時，系統(tǒng)自動發(fā)出報(bào)警信號，幫助管理人員快速掌握燃料輸送現(xiàn)場的情況。通過燃料輸送機(jī)監(jiān)控功能，可提高燃料輸送的效率，保障輸送現(xiàn)場的安全性與有序性，實(shí)現(xiàn)大型火電廠燃料輸送監(jiān)控、控制與管理的目標(biāo)。

3 系統(tǒng)測試

上述內(nèi)容為該文針對大型火電廠采用現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計(jì)的燃料輸送控制系統(tǒng)的整體流程。在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的可行性做出客觀分析，該文進(jìn)行了如下系統(tǒng)測試。選取某地區(qū)S大型火電廠為研究對象，該火電廠的建設(shè)規(guī)模較大，包括各種類型的供熱機(jī)組。當(dāng)前的S大型火電廠運(yùn)行過程中，各臺機(jī)組均設(shè)置了DSC分散控制系統(tǒng)，應(yīng)用范圍有限，無法有效滿足燃料輸送的需求。該文將所設(shè)計(jì)的燃料輸送控制系統(tǒng)應(yīng)用到S大型火電廠中，對其應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

測試主要從2個角度出發(fā)，采用黑盒測試與白盒測試方法，分別對控制系統(tǒng)的運(yùn)行功能與性能進(jìn)行全方位測試。燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)各個功能模塊的測試結(jié)果見表2。

表2 燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)功能模塊測試結(jié)果

根據(jù)表2可知，該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)各個功能模塊運(yùn)行狀況良好，測試結(jié)果均符合預(yù)期要求，能夠?yàn)槿剂陷斔同F(xiàn)場總線控制提供保障。

在此基礎(chǔ)上，采用白盒測試的方法對控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試。為了更加直觀地驗(yàn)證該所設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的有效性，該文采用對比分析的試驗(yàn)方法，將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)與文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)進(jìn)行對比。控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中網(wǎng)絡(luò)刷新時間周期的3個時段如圖3所示。

圖3分別在網(wǎng)絡(luò)刷新預(yù)定時段、非預(yù)定時段以及操作維護(hù)時段內(nèi)，對控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況做出了分析，判斷各個時段內(nèi)燃料輸送控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。根據(jù)S大型火電廠燃料現(xiàn)場輸入工藝的需求與特征，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與CPU內(nèi)務(wù)處理時間。設(shè)置燃料輸送量分別為500 m3、1 000 m3、1 500 m3、2 000 m3、2 500 m3、3 000 m3。利用MATLAB分析軟件，分別測定燃料輸送量不斷增加下3種控制系統(tǒng)運(yùn)行時間并進(jìn)行對比，結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，在燃料輸送量不斷增加的趨勢下，該文設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)運(yùn)行時間較短，均不超過6 s，比另外2種控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度更快，能夠在較短時間內(nèi)完成燃料輸送操作，可行性較高。

4 結(jié)語

通過上述研究，能夠得到以下幾個方面結(jié)論：1）根據(jù)表1的控制系統(tǒng)功能模塊測試結(jié)果可知，該文所設(shè)計(jì)的燃料輸送現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的各個功能模塊運(yùn)行狀況良好，均符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。2）根據(jù)圖4可知，按照該文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，在燃料輸送量不斷增加的趨勢下，其運(yùn)行時間較短，均能夠在6 s內(nèi)完成燃料輸送操作，優(yōu)勢顯著。