发电厂化学水处理程控系统在线改造

包晓军

(望亭发电厂,江苏苏州 215155)

0 引言

望亭发电厂#11、#142台300MW机组化学水处理一级、二级除盐水(以下简称除盐水)程控系统以及凝结水精处理程控系统已经运行多年,虽经过几次改造,但仍存在诸多问题,如欧姆龙(OMRON)卡件的老化问题、欧姆龙分散控制系统(PLC)和AB PLC系统的兼容问题等,大大影响了系统的稳定运行。为提高系统性能及可靠性,必须对现有化学水处理程控系统进行全面改造。

经过充分的前期准备(包括PLC的调研、程控系统网络架构的比较、改造方案的确定等),2007年5月,在对新程控系统成功进行了全面测试后,启动了现场施工及调试工作。2007年6月,整个程控系统改造工程基本结束,开始投入运行。1年多的实际运行结果表明,该项目改造效果良好,基本达到了预期的目标。

望亭发电厂在线化学水处理程控系统的成功改造,为老厂公用系统(输煤程控改造以及母管制循环水控制系统等)改造提供了成功经验。

1 改造前系统情况

(1)除盐水系统为欧姆龙C2000H系列PLC,控制范围为:补水系统一级除盐系统(3列碳床/阳床/脱碳风机/中间水箱/阴床/补水混床,4台清水泵,2个清水池等);二级除盐系统(混11A/混11B/混11C);#11机组凝结水混床再生系统(阴塔/阳塔/贮存塔/罗茨风机4/罗茨风机5);净水系统;酸碱系统;压缩空气系统;复盖自用泵等。

(2)凝结水系统为RockwellAutomationABCon-trolLogix控制系统,中央监控为IntellutioniFix3.0组态软件。控制范围为:#14机组凝结水混床系统(混14A/混14B/混14C);#14机组凝结水混床再生系统(分离塔/阳塔/阴塔);加氨系统等。

(3)欧姆龙PLC采用RS232通讯与上位机相连,ABControlLogix采用ControlNet通讯与上位机相连。

(4)另有一些现场设备通过并行口与工业计算机相连,工业计算机为研华公司产品。

2 老系统存在的主要问题

(1)除盐水欧姆龙C2000H系列PLC已成为淘汰产品,备品备件无法购买,无法维修,系统技术落后。

(2)除盐水欧姆龙C2000H系列PLC与上位机通讯采用串口RS232方式,通讯技术落后(速率19.2K,传输距离15m,而ControlNet速率5M,传输距离1～30km;EtherNet速率100M,传输距离＞100 m);造成通讯速率慢,人机界面数据信息反应迟缓,并且HMI工控机经常死机,使运行人员不能及时掌握现场设备状态信息或进行设备控制操作,热工人员维护工作量大。

(3)除盐水欧姆龙C2000H系列PLC与上位机通讯时常中断,影响系统稳定正常运行。

(4)中央监控系统由4台研华工控机组成,该系统为2002年投产,由于计算机发展迅速,该工业计算机的处理能力相对较差。

(5)凝结水系统上位机采用的iFix3.0是2002年推出的产品,现系统的冗余配置没有实现,且系统数据采集监控计算机每台机器上的数据不统一。

(6)凝结水系统连接到中央监控服务器上时只连接到1台服务器上,使服务器无法冗余达到双机热备安全的要求。凝结水系统冗余网络(Control-Net)只有一条网络在使用,另一条处于闲置状态,网络冗余形同虚设。

(7)凝结水系统中双CPU软冗余,其中一个CPU没有工作,使CPU冗余形同虚设,经常自动停机。

(8)由于除盐水系统与凝结水精处理系统分别采用欧姆龙和AB2种互不兼容的PLC,无法实现PLC程序的融合,只能分别与上位人机界面(HMI)工控机通讯,需要在人机界面软件中实现有关的信号传递和逻辑联锁。这样,一方面增加了工控机的通讯负担,另一方面若工控机故障可能会影响到PLC逻辑程序的正常运行,降低了系统的整体可靠性。

3 改造总体目标

全面更换除盐水程控系统欧姆龙C200H系列PLC,采用ABControlLogix5000系列PLC,将同样采用ABControlLogix5000系列PLC的凝结水精处理程控系统主站CPU模块拆除后,保留其I/O端子并与新上的除盐水处理程控系统整合为一体。同时,在充分吸收新的运行工艺要求的基础上,将除盐水处理和凝结水精处理程控系统的PLC程序重新整合到一套程序中。

改造后的除盐水和凝结水精处理程控系统PLC主机采用双机热备冗余方案。即配备2套相互独立的PLC主机(分别配备电源模块、CPU模块、通讯模块以及热备模块等),2套主机CPU通过冗余组态来实现双机热备功能,2套主机CPU中的控制程序在运行中保持同步运行;运行中当1台PLC出现故障时,备用PLC能自动投入,保证整个PLC程控系统的正常连续运行。同时,各I/O站与PLC主机之间的通讯也采用双路冗余通讯以提高通讯可靠性。

配置2台互为冗余的上位机,每台上位机安装2块以太网卡,通过以太网线接入一对冗余的以太网交换机;2台PLC主机也通过通讯模块和以太网线分别接入这对冗余的交换机,在分别实现上、下位机设备冗余的基础上,进一步实现上、下位机之间的通讯冗余。

另外,为了使上位机人机界面尽量保持原有的功能和风格,以便于运行人员按照以往习惯接受和使用,上位机组态软件采用GE公司的iFix4.0方案:网络开发运行版(服务器版兼开发与运行功能)+客户端运行版的方案。

4 此次改造需要解决的技术难点

由于望亭发电厂化学水处理程控系统改造是在#11、#142台机组的安全连续运行下进行的,化学工艺水系统必须连续供应,给改造工程的现场施工和调试带来了较大的难度。必须制订周密的、有针对性的施工、技术措施和调试步骤,以保证工艺系统的正常运行。另外,由于老系统构成复杂,又经过多次改造,资料图纸与现场实际有诸多不符,给改造带来了难度,必须经过现场详细摸底才能确保2套数据库的整合顺利进行,保证原有功能不变甚至优化。

5 施工调试方案制订与实施

针对老系统的特点及其存在的各种问题,结合改造目标要求,制订了设计及施工调试方案并进行了实施。

5.1 明确界定改造范围

为了在保证实现改造意图的基础上,尽最大可能缩小影响范围,保证有限的资源和力量得到合理利用,从而提高工作效率、降低改造风险,经过充分讨论和分析,明确了老系统必须更换和应该保留的部分。

(1)要将除盐水程控系统欧姆龙C200H系列PLC更换为ABControlLogix5000系列PLC,并与凝结水精处理程控系统进行整合。同时,依据旧程序并结合运行工艺新要求重新编写PLC逻辑控制程序,将除盐水处理和凝结水精处理2部分的程序整合为一体,避免老系统中2部分之间的数据交换依赖于上位机软件的情况,实现PLC控制系统硬件和软件的全面整合,保证下位机之间的独立性。

(2)更换上位机工控机以及人机界面软件。为提高系统性能,将上位机人机界面iFix软件升级为最新版本,并重新编写底层数据库通讯程序,实现与新整合的PLC系统的全面整合。

(3)需要敷设用于2台机组的汽水取样装置与主控室程控系统上位机通讯的光缆和安装光电通讯转换设备,需要将程控系统直流开关电源容量进行扩充等。

为了充分利用已有设备、提高改造效率、降低改造风险,并尽量与已经建立的检修运行规程和使用习惯保持一致性,现场机柜以及柜内继电器和端子等附件基本保留不动,上位机软件中的主要画面通过升级转换直接使用。

5.2 改造计划及实施

为了使改造能够顺利实施,制订了如下实施计划和步骤:

(1)现场摸底、编制详细的设计施工图纸。由于此前的化学水处理程控系统经历过数次改造,图纸资料与现场实际情况存在诸多不符,需要逐台设备、逐个信号进行彻底的现场摸底核查,为新系统的设计提供准确有效的依据。

根据现场摸底情况,在新系统的设计中主要遵循以下2个原则:一是凝结水精处理系统部分I/O信号的地址和对应的信号变量名称尽量保持不变,除盐水系统部分的I/O信号通道按照新的I/O模块布置重新进行分配,但尽量保持与旧系统的信号通道排列顺序一致;二是上位机的画面直接从旧系统升级,并且上位机信号变量名称尽量保持不变,重新通过第3方的数据库软件实现上、下位机之间的通讯信号的转接,避免无谓的重复劳动、降低调试过程中的风险。

(2)硬件组装测试、软件程序模拟。在进入现场安装调试前,将整个新程控系统在调试车间内搭建起来,进行通讯测试、通道检查、程序模拟测试,完全排除可能存在的硬件或软件设计缺陷,降低现场安装调试的风险。通过这部分工作,主要消除了画面软件升级形成的错误,检验了通讯软件程序的性能,校对了软件和硬件通道的一致性,通过模拟测试修正了逻辑程序的一些错误。另外,在组装测试车间将新模块接线臂的信号线预先接好并套好标记,以便于现场接线。

(3)现场分步施工、分步调试。在保证工艺系统运行的前提下,分步推进现场施工调试工作。具体按照如下步骤进行:

1)解决电磁阀控制电源压降过大的问题。经过现场检查试验发现,长期以来未能解决的电磁阀控制电源压降过大的主要原因是电源供电母线的线阻过大。在利用电缆中的备用芯并接的方式增大电源供电母线的导体截面、将程控柜内直流电源母线更换为较粗导线后,问题得到顺利解决。这个问题的顺利解决,大大方便了后面的调试工作。

2)现场测试新系统的上位机程序。在新系统的2台上位机中分别安装老系统和新系统的程序,同时与程控系统PLC通讯,操作员继续使用旧程序,同时观察新程序画面是否同步变化(新程序需要作适当的通讯设置),既检验工控机的性能,又检验了新的人机界面程序。

3)现场测试新系统的PLC程序。在现场,临时将新系统的PLC模块和机架布置在对应的机柜附近并接上电源,通过以太网建立与新系统上位机的通讯,现场测试上、下位机的程序以及信号通道。另外,与运行人员协调,采取将现场设备切换为就地手动操作方式等临时措施后,将新的PLC程序装载到凝结水精处理程控系统的CPU中,然后再逐一切换到程控方式进行单体调试直至系统联调。由于新程序此前经过了充分的模拟测试,并且在进行相关的PLC组态时尽量保持了经处理部分原有的组态配置,该部分工作几乎是一次投入成功。

4)将除盐水系统的模拟量信号(4～20mA)采用串接的方式接入新系统的模拟量模块通道。由于同是串接在新旧PLC的模拟量模块通道中,新老系统均可以监视工艺系统中的重要模拟量信号(如流量、压力、温度等)。

5)将除盐水系统开关量I/O信号接入新系统的PLC模块并进行程控调试。先将除盐水系统设备全部切换到现场就地手动控制模式,并利用除盐水系统各列设备交替运行的间隙,分批将开关量I/O信号接入新系统的PLC模块,由于新模块接线臂的信号线已经事先接好并套好标记,现场只需要将相应的信号线“对号入座”,这部分工作进展非常顺利,几乎没有出现误接的情况。再逐个将现场设备切换到程控模式进行调试,由于软件程序经过了反复测试,相应的调试工作非常顺利,开关量I/O信号转接入新模块、单体设备调试以及系统联调用时不到1周。

6)将凝结水精处理系统并入新程控系统。拆除凝结水精处理系统主站CPU,将主从I/O站全部作为从站接入新的程控系统。

7)新系统的PLC模块和机架最终安装就位。拆除除盐水系统的PLC模块和机架,将除盐水系统的模拟量信号直接接入新系统的模拟量模块通道,将虽然已经开始使用,但临时“挂”在柜边的新系统的PLC模块和机架安装就位,整个改造最为核心的工作基本结束。

最后,将2台上位机内的程序全部更新为新程序,实现了上位机冗余运行。将汽水取样装置的信号采集设备以及通讯设备进行更新改造后接入了新的程控系统;最后完成了数据报表程序的调试,整个系统全面投入运行,改造工程基本结束。

6 改造中遇到的问题及解决办法

(1)程控系统送至现场的24V(DC)控制电源电压压降过大,只有把系统的24V(DC)控制电源全部提供给要控制的少量电磁阀时才能控制电磁阀正常动作。因此,难以确认现场电磁阀的实际动作情况,需要运行人员到现场查看阀门的动作状态,使得相应的运行操作比较繁琐。通过现场电缆、电源的仔细排查,找到了故障点,解决了长期以来电压过低的缺陷。

(2)在进入现场施工阶段,通过对原程序的检查发现,较多的设备实际并未正常投入程控运行状态,在前次改造后,仍然只能通过现场手动方式控制,实际与图纸不符。经过和运行方面的沟通,在新系统中对该部分程序进行了优化并投入了程控。

(3)#11机组汽水取样系统通讯连不上,排除了光缆问题后,主要原因是就地工控机通讯不正常,重新配置编程后通讯基本正常。

7 结束语

整个改造工程中克服了需要维持工艺系统正常运行、允许施工调试时间短、现场施工空间狭窄、施工工序复杂、原来未投程控设备的不确定性大、新旧PLC模块兼容性差等困难,通过精心准备,加上电厂运行、检修方面技术人员在改造实际施过程中,积极配合施工单位专业技术人员,适时进行方案的合理调整,使得整个项目实施过程不断得到优化调整,改造圆满成功,完全达到了改造的预期目标。在改造过程中以及投入运行的初期,虽然上位机工控机曾经发生过死机现象,但经过优化系统程序、重装软件处理后,整个系统已经连续无故障运行1年多,大大提高了系统的可靠性和安全性。