电站辅助系统DCS试验台设计与开发

周翔捷，陈新楚，3，郑松，2

(1.福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州 350108;2.中海创研究院，福建 福州350008;3.福州福大自动化科技有限公司，福建 福州 350008)

1 引言

随着电厂朝着大机组、高参数、大容量发展[1]，单元机组集控运行成为当今火电厂的主要运行控制方式，同时对机组的控制自动化要求也不断提高，大型机组的控制系统普遍采用分散控制系统(DCS)。电站辅助控制系统也从过去的继电器控制方式发展到相对集中的子系统控制方式，辅助系统的体系架构也随之改变。近年来，也有许多学者提出利用网络等相关技术对辅助系统进行集成，使得各个分散的子系统的数据能够共享并集成到统一的控制室中，从而提高人员效率、故障处理反应速度等[2]，这种架构被称为一体化的辅助系统架构。一体化架构的应用将有效地优化辅网DCS控制系统。但是不管架构优化的如何，电站辅助系统DCS因与现场设备相连，必须按照规程来进行操作，更不可能在现场的DCS控制系统上面进行各种试验。因此，本文将以实际电站辅助系统DCS体系架构为蓝本，设计并开发电站辅助系统DCS试验台，为辅助系统DCS控制模式提供一套科学、完备和可拓展的试验室研究环境。

2 电站辅助系统DCS的一般体系架构

资料[3－5]，可以得出结论:电站辅助系统DCS的一般结构为监控层、控制层、设备层，其中设备层即现场的仪器仪表等。监控层与控制层之间的网络通信根据地理位置、网络通讯类型的差异而各有不同。

本文所涉及的辅助系统DCS的蓝本为神华石狮鸿山热电厂二期实际工程项目。石狮鸿山热电厂二期工程为2×1000MW超超临界燃煤发电机组，本工程主要根据辅助系统的工艺、功能和地理位置特点，将全厂辅网系统划分为水系统控制系统、除灰控制系统、凝结水精处理及取样加药控制系统、空压机控制系统、采暖通风控制系统、制冷站控制系统、输煤控制系统等子系统。

2.1 网络结构

整个辅控系统采用“集中监测，分散控制”的方式，设置一个集控中心，部分就地监控室，集控中心负责整个辅网系统的监控操作和对外系统数据交换，各子系统就地监控室负责本系统的监控操作。本工程通讯网络主要分为二层:监控层网络、控制层网络。

2.1.1 监控层网络

监控层网络采用为双网冗余结构，即图1中的A网、B网，负责实时数据的传输和共享，以及系统静态数据、系统历史数据、报警数据、性能计算数据的传输。由于集中控制室与各个子系统地理位置距离较远，所以集中控制室至各个子系统以及子系统监控层主干网络采用100Mbps工业光纤以太网。

2.1.2 控制层网络

控制层网络连接的硬件设备包括工程师站、操作员站、历史站、接口站(OPC服务器)。控制层网络采用双网结构，即为图1的D网、E网，负责控制系统主站与远程从站的实时数据传输。各控制子系统主站与从站间由于采用的PLC的品牌为欧姆龙，所以采用Controller Link 网络[6]。

图1 实际辅助系统DCS架构图

2.2 硬件系统

整个辅网硬件体系包括上位机系统硬件和控制站系统硬件，主要的硬件包括操作员站、工程师站、历史服务器、OPC服务器(接口站)、控制站以及外围设备(交换机、打印机、光电转换器)。控制站主要是以欧姆龙控制器为主，还有一些其他品牌的控制器。

2.3 软件系统

目前，各自厂家的PLC均采用软硬件绑定的方式，这种绑定方式增加了实际工程的复杂性及工程、培训成本[7]。在一项称为“工业自动化通用技术平台”(简称IAP)研究课题中，已经在10种不同的PLC或者工业PC中实现了统一标准的图形化控制算法研究。所以本工程的全套控制软件采用工业自动化通用技术平台IAP系统软件。其软件构成如图2所示，共分为数据引擎软件IAPengi、系统结构设备库组态软件IAP-plant、控制策略组态软件IAPlogic、人机界面组态软件IAPview、数据中心管理软件IAPdata、分布控制诊断软件IAPdiag、动态系统仿真软件IAPsimu等7大软件。

IAPengi主要装载在控制站内，提供数据引擎服务，实现跨平台技术。其他IAP软件均装载在PC机内。详细分布图可以参见表1。

图2 IAP软件构成图

表1 实际辅助系统DCS软件系统

3 试验台的体系架构

电站辅助系统DCS试验台的体系架构将充分根据电厂辅助系统DCS的一般体系结构来设计实现。其试验台的监控层、控制层的网络配置均与电站辅助系统DCS一致。控制站部分将IAPsimu控制站，采用PC作为辅助系统DCS的控制站，在实验室环境中构建与实际辅助系统DCS等效的控制系统。详细的试验台体系架构图参见图3。

3.1 网络架构

整个试验台采用与现场辅助系统DCS一致的架构体系，即监控层与控制层，其中监控层网络也是采用双层监控的方式，即集中控制层的监控与各子系统的监控。通过权限等设置，可以使集中控制系统监控网络查看各个子系统的现场情况，而子系统只能查看本系统的运行情况。

3.1.1 监控层网络

这道菜名声显赫、有气势，做起来却并不复杂。先把鲜虾仁、肉片、鸡丝口蘑、冬笋片、火腿片、葱白头等作为主料，加入各种调料，然后下锅熬成滚烫的汤汁儿；再把锅巴下热油锅炸脆、炸至金黄色，装入大盘中，最后将熬好的汤汁儿浇在炸好的锅巴上，这就可以了。

监控层网络同样采用双网冗余结构，每个PC均设置好相互通讯的独立IP地址。由于在实验室环境中，因此不存在远距离传输的问题。由此可得，集中监控层与各个子系统的监控层不需要采用光纤的通信方式，只需要采用以太网的模式即可。这只是传输介质改变，但是传输的信号没有改变，所以可把试验台监控层网络与辅助系统DCS视为等价。监控层也具有实时数据的传输和共享，系统静态数据、系统历史数据、报警数据、性能计算数据的传输等功能。

3.1.2 控制层网络

控制层网络同样也采用双网冗余结构，每个子系统均配备一个IAPsimu控制站，一个IAPsimu控制站可以设置100个控制器节点，即可以与100个PLC相对应，只需要改变节点即可改变控制站的切换。考虑试验台控制层网络的特点及IAPsimu的扩展特性，所以不需要配置主从站，且子系统的监控层网络与IAP-simu控制站的连接也只需要通过以太网的方式即可。IAPsimu控制站的拓展特性可以很好的简化了辅助系统DCS试验台的控制层网络结构。其实，在整个辅助系统DCS控制器不超过100个时，可以将四个IAP-simu控制站整合成一个IAPsimu控制站，但由于数据通讯量、计算量巨大，本试验台系统的PC机性能还未达到此要求。

3.2 硬件系统

相比整个试验台的硬件系统与辅助系统DCS的硬件系统，除了采用PC作为虚拟控制站和没有配置物理输入输出设备外，其他硬件配置与实际辅助系统DCS完全等效。试验台硬件系统包含操作员站、工程师站、历史服务器、IAPsimu控制站以及外围设备(交换机、网线等)。与辅助系统DCS相比，部分系统少了打印机与操作员站，但这些只会使这个系统无打印功能且缺少几个操作员的位置，对整体的体系架构没有影响。其中集中控制层配置一台工程师站、两台操作员站和一台历史服务器站，各个子系统都将配置一台操作员站和IAPsimu控制站。此外，一般电站辅助系统DCS的子系统不超过三个，所以图3的试验台完全可以满足实际需要。不过试验台还具有很强的拓展性。根据配置的网络设备情况，最多可以拓展到六个子系统，这也为后期要装载更为复杂的辅助系统DCS到试验台上做好准备。

试验台一共有12台PC机，每台PC机功能不尽相同，且每台电脑均配置冗余双网卡，需分配好IP才能使试验台有效工作。IAPlogic、IAPplant、IAPview、IAPsimu都需要准确的IP设置才可以完成通讯。

3.3 软件系统

试验台的软件系统也是采用IAP技术平台软件，利用其跨平台特性，实现用PC模拟实际控制器。操作员站、工程师站和历史站的软件分布见表2。

表2 辅助系统DCS试验台软件系统表

图3 辅助系统DCS试验台架构图

对比辅助系统DCS的软件分布表可以看出，试验台的软件分布与辅助系统DCS的软件分布完全相同。

此外，IAPlogic、IAPplant、IAPview、IAPsimu 都需要准确的IP设置才可以完成通讯。所以设置IP地址对于试验台的成功通讯尤为重要。除了上述提到的试验台网络架构、软硬件系统的配置与试验台相同之外，还需要保证工程组态、计算机操作系统等都相同。

4 IAPsimu控制站与PLC的等价关系

对比电站辅助系统一般体系架构与电站辅助系统DCS试验台体系架构，可以得出二者最大的区别为辅助系统DCS采用PLC控制，而试验台系统采用PC作为控制站。所以二者能否等价的问题其实就是PC是否能等价PLC的问题。PC上运行的IAPsimu虚拟控制站软件内含有数据引擎技术，通过这项技术可以实现PC与PLC之间的跨平台，从而实现PC与PLC的等价[8，9]。

其控制引擎机理与面向PLC的数据控制引擎机理一样，将组态所用到的各种功能块图形空间通过一定的映射机制，变为有规律的实时数据空间，数据可以有千变万化的组合，每个组合可以代表一种特定的控制算法，同时由预装在PC控制站中的数据引擎软件负责将数据模型空间再变换为PC控制站执行所需的指令空间。这种高度可移植的控制引擎技术同时能创建本地和分布式控制系统环境，即在同一种控制系统中，可以采用不同PLC做控制器，也可以采用PC做控制器。所以可以用装载有IAPsimu的PC来等价PLC。用装载有IAPsimu的PC等价PLC在许多工程中得到验证。

实际的操作只需要将现场设备库组态IAPplant软件中控制器由实际控制器改为IAPsimu控制器即可实现。

5 结论

针对目前电站辅助系统DCS控制系统中注重现场忽略实验室环境这一现状，本文提出一种基于试验台的方式来研究辅助系统DCS控制系统。通过电站辅助系统DCS一般体系架构与电站辅助系统DCS试验台体系架构的比较，可以得出二者架构体系差别仅在于控制器。再借助工业自动化通用技术平台IAP来解决PLC与PC的等效问题，从而可以论证二者体系架构的等效性。

通过试验台的研究，丰富了IAP跨平台技术的应用。根据电站辅助系统DCS的一般体系架构设计出的试验台具有通用性，可以运行不同电站的辅助系统DCS，后期还将载入其他电厂辅助系统DCS来验证其通用性问题。通过试验室的环境来研究电站辅助系统DCS，可以在试验台上做一些试验和开发工作，比如分

析辅助系统DCS运行中的问题和开发CCTV监控系统及辅助系统DCS中常用到的新元件。这些都将为辅助系统DCS控制模式提供一套科学、完备和可拓展的新的研究环境。通过电站辅助系统DCS试验台环境的研究，将会有利于电站辅助系统DCS的发展。

参考文献

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[4]孙瑜.4.国产DCS在600MW超临界机组辅助车间控制一体化中的应用[J].电力自动化，2008，41(8):76 －79.

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[6]OMRON Corporation.PLC-based process control seriersprogrammable[Z].2003.

[7]李飞.网络化集中控制在660MW火电厂辅网车间的应用[J].电站系统工程，2010，26(1):61.

[8]郑松，潘轶华，王龙南.以数据引擎和可编程控制器为基础的分散控制系统标准化[J].中国电力，2006，39(1):93 －96.

[9]郑松，倪维斗.基于数据引擎技术的通用控制站[J].电气时代，2008(9):122－125.