大型火电厂辅网控制系统的研究概述

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(福州大学电气工程与自动化学院，福建　福州　350108)

1　引言

火电厂的辅助车间因其控制对象差异使得地理位置分布相对分散，每个车间采用各自的控制系统，且受限于当时通讯技术，各个辅助车间无法有效地通信，所以很难构建一体化的辅机系统。近几年来，大型国营企业都在进行改革，火电企业发现：辅助车间的高度集中控制的过程中，可以减少监控点，从而生产效率得到提高，因此，国内部分先进火电企业逐步开始着手对辅助系统进行技术改造，建立辅助车间的集中监控系统，并对全厂自动化监控和信息网络结构进行优化。

2　现场总线在辅网集中控制系统中的运用

2.1　控制系统的发展

大型火电厂的辅网控制包括以下几个部分：锅炉补给水处理自动控制、控制除灰、对空压机的控制、火电厂采暖通风的控制、对制冷站的控制以及对火电厂全部辅助车间的监控等。辅网各子系统的控制系统在发展着，PLC、DCS、FCS先后出现，新兴的FCS正渐渐被推广到辅网的各子系统中。

20世纪60年代发展出了可编程逻辑控制器PLC，之后电厂常使用PLC作为控制器来实行控制。PLC作为一种工业控制装置具有控制程序可变、编程方便快捷、功能完善、扩展灵活、系统构成简单、安装调试工作量少和可靠性高等特点，长期以来实现了很多工业控制，能满足许多工业要求。

20世纪70年代，为了改善原来集中控制系统的性能，美国、日本和欧洲等国研制出了集散控制系统DCS。DCS的一个经典结构便是由一个上位机PC下联多个PLC，这样的结构能方便实现集散控制，在下面多台PLC实现了控制功能分散，在上面的上位机实现了显示操作集中。DCS系统可实现复杂的控制规律，更加可靠，系统容易开发，操作方便，具有良好的性价比。

由于过去DCS系统设备间信息交换困难，连线繁杂，又出现了新的现场总线控制系统FCS。之前的传统控制系统是用一根通讯线连接一个设备仪器，以传递一种信息，如今的现场总线控制系统，底层设备仪器用现场总线相连接，多个仪器设备仅用一个通讯线控制，用一根数字通讯线取代了过去的多个模拟量传输线，接线更加简洁，从而实现了主站、从站的信息顺利交换。这就是现场总线控制优于之前的传统控制系统的地方。

2.2　国外电厂中现场总线技术的应用情况

90年代末，国外的发电厂发现传统的控制系统不能满足发电厂的需要，就已经开始尝试现场总线控制系统，如System302公司的就曾在美国的Duke power Oconee Nuclear、Power Plant、Mohave Generation Plant，墨西哥的Mazatlan、Guaymas和巴西的GESE等发电厂的共15组机组上得到应用。这些现场总线控制系统除了可以完成一般的数据采集功能之外，还实现了对燃烧、给水、过热气温和除氧器的控制，以及对电机的保护、启停和报警等功能。

1997年，现场总线系统首次应用于墨西哥Mazatlan发电厂1号单元机组，数据显示，投入运行连续使用 12个月，正常运行，无任何故障，锅炉的动态特性得到优化，与DCS相比所需费用节省了45% ，安装、调试时间更短，仅需3周。

德国RWE电力公司旗下的尼德豪森电厂共有13台机组。其中K机组属于热电联产、超超临界机组，主汽温度为580℃、主汽压力达到27MPa、总出力达到1012MW[15]。为了实现对发电厂的全厂监控，为了实现设备的智能化，DCS系统采用了Profibus现场总线技术，可以把设备的状态信息通过总线传输到DCS系统中。可以说Profibus把整个发电厂的全部数据集中起来，以便于管理。Profibus可以提供更多的设备信息，用于仪器设备的远程编程和设备的状态检修，因此对设备的诊断更加有效。

2.3　国内电厂中现场总线技术的应用情况

(1)莱城电厂

莱城发电厂#3、#4机组的分散控制系统采用的SIEMENS公司的TELEPERM-XP系统，400V及以下的电动机采用带有Profibus-DP协议接口的电机控制器SIMOCODE控制。SIMOCODE控制器置于就地开关柜中，用光缆串接，DCS工程师设计DCS组态控制，SIMOCODE不需要经过DCS内部组态，就地通过RS232接口直接输入。机组采用SIMOCODE控制，机组包括4个AP控制柜，每个控制柜中各有一个SIMOCODE控制器。TELEPERM-XP系统通过标准Profibus接口控制SIMOCODE马达控制器，系统监视得到的所有重要数据，并通过Profibus-DP网络迅速传到控制中心，实现快速诊断和控制[15]。目前该电厂已投入使用，并且运行基本稳定。

(2)华能玉环电厂

华能玉环电厂首次尝试了FCS,锅炉补给水控制系统中采用了现场总线仪表设备，该控制系统包括西门子PCS7417H、Profibus-DP和PA通讯网络、仪表和设备。其中压力及差压变送器采用ABB产品、磁翻板液位通过加装PA通讯模块完成、PH值等仪表采用Profibus-PA总线，所有的现场仪表、执行器和设备都通过DP/PA耦合器连接到总线网络上。气动阀门定位器实现气动阀控制是依靠PA总线，电磁阀箱通讯通过DP与PLC，总点数为202点，现场总线通过486个点连接。

(3)华能南京金陵电厂

应用现场总线的还有华能南京金陵电厂2×1000MW的燃煤机组的主辅机，现场总线系统的主机部分仪表及监控设备约960台左右，华能南京金陵电厂的总线覆盖率达40%到左右。主要保护和DEH、SOE，重要调节回路、6kV电机采用常规方式，水冷方式，总线标准选用Profibus[15]。

2.4　现场总线技术应用存在的问题

(1)传输量大带来的信息集中的危险

现场总线之中，当一条支路的电缆断了或者出现问题，这条支路就会瘫痪不能正常工作了。但是网状结构就不会出现这个问题，如果网状结构的其中某条支路出现问题，信息仍可以通过其他支路传递，系统仍可以继续工作，只是性能会下降。这个问题是现场总线的主要缺点，信息无法传输，可能造成不可估量的后果，因此也是至今未被用在关键场合的原因，这个问题也是我们急切需要解决的问题。

(2)现场总线产品的可选范围较少

由于现场总线的智能现场设备的规格和品种是比较少的，不像常规仪表品种和规格多元化，特别是针对电厂的高性能控制器和智能设备较少，国产设备更少，而且设备价格偏高，在设计系统时可选择余地不大。

(3)工程调试难度增加

现场总线技术的工程调试难度逐年增加，在调试和运行过程中会存在一定的困难，它包含较多的新的技术内容，较为复杂，需要专业的技术队伍来解决在运行过程中产生的难题。相对而言，Profibus较FF总线较为简单和容易实现。

3　变频调速解决火电厂恒压供水问题

3.1　火电厂锅炉控制系统现状

燃煤锅炉出口的温度将近1000℃,为了不浪费这部分余热,利用烟气的热量,用一个余热蒸汽锅炉产出系统的一种副产品 ——压力为0.8MPa的蒸汽。另外需要实时控制 余热锅炉的液位和蒸气压，但是不同的余热锅炉产出的烟气温度也不同，因此不能只根据余热锅炉的液位或者蒸汽压力来确定供水量。

蒸汽是利用加热炉的的尾气产生的，我们要求控制系统既能实现节能又能保证系统的供水稳定性，在实现节能的同时也对系统的供水稳定性提出了挑战，在供水量和用水量波动的情况下，为了保持水压恒定，可以采取变频恒压控制。

3.2　关于变频调速恒压供水

所谓恒压供水指的是通过使用变频器的调速功能以调节供水的水泵的转速，维持供水始端压力，保持供水始端压力相对恒定。现在各个行业都需要应用变频供水，变频供水已广泛的应用到各个行业，其品种也向着专业化、多元化、高级化、职能化以及变压供水等方向发展。

传统的单靠调节阀控制水量的方法，自动化程度较低，由可编程控制器、传感器、变频器和水泵机组构成的闭环控制系统，能够使管网压力保持恒定，满足了系统对自动化程度的要求，同时也具有高效节能的优点。

3.3　变频调速控制系统设计

文献[22]所描述的恒压供水实例，应用于一个已投入正常使用的燃煤热媒炉控制系统中，在此系统中，3 台水泵变频联动和余热锅炉烟气入口的冷却喷淋阀控制管线的水压。整个系统4 个余热蒸汽锅炉共用 1 套供水系统，因此 系统的需水量是随机的,要求 3 台水泵根据负载的变化能够自动启停、自动调速,以满足管线的压力[22]。供水系统的结构图如图 1 所示。

文献[23]在这种情况下根据管线的水压制定3台水泵变频联动控制方案,同时结合安装在每 1 台余热锅炉烟气入口的喷淋阀就可以有效的解决以上问题，整个系统 4 台余热锅炉、储水罐以及 3台水泵构成。4台余热锅炉共用 1套供水系统,系统的不同需水量可以根据通过水泵自动起停或者调速来满足负载变化,保证管线的压力[23]。系统框图如图2所示。

图1　供水系统结构图

图2　变频器恒压供水系统框图

文献[24]阐述热电厂锅炉给水系统中高压变频器的应用，实现恒压供水的最可行方案无非是设计一种闭环控制系统，恰巧变频系统有自带的比例、积分、微分控制功能，再结合压力变送器，从而实现闭环控制。锅炉给水示意图如图3所示，各泵的旁通阀关闭以后，由DCS给出给定连续可调的4～20mA对应0～10MP压力，结合母管上的压力变压器0～10MP压力信号对应4～20mA反馈给变频器，通过PID控制输出转速，实现给水流量的自动调整。

图3　锅炉给水PID示意图

文献[25]以南京制药厂为例，针对其锅炉给水泵的负荷情况，为其设计了采用闭环调节的恒压控制系统，该系统包括75kW变频调速机、压力传感器和数字压力显示仪，系统对锅炉给水泵实行恒压供水，其供水压力可调，根据给水情况的现实情况,通过闭环系统的反复调节,使压力可以一直保持在给定压力值，从而实现恒压供水。恒压控制系统框图如图4所示。

图4　恒压控制系统框图

文献[26]采用变频器控制，将锅炉的给水系统改造为稳定压力水供给。电厂锅炉给水系统配置了 4 台给水泵(水泵型号DG46-50×12)，配套电机(JS2355S2-2、132kW)，并且需要联锁，正常工作时,改造后的变频泵和工频泵同时运行，当运行泵发生事故跳闸，发出事故声响，不能运转时，备用泵将自动开始运转，消除事故声响，我们在改造的过程中，将变频控制系统与原来的工频控制回路相融合,从而不仅达到了改造前的联锁要求，又满足了锅炉的恒压供水。

文献[27]中的恒压供水控制系统，由PLC控制电机投切，由变频器提供变频电源，变频驱动信号由PID调节器输出提供，原理图如图5所示，将获得的水压给定信号，然后将母管出口压力信号取平均值，然后进行比较这两个值其差值信号既可以作为PLC投切电机机组的依据，又可以经PLC内置PID调节后输出，用于变频器频率给定，控其输出频率，从而对水泵电机转速进行设定，进而调节母管压力。

图5　恒压供水控制系统原理图

3.4　变频调速恒压供水优点

(1)节能:采用变频给水后，原给水系统调节压力的再循环伐门就不用开了，从而达到节能的效果。

(2)起动平衡，起动电流较小，避免大电流对电机的冲击。

(3)由于泵的平均转速降低了，从而使泵的事故率也明显减少。

(4)自我保护功能完善:发生故障时，可启动备用泵维持给水平衡[33]。

4　关于辅网控制系统抗干扰设计

在电厂控制中，Profibus现场总线以其在该领域优越的性能，吸引来了众多的使用者，文献[34]、文献[35]、文献[36]、文献[37]等文献都选择使用了Profibus现场总线。Profibus是德国标准(DIN19245)和欧洲标准(EN50170)的现场总线标准[38]。其由Profibus-DP、Profibus-PA、ProfibusFMS三部分组成。

其中，以Profibus-DP为例，Profibus-DP是一种适用于现场级分布式自动化外设之间的高速数据传输。在高可靠性冗余Profibus-DP主站的硬件系统设计中，可以采用西门子主站协议芯片和DPRAM配合设计硬件系统，进行主备冗余逻辑的建立和同步通讯结构的主备冗余电系统的设计，可以实现通讯主站对下、对上的无扰动数据交换，而在软件部分，可以通过循环调用初始化的方式以及数据交换程序，从而达到主从信息交换和主副卡的信息同步备份的目的。

使用现场总线通信时有可能出现现场总线网络的故障，将使该现场总线网络所连的设备通信中断，无法实现正常信息交换，为此文献[34]、 文献[39]、文献[40]、文献[41] 、文献[42]使用了冗余的现场总线，即使用两条通讯线来实现现场总线通信，一条故障时可以使用另一条来继续通信，具体如图6所示。

图6　控制系统DCS结构图

5　总结

本文深入分析了现场总线在火电厂辅网控制工程的运用，通过具体的工程案例，分析了现场总线的优点及不足，为之后在研究IAP与现场总线相结合的方面有重要意义；同时，在恒压供水方面，探究了变频调速如何提高锅炉供水的稳定性；在系统抗干扰的问题上，从软件和硬件了解了提高系统通讯的可靠性的保障措施，为今后搭建辅网集中控制系统有积极的借鉴意义。

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