大型发电厂辅助车间控制系统的优化设计

高玉玲 刘志明

（1.中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司；2.河南工程学院土木工程学院）

煤价上涨和电力产能趋于过剩，致使电力市场的竞争越来越激烈。 提高电厂经济运行水平和管理水平，实现减人增效，提高电厂的市场竞争力，成为电厂各级领导关注的重点。 目前电厂主厂房基本实现了炉、机、电一体化集中控制，设置1～2 名全能值班人员， 外加少量现场巡视人员就能满足单元机组启动、运行、停止或事故处理需求。 然而，辅助车间的控制水平与主厂房控制还有一定差距。 因此，优化辅助车间的控制方案是提高全厂自动化水平的关键所在。

1 目前国内大型发电厂辅助车间控制方式比较

自DL/T 5227—2005 《火力发电厂辅助系统（车间）热工自动化设计技术规定》对辅助车间的控制提出要求以来，辅助系统（车间）的控制水平得到了一定程度的提高。 随着计算机和网络技术的发展，以及电厂管理和发展的需求，逐渐形成了两种辅助车间控制方案。

1.1 方案一

全厂各辅助车间按照物理位置相邻或系统性质相近的原则合并控制系统和控制点，采用系统分类集中控制方式，即设水、煤、灰3 个分类系统控制点，分别对水系统、煤系统和灰系统进行监视与控制。

优点： 值班点距离被控设备和装置较近，检修和维护方便。

缺点：3 个值班点， 运行维护人员设置较多，年运行维护人员费用较高。 按照4 班3 运转，其中水、煤值班点每值分别按5 人（2 名运行人员，3名巡检人员）计算，灰值班点每值按3 人（2 名运行人员，1 名巡检人员）计算，同时考虑10%备员，需要配置运行和巡检人员共57 人， 按某电厂年平均工资水平5 万元/人计算，年运行维护人工费用为285 万元。

1.2 方案二

水、煤、灰控制系统上层搭建辅助车间集中控制网络，全厂辅助车间（系统）采用集中控制方式，设置1 个集中控制点，实现辅助车间系统全能值班运行模式。 辅助车间系统集中控制室与机组合用集中控制室，或者独立设置，布置在辅助车间区域适当位置。

优点： 全厂辅助车间设置1 个集中控制点，可大量减少运行和维护人员，实现减员增效。按5班3 运转，每值按5 人（2 名运行人员，3 名巡检人员）计算，考虑10%备员，只需配备27 名运行人员。 与方案一相比，本方案可减少运行检修人员30 名，同样以年平均工资水平5 万元/计算，年运行维护人工费用为135 万元，每年运行维护人工费用减少150 万元。 此外，由于控制点合并，减少了就地控制室面积和相应配套设施 （暖通、消防及照明等）前期基建的施工费用。

缺点：水、煤、灰控制系统上层搭建辅助车间集中控制网络， 需要增加前期基建投资费用约100 万元； 运行和维护人员作为全能值班和维护员，要求对水、煤、灰各系统都能够做到灵活监控和维护，对运行维护人员要求非常高；由于控制点距离被控设备和装置较远， 增加了运行维护人员的工作量。

1.3 控制方案选择

方案二虽然增加了前期基建投资费用约100万元， 但是每年运行维护人工费用比方案一减少150 万元，在全寿命周期（30 年）内可节约人工费用约4 500 万元。 因此，推荐选用方案二，即全厂辅助车间（系统）设置1 个集中控制点，实现辅助车间系统全能值班运行模式。

2 辅助车间控制系统网络设置

2.1 设置水、煤、灰3 个控制网络

对应设水、煤、灰3 个控制点，设置水、煤、灰3 个独立的控制网络。这种方式比较普遍，不再赘述。

2.2 设置辅助车间集中控制网络（即辅控网）

辅控网是辅助车间系统控制方案优化设计，是实现全厂辅助车间系统集中控制的必然选择。辅控网结构方案有两种。

2.2.1 方案一

如图1 所示， 按照物理位置相邻或系统性质相近的原则，将锅炉补给水处理、循环水处理、工业废水处理、 生活水处理及凝结水精处理等系统设置一套控制系统进行监控，为水控制系统；两台机组除灰和灰库合设一套除灰控制系统， 实现对两台机组的气力除灰、 灰库及灰库气化风机等的监控；输煤、卸煤、配煤系统设置一套输煤控制系统， 对整个输煤系统进行监控；1#炉和2#炉除尘系统设置一套控制系统， 为除尘控制系统。 在此基础上构建辅控网，实现在集控室对水、灰、输煤和除尘各系统的集中监控。 另外，水控制系统、灰控制系统、 输煤控制系统和除尘系统各设置就地操作员站，用于设备调试和系统运行初期时使用，待条件成熟后过渡到辅控网操作员站集中监控模式。 辅助车间系统主要参数和运行工况由辅控网经接口机送至SIS。

图1 辅助车间控制系统网络结构方案一

除尘控制系统由除尘器厂家配供，一般采用PLC 实现。 如果水、煤、灰控制系统采用DCS，而除尘控制系统不能与水、煤、灰控制系统硬件一致，则除尘控制系统采用通信方式接入辅控网。

2.2.2 方案二

锅炉补给水处理系统、 循环水处理系统、工业废水处理系统、生活污水处理系统、凝结水精处理（包括主厂房加药、汽水取样等）、气力除灰系统（包括灰库区等）、输煤系统及除尘系统等各辅助系统（车间）的控制系统直接接入辅控网，实现在集控室集中监控；辅助系统（车间）主要参数和运行工况经接口机送至SIS。

2.2.3 结构方案比较与选择

从生产运行的传统看，方案一更适合运行人员的适应过渡，有利于电厂不同辅助系统调试和试运行时对时间和地点的协调。 辅控网与辅助系统车间系统的联网调试，可在辅助车间的控制系统调试、投运后进行，比较稳妥可靠。 方案一符合目前我国的国情。

从技术角度讲，方案二网络规划简洁、网络层次少且数据存储次数少，全厂各辅助控制系统就近接入辅助车间集中监控网。 但这种方式实施过程中与各辅机工艺厂家配合较多， 协调较多，调试难度较大。

综上所述，推荐工程实施时采用方案一。

3 辅助车间控制系统硬件选择方案比较

3.1 辅助车间控制系统硬件方案

长期以来，大部分电厂的辅助车间控制系统硬件采用PLC 系统控制。随着主厂房和辅助车间控制系统硬件一体化在电厂的推广，现在很多新建电厂辅助车间控制系统硬件大多选择与主厂房软硬件一致的DCS。 无论辅助车间控制系统硬件采用DCS 还是PLC，两者控制范围相同，不同的是网络形式和控制系统硬件。

3.2 DCS 和PLC 比较

3.2.1 安全可靠性

PLC 的关键部件是CPU，每个公司均有不同系列的CPU 产品， 不同系列CPU 的不同之处在于内存，也即带点能力。 CPU 带点能力一般从两千多、上万甚至上十万I/O 点不等，每套控制系统一般设置一对双机热备CPU。

DCS 系统的关键部件是DPU， 不同型号的DPU 带点能力各不相同， 一套DCS 系统有若干对DPU，一对DPU 为一个站，即DCS 为保证控制系统的安全可靠，采用了分散控制方案，使危险分散开，不会因局部故障而造成大的事故，保证整个系统安全可靠。

3.2.2 人机接口

PLC 厂家一般不提供人机接口装置，人机接口往往由集成商采用通用监控软件自主完成。

过去DCS 集成的人机接口装置往往具有功能较专业且稳定性较好的特点， 但其价格偏高。随着PC 技术的快速发展， 一些通用监控软件发展很快，功能和性能逐渐超过了DCS 厂家提供的专用装置，因此现在不少DCS 厂家也逐渐采用通用监控软件。但DCS 厂家并不是简单地拼装通用监控软件，而是在通用监控软件的基础上，通过合作开发，将多年积蓄的网络通信技术和系统自诊断技术以专用软件包的形式融合进去，软硬件之间接口更专业，结合得更好。

3.2.3 控制器处理功能

过去，PLC 控制器处理I/O 能力大于DCS 控制器，主要是因为DCS 主要用于模拟量、连续和复杂的自动调节控制， 侧重点在于系统的可靠性、分散性和复杂数据的处理能力，带点能力强的控制器在实际应用中没有太多的需求，而且会将危险集中。

PLC 则不一样，PLC 控制一般侧重于开关量和简单的顺序控制，带点能力越强也就越能体现其集成性和适应性。 所以从运算速度上讲，在逻辑运算方面PLC 比DCS 要快。

目前，随着PLC 和DCS 技术的发展，两者相互渗透，在功能、运算速度等方面的差别已经越来越小。

3.2.4 组态维护功能

组态维护功能包括逻辑组态、程序下装及运行调试等。

一般PLC 以梯形图为主，DCS 以模块功能图为主，从开发效率和程序可读性考虑，模块功能图越来越成为主要的编程方式。 在程序下装和运行调试方面，DCS 可以在线修改控制策略、 在线下装控制策略， 对系统的正常运行没有影响；对PLC 来说修改和下装控制策略相当复杂，首先修改控制策略需要离线修改，修改后下装需要等设备停运后或做相应保护措施后进行。

由此可见，DCS 在组态维护方面功能远远超过PLC。

3.2.5 经济性比较

从目前DCS 和PLC 系统的市场竞争来看，DCS 的竞争主要是在不同品牌的供应商之间展开。 PLC 系统主要是同一品牌不同集成商之间的竞争。 PLC 的价格下降不如DCS 幅度明显，主要原因是DCS 生产商直接参与竞争，在激烈的市场竞争下，为了赢得市场，不断降低设备制造成本和工程实施费用。 而PLC 生产厂不直接参与竞争，为了赢得市场，集成商只能压低自己的工程实施费用，所以下调幅度有限。

目前市场上进口PLC 平均每点价格在650～700 元左右（工程总报价/工程总点数）；进口DCS平均每点价格在450～600 元左右；国产DCS 价格远远低于PLC，一般平均每点价格在250～400 元左右。

综上所述， 从DCS 和PLC 技术特点的比较可以看出，DCS 系统的技术性能优于PLC 系统；国产DCS 的价格远远优于进口PLC 的价格，而进口DCS 的价格也略低于进口PLC 的价格。 另外，如果辅助车间控制系统硬件采用与主厂房硬件一致的DCS， 可以减少备品备件的品种和数量， 降低培训费用及维护人员的工作难度及强度。 故推荐辅助车间控制系统硬件选择DCS，尤其是与主厂房控制系统硬件一致的DCS。

4 辅控网与机组DCS 的连接

辅助车间控制系统硬件选择与主厂房控制系统硬件一致的DCS。 锅炉补给水处理、循环水处理、工业废水处理及凝结水精处理等系统设置一套DCS，两台机组除灰、灰库及灰库气化风机等设置一套DCS；输煤系统设置一套DCS，电除尘系统设置一套DCS，进而在各辅助车间控制系统DCS 基础上构建辅控网。辅控网由辅助车间控制系统厂家与辅控DCS 一并提供， 融为一体，辅控网操作员站、 工程师站与辅控DCS 操作员站、工程师站软、硬件相同。

辅控网可以是单独的控制网络，也可以和机组DCS 网络连接，形成机组和辅助车间系统一体化的控制网络。 一些国外项目招标要求辅助车间和主厂房合设一个集中监控和生产管理网络，通过集中控制室内的全功能操作员站对全厂（包括各辅助车间系统）进行监控。 国内一些发电集团和设计单位也做了一些有益的尝试。 图2 为国电荥阳电厂一期工程采用的主辅控DCS 一体化方案，水、煤、灰控制系统纳入机组DCS 公用网络，公用网设置完整的操作员站和工程师站。

图2 国电荥阳电厂2×600MW 超临界机组DCS 系统网络结构

辅助车间控制系统纳入机组DCS 公用网，机组DCS 和辅助车间控制系统互相连接、 互相交叉，系统相对复杂。 如果要实现主辅系统全能值班，要求运行人员既精通机、炉及电等工艺系统，又熟悉辅助车间的水、煤、灰等工艺系统，对值班员的素质要求极高。

设置独立的辅控网， 与机组DCS 不连接，网络简单清晰。 要求辅控网全能值班人员全面掌握水、煤及灰等辅助工艺系统，对值班员也提出了比较高的要求。

综上所述，采用独立的辅控网比较符合目前的国情，对于一些有特殊要求的项目可以满足要求，采用辅助车间控制系统纳入机组DCS 公用网的方案。

5 结束语

在充分考虑电厂运行需求的基础上，利用计算机网络技术和计算机控制技术，对全厂辅助系统（车间）的控制方案进行优化，最终的优化方案为：除纳入机组DCS 的系统外，其余系统本着工艺系统相仿、物理位置相近，有利于提高自动化水平的原则，按水、输煤、除灰系统分区设控制网，均采用与机组DCS 一致的硬件，在此基础上构建辅助车间集中控制网络，实现在集中控制室的辅控网操作员站上对各辅助车间系统集中监控，提高了全厂的自动化水平，减少了监控点，最大程度地实现了减员增效。