电厂除灰系统DCS改造探讨

张晓旭 马金旺

河北衡丰发电有限责任公司 河北衡水 053000

电厂除灰系统的改造对提高能源利用率、节约资源以及环境保护均具有重要意义。电厂除灰系统DCS改造影响发电企业的生产运营和环境保护规划的顺利实施，改造除灰系统必须要放到火电厂新时期战略发展的重点工作任务中。

1 原控制系统概述

某发电厂输灰系统采用气力除灰系统，由包含两台上位机（CRT操作站）的一套双机冗余PLC系统（S7-300系统）实现功能，两台S7-300PLC间采用PROFIBUS现场总线的方式进行数据通讯。其中，上位机监控软件采用WINCC组态软件，分别对#1、#2炉的8台仓泵及空压机、库顶卸料排气及灰库料位、灰库底卸料、分选风机等设备进行状态监视及控制[1]。

该电厂#1、#2号机组除灰系统设有独立的除灰控制室，对整个过程系统进行集中监控、运行管理和自动顺序控制。在这其中，顺序控制采用可编程逻辑控制器（PLC），其顺序控制逻辑设计满足过程系统的相关控制要求。

除此之外，灰处理控制室采用CRT操作站进行监控，即通过CRT屏幕、键盘和鼠标对整个过程系统进行监控，无需常规的模拟面板。就地控制柜（箱）应设置在压力传输设备等就地场所，并在柜（箱）内设置远程/就地开关，这样可以对相应的子系统或单个设备进行就地操作。

S7-300系统采用模块化设计，机架的机箱上安装有电源模块、CPU、各种信号模块、通信处理器等模块。CPU配备了采用S7协议的标准化MPI接口，该接口既是编程接口，也是与PLC进行数据通信的数据访问接口，从而形成一个多点接口MPI网络，其构成框图如图1所示。MPI网络上的所有设备都称为节点，并且每个节点具有在所述S7-300硬件配置设置不同的“MPI网络地址”。

图1 S7-300系统网络构成

除灰系统主要采用自动运行方式，由上位机键盘和CRT界面对系统内各设备进行监视、控制和管理，完成以下功能：

（1）实现对各系统的组态控制；

（2）对单独设备的操作；

（3）运行设备的控制和管理；

（4）事故报警和超限报警；

（5）对运行事故及操作的历史追忆。

公司采用的是两台S7-300PLC互为冗余的控制方式，两台S7-300PLC的通讯方式采用PROFIBUS现场总线的通讯方式。

2 改造原因

随着机组运行时间的不断增长，除灰控制系统内相关设备的不断增加，主机系统对除灰控制系统运行自动化的需求也越来越高，这就导致了原除灰S7-300系统暴露的弊端逐渐增多，甚至影响电厂除灰控制系统的安全生产和平稳运转。

（1）原S7-300控制系统已经使用十余年，因电子元器件老化、通讯电缆老化等原因导致PLC故障和通讯故障频发，致使运行人员不能监视实时画面，系统无法正常输灰，严重影响运行安全和生产效益。

（2）原控制系统的历史追忆功能不健全，只有几个重要的压力参数能够追忆历史，不能为运行人员和生产维护人员提供可靠的历史数据和历史信息，使得相关人员在调整运行状态和维护设备的过程中困难重重。

（3）上位机因使用年限过长、日常维护不到位等原因，主板等设备故障频发，且因设备出厂时间较早，备品备件不易采购，正版软件不易授权等问题导致经常两台上位机不能正常使用。

鉴于上述原因，公司决定对#1、#2机组除灰控制系统进行升级改造，由西门子S7-300控制系统改造成智深EDPFNT+DCS控制系统。

3 具体改造方案

3.1 DCS系统的构成

在此次的改造当中采用了智深EDPF-NT+ DCS的控制系统，采用了2对分散控制DPU的装置，分别对应了#1、#2的机组，历史站、工程师站、MIS的通讯站各有一个，操作员站则有两个，新的DCS系统由于分散控制DPU的装置、操作的管理站、通讯网络等等三部分而组成，如下图2所示。

图2 新DCS系统构成

在新控制的系统当中，DPU完成了数据的处理和控制、采集，也是整个系统当中最为核心的组成部分。DPU分别对应了#1、#2机组之中的除灰系统，完成了除灰系统设备当中的顺序控制、启停、联锁保护与自动调节等等功能，数据监视、报警显示、历史趋势和实时趋势等功能完全满足运行人员对系统的监视、操作控制和数据分析。

两对DPU分别对应#1、#2机组的除灰系统，满足风险分散原则，其中一台机组停运时便可对相应的DPU进行检修，时间灵活、便于维护。系统中，DPU、交换机、操作员站等设备均采用双网线通信，安全性能将更加可靠。而且新系统包含信息网（MIS网），与厂级实时监控系统通讯，更利于生产管理和厂级决策[2-3]。

3.2 电源系统的组成

系统的电源使用双路电源供电，分别来自于厂内的UPS电源和保安段电源，配有电源自动切换模块。每个DPU控制柜也配有双路电源模块同时供电，提供两路直流24V和48V电源，即使运行中丧失一路电源，也不会对系统造成任何影响，从而保证整个系统更加安全可靠。

3.3 通讯网络的冗余

所有的网络连接均采用A/B网络的冗余配置，保证在整个DCS系统中每台包括工程师站、操作员站和历史站等在内的MMI站和DPU站均有两个以太网地址，分别接入不同的网段，实现整个DCS同的网络冗余。

4 逻辑实现

仓泵的输送程序如下：初始时，仓泵内部是空的，各阀门在关闭状态。顺序开透气阀、进料阀和蝶阀，仓泵进料，当料位计发出料满信号或进料计时时间到，依次关蝶阀、进料阀和透气阀，打开进气阀，将泵内物料流化。当压力达到一定值时，打开排放阀，排放阀开始排放；当泵压降到设定值或排放时间过期时，关闭进料阀、进料阀和排放阀，出料过程结束，开始进入下一循环。

改造后，原除灰工艺流程基本不变，但在自动控制中，新增了一道出料工序，使整个除灰流程更加安全合理。进料前，先进行出料顺控，确保将仓泵打空后再进料，逐次循环，避免了仓泵在本身料位很高的情况下再进料，会造成仓泵堵料，引发设备故障。

系统自动控制程序运行步骤为：运行人员在CRT界面上点击“自动”按钮，仓泵按出料——准备进料——开始进料——进料结束（料位到或进料记时到）——准备出料——开始出料— —出料结束，完成一个循环。

此外，改造后的控制系统，操作人员可以通过CRT界面设置各输灰单元的参数，包括进料时间、料位控制、空压机故障报警压力下限、管道堵塞压力等，系统自动计算出进料时间、总进料时间、最后进料时间等运行参数。运行和检修人员可以根据统计出的数据，估算出系统已完成的工作量及整个系统的输送能力。

改造后的DCS窗口图如图3所示：

图3 改造后DCS窗口图

5 改造效果

此次除灰系统控制程序的全面改造，从可靠性、扩展性和历史追忆性能等方面，均取得了较好地改进和完善。

5.1 提高了可靠性

改造后的DCS系统为冗余控制系统，包含网络、控制器、电源、操作员站、工程师站和历史站等设备，其中任何一个设备出现问题，系统都能继续正常工作，不会影响设备运行，增强了设备的可检修性。

5.2 增强了扩展性

原S7-300控制系统改为DCS控制系统后，可以根据工艺系统的实际需要，增加卡件和控制器，确保了系统的容量和扩展性。

5.3 历史追忆功能更健全

对比于PLC系统，改造后的DCS系统的历史追忆功能更强大，任何一个测点都有历史，极大地增加了检修人员处理缺陷的判断能力，缩短了处理故障所用的时间，极大地提高了维护效率[4-5]。

6 结语

自从电厂#1、#2机组除灰控制系统由PLC系统改造为DCS系统后已平稳运行4年，系统故障率大大降低，系统运行的可靠性和平稳性得到了大幅的提高。此次改造为该电厂#3、#4机组除灰系统的改造升级提供了成功的参考，积累了宝贵的经验，指出了光明的前景。