发电厂水处理控制系统国产化DCS改造

2022-09-21国家能源集团谏壁发电厂谈瑞强

电力设备管理 2022年16期

国家能源集团谏壁发电厂谈瑞强

某发电厂目前全厂水处理控制系统是以原来的四、五期化水新控制系统（2007年投产）为基础进行各分系统的整合而成，各分控制系统均接入到原来的四、五期化水服务器。由于使用时间较长，控制系统工作站、服务器老化严重，且由于接入的系统过多造成了服务器的负荷率居高不下，工作站调用画面、数据缓慢，系统运行的速度已不能满足目前的生产要求。为进一步提高水处理控制系统工作的可靠性，确保全厂机组运行的供水安全，特针对现场目前存在的问题，对全厂化学水处理控制系统工作站及服务器等设备进行国产化DCS 改造，优化系统设置。

1 水处理控制系统概述

1.1 水处理的工艺流程简介

化学水处理就是将原水（该厂为长江水）经过澄清、过滤等设备去除悬浮物、有机物、泥沙等，并采用除盐设备处理后，使水质最终满足锅炉补给水的水质要求。某发电厂锅炉补给水处理分为长江所取原水预处理及净水处理系统、处理后的原水经过反渗透除盐装置进行除盐的预脱盐系统、已经通过阳阴床+混床等设备进行精处理的除盐系统。

净水处理系统是将长江所取的自然原水经过常规水处理的过滤、澄清等物理过程简单处理后形成清水。工艺流程为：长江原水→循环水泵→升压泵→沉淀池→空气擦洗滤池→化水池。

预脱盐系统采用反渗透膜的处理工艺，是将经过净处理系统处理后的清水进行初步的除盐的系统。其工艺处理过程为：净水处理后的清水由清水泵打出后首先经过一套多介质过滤器过滤，然后通过活性炭过滤器再过滤，经过RO 保安过滤器后由RO高压泵输送至RO 反渗透膜组件再处理，然后初步处理后的预脱盐水输送至预脱盐水箱，最后通过预脱盐水泵输送至下一步的处理环节。

除盐系统是对经预脱盐处理后的水进一步除盐，由除盐系统和酸碱还原系统两部分组成。除盐采用的设备主要有阳、阴离子交换器以及混合离子交换器等。阳、阴离子交换器为单元制，混合离子交换器为母管制连接，其工艺处理过程为：预脱盐水经过预脱盐水泵输送至阳、阴离子交换器，经除二氧化碳器、混合离子交换器等进一步的脱盐处理后进入除盐水箱，最终由除盐水泵将除盐水输送至发电机组主厂房内的精处理系统进行最后的水处理。酸碱还原系统采用的主要设备有输送泵、酸槽、混合器等，其工艺系统流程为：输酸泵→高位酸槽→酸计量泵→除盐水与酸混合器→阳离子交换器（和混合离子交换器）；输碱泵→高位碱槽→碱计量泵→除盐水与碱混合器→阴离子交换器（和混合离子交换器）。

同时，化学水处理系统还要完成机组运行，以及停运保养期间的水质控制以及指标监视的相关工艺，主要包括：给水处理（加氧、加氨处理）；炉水处理（加氢氧化钠）；热力系统的水汽品质在线分析监控系统；凝结水精处理、工业废水处理等。

近年来，由于火电机组环保改造等方面的工作，该厂将氨站等环保相关设施规划在化学水处理系统区域，因此相应的氨站等控制系统也接入到了水处理控制系统中来。

1.2 水处理控制系统简介

该发电厂的化水系统原来设计为分散布置，随机组的建成配套完成相应的化学取制水工作。全厂分四期化水（#7、#8机组）、五期化水（#9、#10机组）、六期化水（#11、#12机组）三套制水系统，每一套化水系统相对独立，存在着设备重复，人员机构臃肿，测量控制精确度差，自动化程度低下等弊端。2007年，电厂开始着手对化水系统进行改造，同时对整个化水控制系统进行了整合。改造后将全厂化水系统分为四、五期预处理区域，全厂水处理区域及四、五期原有的凝水精处理区域以及六期化水区域，采用工业以太网的方式连接各个水处理控制系统。

通过一体化改造取消了原有的四、五期化水控制室、凝水精处理、六期净水等监控点，只设置了一个全厂化水集控室，同时各子系统由原来的独立运行，变为现在的一体化运行。2011—2012年，为满足新建1000MW 机组的供水要求，取消了六期净水系统，建设了七期预处理系统及七期水处理系统，同时随着1000MW 机组投产又同步将氨站控制、七期凝水精处理控制等子系统纳入了水网控制。2013年，为了增加电厂的制水能力，又对化水进行了增容，化水增容子系统同步纳入了水网控制。

目前，经过不断整合，该厂化学水处理系统控制系统目前已经接入了四期预处理系统、五期预处理系统、四期凝结水精处理、五期凝结水精处理、全厂补给水、氨站控制系统、七期锅炉补给水系统、七期反渗透预脱盐系统、工业废水处理控制系统、新增制水控制系统等12套PLC 控制系统，基本实现了全厂水系统统一监控。

整个水网控制系统采用了赫斯曼的千兆工业以太网Power MICE 系列交换机构建水网的主干网络。整个控制系统从设备功能方面来看主要可分为三部分：一是智能分布式的数据采集系统，即通常所说的下位机或分站，是采用成熟的PLC 控制来实现，为了方便系统的连接，该发电厂的下位机均采用了施耐德公司生产的MODICON 系列双机热备硬件产品。所有下位机PLC 编程及设置软件采用了均统一使用Unity Pro 软件。系统主要功能是完成下位机的硬件配置、I/O 模块配置及参数设置、通信网络配置等功能。二是数据处理和显示系统，即上位机人机交互（MMI）系统。三是连接这两部分的上层通信网络，主要由交换机+MODBUS TCP/IP协议构成。目前，系统网络配置及数据处理和显示的功能由ifix 监控组态软件完成。iFix 组态软件主要完成运行人员操作画面组态、通信网络配置、整个网络的数据点管理等功能。

全厂水系统辅控网是基于七期全厂补给水控制系统基础上建立起来，七期全厂补给水控制系统从2009年年初开始调试，至年底投入运行。后期不断地将四期预处理、五期预处理、四/五期精处理、七期预处理、七期精处理等14套PLC 控制系统接入该辅控网系统。目前，该系统服务器中数据库点数在17000点左右，由于该辅控网经常有新系统不断接入，不同厂家对系统上位机监控软件进行调试修改，致使该系统上位机出现了主备系统不能冗余的问题，造成了最近出现的主服务器宕机的情况下，备用服务器没有正常切换运行，导致整个水系统网络数据交换中断、控制室失去系统监控的严重情况。再加上以上计算机设备已经运行了10年多，硬件性能下降，多次出现操作站故障死机的情况，影响运行人员的安全操作。

2 水处理控制系统升级改造的必要性

针对现有程控系统进行全面评估分析，目前主要存在以下八方面的问题。

2.1 程控PLC 存在严重安全漏洞

目前使用的PLC 部分硬件与《关于开展电力工控PLC 设备信息安全隐患排查及漏洞整改工作的通知》（国能综安全[2015]387号）严重相抵触[1]。通知第三部分有关要求的第四条“对于目前经检测存在信息安全漏洞的施耐德PLC（以太网模块固件版本为NOE 77101 V5.30、NOE 77111 V5.50），各有关单位应按要求开展漏洞整改工作……”。该发电厂化水系统所有控制器均为施耐德PLC 140系列，其通信模块均为NOE 77101 V5.30，存在严重的信息安全隐患。

2.2 关键备件停产

由于水处理系统运行时间较长，控制系统所使用的软、硬件产品中，惠普服务器（HP DL380）本身硬件老化，服务器中预装的操作系统2003 Server、操作员站中的XP 操作系统以及iFix 软件等均已经更新换代多个版本，部分系统PLC 的CPU、NOE、CHS 以及对应的编程软件Concept 等已退出市场，维护备件匮乏，难以采购，且费用较高。

2.3 服务器负荷率高

该系统服务器目前实时数据库为17000多点，同时与12套水系统中PLC 系统进行通信，导致目前服务器系统负荷过重，可能存在宕机风险。

2.4 整个系统通讯负荷率高

目前，该系统已经接入12套PLC 系统，实时数据库17000多点，整个数据库扫描时间为1s，整个系统通讯负荷率高，若今后再有新系统接入，势必还要增加节点通讯负荷率，在通讯恶劣的情况下，该通讯负荷率可超过达到极限程度，威胁通讯安全，导致整个系统崩溃的可能。

2.5 历史库保存时间短

随着水系统辅控网不断有系统接入，数据库不断增大，系统设计的历史数据存储在服务器中，硬盘容量小，历史数据存储空间分配小，故历史数据保存精度不高，或历史数据保存时间不够长，过一段时间就要进行历史数据清理。对于运行中的缺陷处理以及异常分析不能提供有效的历史数据支撑。

2.6 服务器电源装置老化

服务器从采购至投运至今已有15年，其电源装置使用年限过长，部分电源装置出现风扇疲劳损坏、输出电压低于24VDC 等故障情况，且原电源设计为非密封电源装置，灰尘对其寿命的影响较大，同时服务器始终处于高负荷运行状态，系统易发生故障，威胁服务器供电安全。

2.7 以太网通讯报警频发

部分通讯设备性能下降较严重，通讯报警频繁发生，无法彻底排除，威胁通讯安全。

2.8 修改逻辑风险大

在目前大力倡导生产安全的形势下，增加或改进设备是非常正常的现象，但由此带来必要的逻辑修改与完善却非常麻烦。由于施耐德PLC 的设计理念落后，若添加或修改一段逻辑，甚至增加一个测点，都需要对CPU 进行下装操作。而此操作必将造成CPU重启，影响在投设备正常工作。当前办法是在下装逻辑前，由工作人员到达现场，将所有设备达到就地手动。该方法弊端一是容易遗漏设备；二是工作效率非常低下；三是容易发生误操作，安全风险非常大。

基于以上八方面的主要原因，对该电厂水处理控制系统进行改造升级是非常迫切且很有必要的。

3 水处理控制系统升级改造的技术路线及方案的确定

3.1 改造原则

化学水处理控制系统升级改造主要是围绕运行控制、和设备维护进行。概括起来，主要有以下几点：运行人员集中管理，设备工况随时追踪；操作响应迅速有效，控制系统稳定可靠；人员培训随时进行，逻辑修改简单方便；设备种类精简通用，备品备件持续供应。

新的控制系统模件种类越少越好，最佳模式是可以利用主机的模件进行维护，降低维护成本。

3.2 化学水处理控制系统改造升级的目标

化学水处理运行人员集中起来，实现同机炉主系统的运行人员一样，对现场设备进行快速精准控制。辅控的热工人员同主控的热工人员一样，通过完善的技能培训，掌握控制系统维护的技能。

3.3 化学水处理控制系统改造升级的方案确定

鉴于目前国家对电力安全生产的高度重视，应考虑市场上主流DCS 控制系统。国产非主流DCS控制系统，在未来完全有可能在其产品未到使用寿命周期，公司本身就已经被市场淘汰了，谈不上其产品的后期技术服务；其次这些DCS 没有得到市场的充分验证（至少时间、行业、过程应用等方面）。相比而言，国产主流DCS 控制系统，无论是在可靠性方面还是技术支持方面，在可预见的将来，是不存在任何问题。

通过调研该电厂所属集团近几年内投产的多台次机组，主、辅控制系统全部采用的是由国能智深公司生产的国产EDPF-NT+系统。该电厂两台1000MW 超超临界发电机组控制系统采用的也是国能智深公司的国产EDPF-NT+系统。该系统是国能智深公司通过多年的科技研发后生产的先进国产DCS 控制系统。该系统是基于最新计算机嵌入系统技术和现场总线技术的分布式控制系统，能够满足电厂单元机组主机、公用系统设备的监控、操作、报警、联锁、逻辑保护等各项功能的需求。该控制系统主要设备包括：

一是人机接口设备，主要采用国产控制主机，包括有系统工程师站、操作员站、历史数据站、数据发送OPC 站、大屏显示器等，所使用的软件为国能智深自主开发的EDPF-NT+PLUS 应用软件，以及一些基础的三方支撑工具软件，软件拥有可进一步拓展开发的设计，可以较好地兼容其他控制软件实现数据交换等功能。人机接口设备主要实现运行人员对发电机组设备监控操作、系统工程师对控制系统进行运行维护，以及历史数据记录和对外实时数据的传输等功能。

二是主网络层设备，主要包括冗余配置的交换机组合分布式处理控制单元（DUP）。主交换机使用的是国产高性能交换机，采用工业以太网冗余配置（图1），通信速率10/100Mbps 自适应，可以快速构建起安全的星形或环形结构的高速冗余系统主网络，完全满足大型发电机组数据交换量大的要求。系统内部控制网络通过交换机接口模块实现控制系统内所有分布式处理控制单元（DUP）和主交换机之间的连接以及数据、控制指令的传输，速率经测试能够达到1.5Mbps 以上，满足控制系统指令、数据刷新速率的要求。

图1 冗余全网状互联

分布式处理单元（DPU）是系统的最基本的也是最主要的控制设备。其中，主处理器采用的是嵌入式设计的低功耗高性能计算机芯片，能够将网络数据通信、数据分析处理、连续指令控制、顺序控制和批量处理等所有功能有机地结合起来，是较为稳定、可靠的主控制器。DUP 向上与系统网络进行连接，向下挂接下层机柜内I/O 卡件，实现设备的控制以及数据的采集等功能。

三是下层控制设备，包括控制机柜、电源模块、I/O 接口控制模块等设备。主要功能为控制指令输出、数据采集等，实现DCS 控制系统与控制设备之间的系统连接。

完成系统改造调研收资工作后，经组织相关专家进行改造可行性研究并充分论证，一致认为国能智深公司的国产EDPF-NT+系统经过大量火力发电机组项目应用，设计规范、设备可靠、备品备件充足、DCS 厂家培训体系完备、技术支持稳定，能够有效满足水处理控制系统改造的要求，故决定该厂化学水处理控制系统改造采用国能智深EDPF-NT+系统。

4 水处理控制系统DCS 改造的实施

一是在西区泵房上加盖一层集控楼，包括集中控制室、DCS 机房、DCS 工程师站，及其配套的化学化验室、运行休息室等用处。由于西区泵房没牢固的地基，加盖集控室前，根据工业建筑标准做好必要的地基。二是化水集中控制室与各电子间之间的采用远程柜信息传输的方式。其中，重要的DCS网络柜、重要的机柜放在化水集控楼，远程柜安置在各电子间，采用光缆作为二者之间传输媒介。三是将施耐德PLC 全部更新为国能智深公司EDPFNT+系统。四是利用机组检修计划，分批实施，将不同子控制系统逐步加入化学水处理控制系统的主网中来。五是增加部分数字视频监视，淘汰落后的模拟量摄像头，提高现场设备监控图像的质量，拓宽视频监控的区域。

改造后，化学制水自动控制系统功能完善，满足机组用水需求，目前接入的子系统包括四期预处理、七期预处理、四五期化水、六七期化水、#13机组精处理、#14机组精处理；泥水系统、工业废水系统、尿素制氨系统、六期精处理、氢站、循环水加药系统等。改造后DCS 系统实际硬件设备配置情况如下：

一是由于分系统较多，分布面广，整个控制系统配置上位机站21台，其中运行人员使用的操作员共18台，另外4台兼作大屏幕站；工程师站内设置有1台工程师站、两台历史站供系统维护人员使用。二是系统配置分布式处理单元（DPU）共22对，下层接入硬件设备所有I/O 点共计11388个。三是系统配置主干网网络交换机总共14台，网络柜安装在工程师站内，所有分系统通过光纤与主干网进行连接，主网络为星形、冗余结构。

改造完成后对DCS 系统进行了全面检查，系统各项功能完备，工作稳定可靠，主要指标如下：主干网网络负荷率＜10%；单个节点最大网络负荷率＜3%；画面操作响应周期≤1s，画面数据刷新周期＜1s；SOE 数据采集周期＜1ms；实时数据控制周期≤50ms；DPU 无扰切换正常，控制器满足无扰在线下装要求；控制器电源冗余试验正常。