NT6000控制系統(tǒng)在舟山電廠中的應(yīng)用———NT6000控制系統(tǒng)在舟山電廠中的應(yīng)用
南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司
楊震力1邵軍偉1徐海峰2
1. 浙江省舟山朗熹發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 舟山 316012
2.南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)股份有限公司，江蘇，南京，211100
摘要：本文基于舟山朗熹發(fā)電廠二期工程#3機(jī)組（1×300MW）上的工藝系統(tǒng)，介紹了NT6000分散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)配置，重點(diǎn)闡述了NT6000的可靠性設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)投運(yùn)后機(jī)組正常運(yùn)行期間，利用NT6000的在線組態(tài)功能增加快減負(fù)荷的的應(yīng)用進(jìn)行討論。
關(guān)鍵詞： NT6000DCS控制系統(tǒng)；可靠性設(shè)計(jì)；在線組態(tài)；
0. 引言
現(xiàn)代工業(yè)分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）主要是以微處理器為基礎(chǔ)，融合計(jì)算機(jī)技術(shù)、測(cè)量控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字通信技術(shù)、顯示與人機(jī)界面技術(shù)而成的現(xiàn)代控制系統(tǒng)，是大型流程工業(yè)控制的核心。
其中，新興發(fā)展的NT6000 分散控制系統(tǒng)是由南京科遠(yuǎn)自動(dòng)化集團(tuán)根據(jù)多年的工程實(shí)踐、自主創(chuàng)新研發(fā)的智能型控制系統(tǒng)，可靠性高，組態(tài)方便，升級(jí)靈活，雙網(wǎng)并行且支持多重冗余，其軟、硬件均達(dá)到或超過國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或主流工業(yè)級(jí)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，進(jìn)一步提升了工業(yè)自動(dòng)化與信息化水平。
眾所周知，舟山是我國(guó)的第四大島，是一個(gè)由群島組成的城市。島上的用電主要由舟山朗熹發(fā)電廠提供的，同時(shí)又有跨海架空線與大陸電網(wǎng)相連（22萬Kv）。2009年，舟山朗熹電廠擴(kuò)建一臺(tái)300MW燃煤機(jī)組，采用NT6000 DCS控制系統(tǒng)，并與2010年10月21日順利投產(chǎn)，系統(tǒng)在安全性，經(jīng)濟(jì)性方面均取得了滿意的效果。
本文基于NT6000 DCS控制系統(tǒng)在舟山朗熹電廠上的應(yīng)用，重點(diǎn)闡述了NT6000DCS控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)思想，及在I/O卡件、控制器、電源及網(wǎng)絡(luò)冗余方面的說明，并對(duì)系統(tǒng)投運(yùn)后機(jī)組正常運(yùn)行期間，通過NT6000的在線組態(tài)功能增加機(jī)組快減負(fù)荷的應(yīng)用進(jìn)行討論。
1. 舟山電廠工藝介紹
舟山朗熹電廠3號(hào)機(jī)建設(shè)規(guī)模為1*300MW亞臨界燃煤機(jī)組，采用上海鍋爐廠生產(chǎn)的SG-1025/17.5-M8，1025t/h亞臨界控制循環(huán)汽包鍋爐，一次中間再熱，單爐膛，四角切圓燃燒方式，燃燒器擺動(dòng)調(diào)溫，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，半露天布置。
汽輪機(jī)采用上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的N300-16.7/538/538亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱凝汽式汽輪機(jī)。
發(fā)電機(jī)采用上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司生產(chǎn)的QFS2-300-2雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)。
整體系統(tǒng)按單元制機(jī)組設(shè)計(jì)，主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道均采用一分兩進(jìn)汽輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，低溫再熱蒸汽管道采用一分兩進(jìn)鍋爐再熱器，高壓給水采用大旁路系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)組配置2×50%汽動(dòng)給水泵＋1×50%電動(dòng)調(diào)速給水泵，凝結(jié)水系統(tǒng)設(shè)置中壓式精處理裝置，循環(huán)水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制海水直流供水系統(tǒng)，汽機(jī)旁路系統(tǒng)采用30%BMCR旁路,機(jī)組采用按定-滑-定運(yùn)行方式。
制粉系統(tǒng)選用中速磨直吹式，鍋爐配有五臺(tái)磨煤機(jī)及給煤機(jī)，正常運(yùn)行時(shí)四運(yùn)一備。
煙風(fēng)系統(tǒng)采用平衡通風(fēng)方式，空氣預(yù)熱器采用三分倉(cāng)回轉(zhuǎn)式，配兩臺(tái)一次風(fēng)機(jī)，二臺(tái)送風(fēng)機(jī)，二臺(tái)引風(fēng)機(jī)及二套電除塵裝置。
2. NT6000控制系統(tǒng)介紹
NT6000 DCS控制系統(tǒng)由人機(jī)界面MMI（包括操作員站和工程師站）、控制網(wǎng)絡(luò)（ENET）、分散處理單元（DPU）、I/O網(wǎng)絡(luò)(EBUS)和I/O模件等部分組成。
本工程采用DCS與DEH一體化結(jié)構(gòu)，DEH液壓部件由上海汽輪發(fā)電機(jī)有限公司提供，DEH控制邏輯由汽輪廠的自控中心提供框圖，采用與DCS一致的軟硬件實(shí)現(xiàn)DEH的控制，從而提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的共享性，與操作維護(hù)的方便性。
分散控制系統(tǒng)（DCS）包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)（CCS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）、小汽機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MEH）。
本工程配置的DCS配置點(diǎn)數(shù)為7984點(diǎn)，實(shí)際使用6476點(diǎn)，備用率23.29%；DEH、MEH配置點(diǎn)數(shù)為：340點(diǎn)，實(shí)際使用229點(diǎn)，備用率48.47%；脫硫系統(tǒng)配置點(diǎn)數(shù)為736點(diǎn)，實(shí)際使用641點(diǎn)，備用率14.82%。
圖1 DCS配置系統(tǒng)圖
DCS控制系統(tǒng)分成幾個(gè)區(qū)域如圖1所示：
（1）鍋爐電子設(shè)備間；
（2）汽機(jī)電子設(shè)備間；
（3）公用系統(tǒng)設(shè)備間；
（4）脫硫電子設(shè)備間；
（5）工程師站；
（6）操作員站；
（7）遠(yuǎn)程I/O柜。
控制網(wǎng)絡(luò)為雙環(huán)形網(wǎng)，同一個(gè)電子設(shè)備間的網(wǎng)絡(luò)連接采用超五類線，不同電子設(shè)備間之間的網(wǎng)絡(luò)采用光纖，采用光纖可避免網(wǎng)線經(jīng)過電纜架橋引入的電磁干擾。遠(yuǎn)程I/O柜采用光纖與控制器的I/O網(wǎng)絡(luò)接口連接。公用系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)都有獨(dú)立的操作員站，根據(jù)實(shí)際需要在就地可設(shè)運(yùn)行人員，實(shí)現(xiàn)就地操作，也可以在主控室直接對(duì)公用系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)進(jìn)行操作，就地操作與遠(yuǎn)方操作可互相閉鎖，目前循泵房為無人值班運(yùn)行方式，其相應(yīng)的監(jiān)視操作由主控室完成。
NT6000DCS網(wǎng)絡(luò)配置簡(jiǎn)單，只有一層控制網(wǎng)，各個(gè)機(jī)柜之間的通訊通過控制網(wǎng)完成，控制網(wǎng)需要現(xiàn)場(chǎng)布線安裝。IO網(wǎng)絡(luò)在機(jī)柜內(nèi)部，通過預(yù)制電纜實(shí)現(xiàn)控制器與IO卡件的連接。機(jī)柜內(nèi)部只有少量的布線，結(jié)構(gòu)清晰，空間大。由于內(nèi)部機(jī)柜布線少、連接方便、IO卡件通過接插件連接等工藝，保證了機(jī)柜內(nèi)部接線錯(cuò)誤可能性很小。與外部接線用的端子為可插拔式結(jié)構(gòu)，每只端子只接一根線，公共線在IO底座上共線，不需在端子上共接，所以電纜施工方便，查找問題簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量少。
3. 單元機(jī)組分散控制系統(tǒng)配置簡(jiǎn)介
整個(gè)DCS系統(tǒng)包括42只2200×800×600mm標(biāo)準(zhǔn)NT6000機(jī)柜、2只2200×800×500mm遠(yuǎn)程柜（其中主機(jī)DCS機(jī)柜34只、主機(jī)DCS遠(yuǎn)程柜2只、DEH機(jī)柜4只、FGD機(jī)柜4只）。整個(gè)DCS只使用一種控制器KM940A，單元機(jī)組共26對(duì)。另外，本DCS系統(tǒng)和ECMS、同期裝置以及電除塵等之間進(jìn)行通訊（MODBUS485），這些系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行需要可直接在DCS操作員站進(jìn)行操作監(jiān)視。
系統(tǒng)配置操作員站4臺(tái)、值長(zhǎng)站1臺(tái)、工程師站1臺(tái)、DEH工程師站1臺(tái)、歷史數(shù)據(jù)站1臺(tái)、SIS接口機(jī)1臺(tái)、大屏幕（兼做備用歷史數(shù)據(jù)站）1臺(tái)。
系統(tǒng)的配置嚴(yán)格按照二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求及《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》技術(shù)措施進(jìn)行。
控制器均采用冗余配置，按重要保護(hù)和控制分開的獨(dú)立性原則進(jìn)行配置，重要的并列或主/備運(yùn)行的輔機(jī)（輔助）設(shè)備都分別配置在不同的控制器，如5臺(tái)磨煤機(jī)系統(tǒng)配置5對(duì)DPU， FSS獨(dú)立配置一對(duì)DPU，1臺(tái)電泵2臺(tái)汽泵都獨(dú)立配置DPU，送風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、一次風(fēng)機(jī)、空預(yù)器、凝結(jié)水泵、真空泵、重要冷卻水泵、重要油泵、循環(huán)水泵等都分別配置在不同的控制器中，這樣任何一對(duì)DPU故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響較小，處理故障時(shí)的安全措施簡(jiǎn)單。
根據(jù)控制對(duì)象實(shí)時(shí)性要求的不同，控制器能方便地調(diào)整控制周期，如小汽機(jī)MEH的轉(zhuǎn)速控制要求有高的實(shí)時(shí)性，DPU控制周期就設(shè)置為50ms，F(xiàn)SSS、DEH要求有較高的實(shí)時(shí)性，DPU控制周期就設(shè)置為100ms，其它的對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的，DPU控制周期就設(shè)置為200ms。
整套控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)做到，重要信號(hào)三重冗余，次重要信號(hào)二重冗余，DCS系統(tǒng)共享的重要控制信號(hào)通過硬接線連接。
4. NT6000的可靠性設(shè)計(jì)
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB-6583的規(guī)定，可靠性是指元件、產(chǎn)品、系統(tǒng)在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無故障地完成規(guī)定的功能的能力。具體內(nèi)涵如下：（1）DCS 系統(tǒng)必須保證能長(zhǎng)周期連續(xù)地?zé)o故障運(yùn)行，即裝置生產(chǎn)期間運(yùn)行率要達(dá)到100%；（2）系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，必須具有故障自檢功能、報(bào)警功能及安全保護(hù)功能；（3）故障可在線修復(fù)，其平均修復(fù)時(shí)間MTTR 越短越好。對(duì)于大型分散控制系統(tǒng)而言，可靠性是所有性能指標(biāo)中最重要的。NT6000在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，廣泛借鑒了國(guó)內(nèi)外控制系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展成果，在元器件選擇、模件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取了多種可靠性措施。
NT6000 DCS的核心模件均采用堅(jiān)固的鋁合金封裝，具有良好的散熱效果和電磁屏蔽性能，密封型封裝設(shè)計(jì)對(duì)惡劣環(huán)境有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。控制器、I/O卡件等部件均通過了嚴(yán)格的電磁兼容測(cè)試，至少符合三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。能夠在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境中長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，而不一定布置在傳統(tǒng)的對(duì)環(huán)境溫度電磁屏蔽有著嚴(yán)格要求的電子設(shè)備間。
NT6000 DCS的分散處理單元KM940，采用軍工級(jí)的PowerPC芯片8247，支持精簡(jiǎn)指令集（RISC），主頻400MHz，相當(dāng)于Pentium400MHz芯片的運(yùn)算能力，并具有更強(qiáng)的通訊處理能力和低功耗環(huán)境適應(yīng)性。
KM940的主從控制器采用同步運(yùn)算的冗余策略，備用控制器也參與實(shí)時(shí)邏輯運(yùn)算。避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，備用控制器僅跟蹤主控制器，不進(jìn)行控制運(yùn)算，這會(huì)在冗余切換后造成切換瞬間數(shù)據(jù)擾動(dòng)。創(chuàng)新的冗余策略具有更高的可靠性。
KM940的I/O通訊總線eBus為單層設(shè)計(jì)，KM940直接與每塊I/O直接通訊，速度更快；eBus總線被分為12段物理隔離的分支，每段分支的電氣故障不影響其它分支的正常運(yùn)行，可靠性更高。
KM940的冗余控制網(wǎng)絡(luò)eNet構(gòu)架在兩個(gè)物理隔離的冗余工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)上，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任何故障，包括網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴都不會(huì)影響另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。eNet上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都具有兩個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)接口，單個(gè)網(wǎng)口的故障，并不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。eNet的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)是同時(shí)工作的，發(fā)送的數(shù)據(jù)在接受端進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾和冗余處理，如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的冗余切換，切換時(shí)間等于零，在數(shù)據(jù)應(yīng)用上沒有中斷和延時(shí)。
NT6000的eNet網(wǎng)絡(luò)采用基于組播技術(shù)的控制器主動(dòng)發(fā)送機(jī)制，由KM940控制器根據(jù)數(shù)據(jù)的變化情況，進(jìn)行主動(dòng)地發(fā)送。由于DCS的主要通訊流量為控制器上行至操作站的數(shù)據(jù)流向，這種設(shè)計(jì)方案會(huì)稍稍加大操作站的通訊處理負(fù)荷，但能夠大大降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和控制器負(fù)荷。在設(shè)計(jì)10臺(tái)全功能站的DCS中，基于組播技術(shù)的控制器主動(dòng)發(fā)送機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷是傳統(tǒng)方案的1/10，而控制器的通訊負(fù)荷也為傳統(tǒng)方案的1/10，而且隨著操作站數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷和控制器負(fù)荷是恒定。恒定的低負(fù)荷帶來的更好的任務(wù)確定性和更高的可靠性。
在大型復(fù)雜系統(tǒng)中，DCS的管理往往隨著規(guī)模的增大變得困難，雖然各個(gè)模件都設(shè)計(jì)了自診斷功能，但是缺乏直觀有效的管理界面。在DCS出現(xiàn)冗余部件的損壞之后，由于缺乏直觀的自診斷界面，維護(hù)人員無法及時(shí)排除故障，DCS實(shí)質(zhì)上處于單部件運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)兩只冗余部件全部損壞，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)現(xiàn)有后果故障。因此自診斷界面的設(shè)計(jì)也直接關(guān)乎DCS的可靠性。
在NT6000控制系統(tǒng)上層，設(shè)計(jì)了直觀易懂的系統(tǒng)診斷畫面，收集每個(gè)控制器、I/O卡件、操作員站的自診斷信息，并集成處理和顯示。一旦出現(xiàn)故障報(bào)警，系統(tǒng)診斷畫面將直接提示相應(yīng)的故障部件，引導(dǎo)維護(hù)人員進(jìn)行維修。整個(gè)故障的過程都會(huì)產(chǎn)生詳細(xì)故障記錄，便于事后分析。
5. NT6000在線修改實(shí)現(xiàn)快減負(fù)荷功能
舟山電網(wǎng)與大陸電網(wǎng)聯(lián)電只有兩條，當(dāng)一條線路故障時(shí)，線路只能滿足200MW輸送能力，在此情況下，要求在20秒內(nèi)機(jī)組的供電能力要從300MW瞬間降至200MW，此功能我們稱之為線路故障時(shí)快減負(fù)荷。
在電網(wǎng)提出快減負(fù)荷的要求時(shí)，舟山的300MW機(jī)組已經(jīng)完成168測(cè)試，進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段，而快減負(fù)荷功能又牽涉到大量的邏輯修改和功能試驗(yàn)，NT6000控制系統(tǒng)支持在線組態(tài)功能，使得機(jī)組能夠在正常運(yùn)行時(shí)，完成快減負(fù)荷添加，這樣避免因機(jī)爐停運(yùn)而帶來的不必要的損失。
NT6000每只控制器能夠支持500頁(yè)相對(duì)獨(dú)立的SAMA圖邏輯，每頁(yè)SAMA圖又可以獨(dú)立的修改并且無擾下裝。同時(shí)，在此工程中，閉環(huán)控制與機(jī)組主保護(hù)邏輯配置了獨(dú)立的控制器，快減負(fù)荷的功能主要涉及鍋爐閉環(huán)控制和汽機(jī)DEH控制，與主保護(hù)控制器沒有關(guān)聯(lián)，這也為組態(tài)在線修改創(chuàng)造了良好的條件。
通過NT6000控制器的在線組態(tài)，調(diào)試人員將快減負(fù)荷的邏輯下裝到閉環(huán)控制器中，并進(jìn)行了大量的組態(tài)修正和在線試驗(yàn)，最終成功實(shí)現(xiàn)快減負(fù)荷功能，機(jī)爐一體化動(dòng)作，送引風(fēng)機(jī)出力一致，調(diào)門快速動(dòng)作，保證負(fù)荷快速下降，主汽壓力在可預(yù)見范圍內(nèi)波動(dòng)。
6. 結(jié)論
實(shí)踐證明，NT6000除了調(diào)試過程中硬件方面發(fā)生過一次IO底座線路板因操作不當(dāng)，被外接強(qiáng)電燒毀外無其他硬件方面的故障；其上下位機(jī)能靈活使用，控制運(yùn)算周期快，支持雙網(wǎng)實(shí)現(xiàn)多重冗余，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性；同時(shí)，系統(tǒng)具備真正的在線組態(tài)能力，在機(jī)組運(yùn)行過程中，增加并調(diào)試了快速減負(fù)荷功能，效果優(yōu)良。綜上所述，NT6000分散控制系統(tǒng)基于軟硬件一體化架構(gòu)，在舟山電廠300MW機(jī)組應(yīng)用，取得了良好的效果。
