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文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）08-064-04中圖分類號：TP273

★高松，熊銳（國家電投集團江西電力有限公司，江西南昌330096）

★胡振中，余修斌，陳歡（國家電投集團江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，江西景德鎮(zhèn)333036）

★裴浩然，邱寅祺（上海明華電力科技有限公司，上海200090）

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電；DCS系統(tǒng)；國產(chǎn)化改造；組態(tài)設(shè)計

為響應(yīng)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》等文件關(guān)于在關(guān)系國家安全的領(lǐng)域和節(jié)點構(gòu)建自主可控、安全可靠的國內(nèi)生產(chǎn)供應(yīng)體系的重要論述，國內(nèi)DCS企業(yè)一直致力于解決當前工控設(shè)備進口部件“卡脖子”和工控系統(tǒng)未全面實現(xiàn)自主可控等問題，也一直在進行DCS自主可控方面的研究與應(yīng)用實踐。

在此背景下，本文以某660MW超臨界發(fā)電機組DCS自主可控改造項目為例，從DCS系統(tǒng)性能分析、組態(tài)設(shè)計、現(xiàn)場調(diào)試三個方面，介紹了DCS自主可控改造的實施過程，并總結(jié)了本次改造的技術(shù)要點，為其他機組改造提供了參考。

1　新老DCS系統(tǒng)性能對比

1號機組原DCS系統(tǒng)為北京日立HIACS-5000M控制系統(tǒng)，基本控制器為R600系列控制器^[1]。受制于其運行時間過長，系統(tǒng)設(shè)備已進入故障易發(fā)期和高發(fā)期，現(xiàn)有的備品備件數(shù)量難以維持機組DCS維護需求，同時相關(guān)功能已無法滿足現(xiàn)階段電廠對DCS的新需求。為積極響應(yīng)國家號召，推進火電機組DCS自主可控應(yīng)用工作，現(xiàn)DCS系統(tǒng)采用國核NuCon控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)基于銀河麒麟操作系統(tǒng)開發(fā)，CPU采用龍芯芯片，其嵌入式系統(tǒng)采用ReWorks實時處理系統(tǒng)^[2]。表1詳細羅列了新老系統(tǒng)性能對比。

表1 新老系統(tǒng)性能對比

通過兩種系統(tǒng)對比可看出，國產(chǎn)化系統(tǒng)性能優(yōu)良、界面友好、組態(tài)修改方便，具有高可靠性、實時性、安全性。由于軟硬件的100%國產(chǎn)化，后期維護更便利。在價格方面，國產(chǎn)化系統(tǒng)打破了進口DCS對市場的壟斷局面，降低了投資成本。

2　組態(tài)設(shè)計

2.1　網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

單元機組和公用系統(tǒng)配置獨立網(wǎng)絡(luò)，通過冗余的網(wǎng)關(guān)站實現(xiàn)，公用網(wǎng)絡(luò)不單獨設(shè)置工程師站、歷史站和接口站，網(wǎng)關(guān)站兼做公用系統(tǒng)工程師站，公用系統(tǒng)的全部監(jiān)控數(shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)站送給單元機組的歷史站和接口站進行統(tǒng)一存儲和對外發(fā)布^[3]。

控制系統(tǒng)平臺硬件主要包括：工程師站、操作員站、歷史服務(wù)器、時鐘服務(wù)器、控制器、控制網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備、電源轉(zhuǎn)換設(shè)備等輔助設(shè)備。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主體由實時監(jiān)控網(wǎng)、控制網(wǎng)及信息網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò)組成，均采用全冗余設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器無擾切換，避免了控制器故障切換時數(shù)據(jù)中斷的現(xiàn)象^[4]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

2.2　I/O分配

不同于新建機組，涉及DCS改造的機組，在I/O設(shè)計分配上存在以下3個難點：

（1）利舊原則。即除參與機組主保護或重要輔機保護的信號因涉及以下技術(shù)變更情況而造成電纜長度不夠需重新敷設(shè)外，其他到現(xiàn)場的信號電纜原則上最大程度采用利舊方式。

·冗余信號需分配到不同模件。

·對照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》及熱工技術(shù)監(jiān)督要求需增加相關(guān)冗余測點及柜間電纜。

（2）不同DCS系統(tǒng)間需增加柜間電纜。

（3）原I/O清單未及時更新，機組歷次異動后實際組態(tài)與I/O清單差異大。

為解決上述難點，在I/O設(shè)計分配時需注重以下幾點：

（1）利用原DCS機柜位置安裝新機柜，合理確定機柜的尺寸和數(shù)量，科學選用緊湊型機柜。

（2）梳理原系統(tǒng)各機柜信號通道配置、柜內(nèi)模塊配置、電纜進線方向、供電方式等思路，分析對比新老系統(tǒng)模件硬件配置，編制新系統(tǒng)卡件布置圖。

（3）對電纜清冊與現(xiàn)場電纜進行核實，確保I/O信號準確。對于老化、破損的電纜進行全部更換；對于在歷次技改中取消或變動而電纜未移除的信號，可作為備用通道使用。

（4）為了充分利用原有電纜，需要在設(shè)計階段估算每個信號電纜長度是否夠長，盡量將信號布置在原有位置附近，如需移動盡量向著電纜進入方向往下移動。

（5）對部分較短的電纜如不是保護聯(lián)鎖信號或重要調(diào)節(jié)信號可以采用端子柜集中轉(zhuǎn)接或柜內(nèi)轉(zhuǎn)接端子形式，同時需要做到屏蔽電纜全程接地，防止信號干擾。

（6）梳理組態(tài)過程中發(fā)現(xiàn)的I/O信號不一致清單，經(jīng)與廠內(nèi)人員討論后，統(tǒng)一修改。

2.3　邏輯設(shè)計

邏輯組態(tài)設(shè)計需遵循原有DCS的組態(tài)內(nèi)容，在實現(xiàn)原有控制功能的同時，盡可能優(yōu)化提升控制性能。因此，在實施過程中需重點執(zhí)行以下工作：

（1）根據(jù)當前邏輯內(nèi)容，編寫控制邏輯設(shè)計說明。

（2）列舉原DCS功能塊與邏輯宏，分析新老DCS間的差異，編制功能塊對照表。

（3）系統(tǒng)中間點的命名需與原系統(tǒng)中一致，有利于和畫面組態(tài)連接。

（4）對于差異較大無法直接替代的功能塊，通過使用多種功能塊組合或搭建邏輯宏等方式實現(xiàn)原功能，并進行功能測試。

（5）以滿足《二十五項反措》要求為原則，以提升邏輯可靠性為目標，針對重要輔機設(shè)備、模擬量回路、聯(lián)鎖保護等邏輯進行梳理總結(jié)，提出必要的優(yōu)化建議，并召開設(shè)計聯(lián)絡(luò)會分專業(yè)討論。

2.4　畫面組態(tài)設(shè)計

改造機組的畫面組態(tài)宜與原系統(tǒng)的風格、布局保持一致，針對不足之處進行優(yōu)化設(shè)計。關(guān)鍵實施手段如下：

（1）理清原畫面組態(tài)流程圖、彈出面板、幫助畫面、光字牌等界面風格，編制新畫面設(shè)計原則。

（2）分析并羅列原畫面中各類設(shè)備的不同狀態(tài)顯示，在新DCS系統(tǒng)中進行功能復(fù)現(xiàn)。

（3）對于新開發(fā)的畫面宏，搭建邏輯組態(tài)，進行功能測試。

（4）操作面板設(shè)計時，操作按鈕的位置布局及確認方式與原系統(tǒng)保持一致，防止運行人員在緊急情況下因畫面不一致而誤操作。

（5）以防止運行人員誤操作為目的，與運行人員討論并形成優(yōu)化清單，對原畫面設(shè)計進行逐一修改。

2.5　網(wǎng)絡(luò)安全防護

DCS網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)主要由邊界防護、工業(yè)入侵檢測、日志審計、終端安全衛(wèi)士、網(wǎng)絡(luò)安全平臺、工控網(wǎng)絡(luò)審計等組成[5]。

（1）邊界防護：在安全I區(qū)邊界處部署工業(yè)防火墻，進行工控協(xié)議數(shù)據(jù)過濾，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊界防護。

（2）工業(yè)入侵檢測：部署入侵檢測裝置用于對網(wǎng)絡(luò)行為和流量內(nèi)容進行檢測，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測。

（3）日志與網(wǎng)絡(luò)審計：部署審計系統(tǒng)，對工控設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)等行為進行審計，及時對安全事件進行追溯或干預(yù)。

（4）終端安全衛(wèi)士：部署終端安全衛(wèi)士和USB防御系統(tǒng)，實現(xiàn)主機安全加固、惡意代碼防御和USB管控，構(gòu)造計算環(huán)境安全防護堡壘。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全平臺：部署統(tǒng)一安全監(jiān)管平臺，集中監(jiān)管安全設(shè)備，形成監(jiān)管一體化的安全預(yù)警平臺。

3　調(diào)試

就調(diào)試而言，DCS改造的機組與新建機組存在很大差異，較為突出表現(xiàn)在時間周期緊、進度計劃難控、現(xiàn)場調(diào)試環(huán)境較亂、圖紙資料不全或未及時更新等方面。因此，在整個調(diào)試周期內(nèi)，必須對各個調(diào)試環(huán)節(jié)加以精準把控，并在保證進度的同時，提高調(diào)試質(zhì)量。

3.1　調(diào)試前準備

（1）為把控調(diào)試整體進度，根據(jù)檢修時間倒排，形成三級網(wǎng)絡(luò)調(diào)試計劃。

（2）明確調(diào)試組織機構(gòu)及職責分工、關(guān)鍵節(jié)點人員負責安排，確保各項調(diào)試任務(wù)有序開展。

（3）編制調(diào)試大綱與各項調(diào)試方案，完善調(diào)試階段風險辨識和預(yù)控措施。

（4）結(jié)合I/O清冊圖紙、保護定值清單、邏輯控制說明等資料，梳理各類調(diào)試表單文件。

3.2　單體調(diào)試

對于改造機組，單體調(diào)試在進度把控、人員安排、缺陷管理等方面較為棘手。因此在實施過程中，需把握以下幾點：

（1）結(jié)合檢修計劃，制訂合理完善的每日調(diào)試計劃，明確調(diào)試任務(wù)，細化每日調(diào)試工作，職責分工，責任到人。

（2）將調(diào)試人員按鍋爐、汽機、電氣專業(yè)劃分，并與電廠生產(chǎn)、運行、檢修各專業(yè)合理對接，確保各項調(diào)試工作的有序執(zhí)行。

（3）確保I/O與設(shè)備傳動的全方位100%覆蓋，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場信號與實際組態(tài)不同時，以最新設(shè)計圖紙為依據(jù)及時修改組態(tài)。

（4）優(yōu)化調(diào)試工作流程，結(jié)合現(xiàn)場檢修施工情況，與電廠共同協(xié)商，形成“大票換小票”、“每日待調(diào)試清單”等文件清單。

（5）建立缺陷管理清單文件，及時更新記錄在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，并做到“當日發(fā)現(xiàn)、當日整改、當日關(guān)閉”。

3.3　分系統(tǒng)調(diào)試

與新建機組不同，因改造機組不存在整體試運行的階段，因此在分系統(tǒng)調(diào)試環(huán)節(jié)中，除了對設(shè)備聯(lián)鎖、保護及必要的順控功能進行校驗外，還需進行部分MCS系統(tǒng)的冷態(tài)調(diào)試、MFT及大聯(lián)鎖試驗、跨系統(tǒng)間通訊測試等工作。在實施過程中，為保證調(diào)試質(zhì)量，需著重注意以下加點：

（1）以“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”為目的，組織各專業(yè)評審邏輯功能說明，并結(jié)合二十五項反措等標準內(nèi)容及現(xiàn)場設(shè)備實際情況，查找原邏輯的設(shè)計缺陷，優(yōu)化控制邏輯，提高邏輯可靠性。

（2）在進行主保護及機爐電大聯(lián)鎖功能校驗時，應(yīng)采用帶工質(zhì)方式實測，精確模擬實際運行環(huán)境，確保試驗準確性。

（3）在機組啟動前，對于部分機爐側(cè)模擬量控制回路進行必要的定值擾動試驗，驗證參數(shù)設(shè)置的準確性。

（4）對于主要接口信號，應(yīng)進行必要的通訊測試，包括跨系統(tǒng)間的信號及DCS外掛系統(tǒng)，驗證信號連接及通訊傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.4　啟動、并網(wǎng)與優(yōu)化調(diào)試

就改造機組而言，機組并網(wǎng)即進入商運，任何因控制系統(tǒng)、邏輯功能或設(shè)備故障等原因造成的機組跳閘，都將記錄為“非停”。這對于剛進行DCS改造，尤其是原自動調(diào)節(jié)長期依賴外掛系統(tǒng)的機組來說，該階段的壓力不言而喻。因此，在實施過程中，應(yīng)關(guān)注以下幾點工作：

（1）啟動前，盡可能進行仿真測試，模擬各類運行工況，驗證各調(diào)節(jié)回路功能的準確性。類似RB等重要功能，應(yīng)進行必要的靜態(tài)功能測試及動態(tài)仿真模擬，驗證機組在事故工況下的應(yīng)急響應(yīng)能力。

（2）熱態(tài)工況下，進行機、爐側(cè)自動調(diào)節(jié)回路擾動試驗，驗證控制參數(shù)的正確性。

（3）積極與當?shù)仉娋W(wǎng)公司溝通，申請必要的試驗工況，進行變負荷等試驗，在驗證協(xié)調(diào)控制功能的同時，優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)，提升機組調(diào)節(jié)性能。

4　改造效果

（1）系統(tǒng)上線后，通過第三方全面測試，驗證了軟、硬件性能均滿足相關(guān)技術(shù)標準要求，部分性能指標如測量精度、抗干擾能力等優(yōu)于原DCS系統(tǒng)。此外，通過邏輯組態(tài)優(yōu)化，進一步提升了邏輯可靠性。

（2）通過調(diào)試，機組實現(xiàn)鍋爐點火、汽輪機沖轉(zhuǎn)及發(fā)電機并網(wǎng)一次性成功，機組啟動后運行安全穩(wěn)定。另外，通過協(xié)調(diào)控制功能優(yōu)化，機組自動調(diào)節(jié)性能提高，汽溫、過熱度等調(diào)節(jié)品質(zhì)得到大幅提升。

5　結(jié)束語

本文詳細介紹了DCS自主可控改造在大型火電廠的應(yīng)用案例，并通過對新老系統(tǒng)性能對比、組態(tài)設(shè)計，以及調(diào)試總結(jié)，驗證了國產(chǎn)化DCS系統(tǒng)的實用性，打破了進口DCS系統(tǒng)的壟斷局面，為100%自主可控DCS系統(tǒng)在中國電力行業(yè)中的完全更迭奠定了堅實的基礎(chǔ)，提升了我國工業(yè)領(lǐng)域DCS控制系統(tǒng)的技術(shù)水平，對保障國家工業(yè)安全具有重要意義。

作者簡介：

高　松（1970-），男，江蘇常州人，高級工程師，學士，現(xiàn)就職于國家電投集團江西電力有限公司，主要從事火電板塊安全生產(chǎn)管理工作。

裴浩然（1994-），男，江蘇宿遷人，助理工程師，碩士，現(xiàn)就職于上海明華電力科技有限公司，主要從事電廠自動控制及優(yōu)化技術(shù)研究工作。（本文通訊作者）

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摘自《自動化博覽》2024年8月刊