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楊震力¹邵軍偉¹徐海峰² 1. 浙江省舟山朗熹發(fā)電有限責任公司，浙江 舟山 316012 2.南京科遠自動化集團股份有限公司，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，重點闡述了NT6000的可靠性設(shè)計，并對系統(tǒng)投運后機組正常運行期間，利用NT6000的在線組態(tài)功能增加快減負荷的的應(yīng)用進行討論。
關(guān)鍵詞： NT6000DCS控制系統(tǒng)；可靠性設(shè)計；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)，融合計算機技術(shù)、測量控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)字通信技術(shù)、顯示與人機界面技術(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)是由南京科遠自動化集團根據(jù)多年的工程實踐、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，升級靈活，雙網(wǎng)并行且支持多重冗余，其軟、硬件均達到或超過國際標準或主流工業(yè)級產(chǎn)品標準，大大提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，進一步提升了工業(yè)自動化與信息化水平。   眾所周知，舟山是我國的第四大島，是一個由群島組成的城市。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，舟山朗熹電廠擴建一臺300MW燃煤機組，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，重點闡述了NT6000DCS控制系統(tǒng)可靠性設(shè)計思想，及在I/O卡件、控制器、電源及網(wǎng)絡(luò)冗余方面的說明，并對系統(tǒng)投運后機組正常運行期間，通過NT6000的在線組態(tài)功能增加機組快減負荷的應(yīng)用進行討論。
1. 舟山電廠工藝介紹  舟山朗熹電廠3號機建設(shè)規(guī)模為1*300MW亞臨界燃煤機組，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，燃燒器擺動調(diào)溫，平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣，半露天布置。   汽輪機采用上海汽輪機有限公司生產(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。
  發(fā)電機采用上海汽輪發(fā)電機有限公司生產(chǎn)的QFS2-300-2雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機。
整體系統(tǒng)按單元制機組設(shè)計，主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道均采用一分兩進汽輪機系統(tǒng)設(shè)計，低溫再熱蒸汽管道采用一分兩進鍋爐再熱器，高壓給水采用大旁路系統(tǒng)，每臺機組配置2×50%汽動給水泵＋1×50%電動調(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)采用擴大單元制海水直流供水系統(tǒng)，汽機旁路系統(tǒng)采用30%BMCR旁路,機組采用按定-滑-定運行方式。   制粉系統(tǒng)選用中速磨直吹式，鍋爐配有五臺磨煤機及給煤機，正常運行時四運一備。   煙風(fēng)系統(tǒng)采用平衡通風(fēng)方式，空氣預(yù)熱器采用三分倉回轉(zhuǎn)式，配兩臺一次風(fēng)機，二臺送風(fēng)機，二臺引風(fēng)機及二套電除塵裝置。   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）、汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)（DEH）、小汽機電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)（MEH）。
  本工程配置的DCS配置點數(shù)為7984點，實際使用6476點，備用率23.29%；DEH、MEH配置點數(shù)為：340點，實際使用229點，備用率48.47%；脫硫系統(tǒng)配置點數(shù)為736點，實際使用641點，備用率14.82%。
  圖1　DCS配置系統(tǒng)圖   DCS控制系統(tǒng)分成幾個區(qū)域如圖1所示： （1）鍋爐電子設(shè)備間； （2）汽機電子設(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）遠程I/O柜。   控制網(wǎng)絡(luò)為雙環(huán)形網(wǎng)，同一個電子設(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)都有獨立的操作員站，根據(jù)實際需要在就地可設(shè)運行人員，實現(xiàn)就地操作，也可以在主控室直接對公用系統(tǒng)及脫硫系統(tǒng)進行操作，就地操作與遠方操作可互相閉鎖，目前循泵房為無人值班運行方式，其相應(yīng)的監(jiān)視操作由主控室完成。   NT6000DCS網(wǎng)絡(luò)配置簡單，只有一層控制網(wǎng)，各個機柜之間的通訊通過控制網(wǎng)完成，控制網(wǎng)需要現(xiàn)場布線安裝。IO網(wǎng)絡(luò)在機柜內(nèi)部，通過預(yù)制電纜實現(xiàn)控制器與IO卡件的連接。機柜內(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，保證了機柜內(nèi)部接線錯誤可能性很小。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，查找問題簡單，維護工作量少。   3.  單元機組分散控制系統(tǒng)配置簡介 整個DCS系統(tǒng)包括42只2200×800×600mm標準NT6000機柜、2只2200×800×500mm遠程柜（其中主機DCS機柜34只、主機DCS遠程柜2只、DEH機柜4只、FGD機柜4只）。整個DCS只使用一種控制器KM940A，單元機組共26對。另外，本DCS系統(tǒng)和ECMS、同期裝置以及電除塵等之間進行通訊（MODBUS485），這些系統(tǒng)根據(jù)運行需要可直接在DCS操作員站進行操作監(jiān)視。   系統(tǒng)配置操作員站4臺、值長站1臺、工程師站1臺、DEH工程師站1臺、歷史數(shù)據(jù)站1臺、SIS接口機1臺、大屏幕（兼做備用歷史數(shù)據(jù)站）1臺。
  系統(tǒng)的配置嚴格按照二十五項重點要求及《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》技術(shù)措施進行。   控制器均采用冗余配置，按重要保護和控制分開的獨立性原則進行配置，重要的并列或主/備運行的輔機（輔助）設(shè)備都分別配置在不同的控制器，如5臺磨煤機系統(tǒng)配置5對DPU， FSS獨立配置一對DPU，1臺電泵2臺汽泵都獨立配置DPU，送風(fēng)機、引風(fēng)機、一次風(fēng)機、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DPU故障時對系統(tǒng)的影響較小，處理故障時的安全措施簡單。   根據(jù)控制對象實時性要求的不同，控制器能方便地調(diào)整控制周期，如小汽機MEH的轉(zhuǎn)速控制要求有高的實時性，DPU控制周期就設(shè)置為50ms，F(xiàn)SSS、DEH要求有較高的實時性，DPU控制周期就設(shè)置為100ms，其它的對實時性要求不高的，DPU控制周期就設(shè)置為200ms。   整套控制系統(tǒng)設(shè)計時做到，重要信號三重冗余，次重要信號二重冗余，DCS系統(tǒng)共享的重要控制信號通過硬接線連接。   4.  NT6000的可靠性設(shè)計 根據(jù)國家標準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)必須保證能長周期連續(xù)地無故障運行，即裝置生產(chǎn)期間運行率要達到100%；（2）系統(tǒng)發(fā)生故障時，必須具有故障自檢功能、報警功能及安全保護功能；（3）故障可在線修復(fù)，其平均修復(fù)時間MTTR 越短越好。對于大型分散控制系統(tǒng)而言，可靠性是所有性能指標中最重要的。NT6000在系統(tǒng)設(shè)計中，廣泛借鑒了國內(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)計和系統(tǒng)設(shè)計上采取了多種可靠性措施。   NT6000 DCS的核心模件均采用堅固的鋁合金封裝，具有良好的散熱效果和電磁屏蔽性能，密封型封裝設(shè)計對惡劣環(huán)境有更強的適應(yīng)能力。控制器、I/O卡件等部件均通過了嚴格的電磁兼容測試，至少符合三級標準。能夠在現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境中長期穩(wěn)定工作，而不一定布置在傳統(tǒng)的對環(huán)境溫度電磁屏蔽有著嚴格要求的電子設(shè)備間。   NT6000 DCS的分散處理單元KM940，采用軍工級的PowerPC芯片8247，支持精簡指令集（RISC），主頻400MHz，相當于Pentium400MHz芯片的運算能力，并具有更強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算的冗余策略，備用控制器也參與實時邏輯運算。避免了傳統(tǒng)設(shè)計中，備用控制器僅跟蹤主控制器，不進行控制運算，這會在冗余切換后造成切換瞬間數(shù)據(jù)擾動。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，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行，可靠性更高。
  KM940的冗余控制網(wǎng)絡(luò)eNet構(gòu)架在兩個物理隔離的冗余工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)上，單個網(wǎng)絡(luò)的任何故障，包括網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴都不會影響另一個網(wǎng)絡(luò)的正常運行。eNet上的每個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都具有兩個獨立的網(wǎng)絡(luò)接口，單個網(wǎng)口的故障，并不影響系統(tǒng)的正常運行。eNet的兩個網(wǎng)絡(luò)是同時工作的，發(fā)送的數(shù)據(jù)在接受端進行數(shù)據(jù)過濾和冗余處理，如果發(fā)生網(wǎng)絡(luò)的冗余切換，切換時間等于零，在數(shù)據(jù)應(yīng)用上沒有中斷和延時。
  NT6000的eNet網(wǎng)絡(luò)采用基于組播技術(shù)的控制器主動發(fā)送機制，由KM940控制器根據(jù)數(shù)據(jù)的變化情況，進行主動地發(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)計方案會稍稍加大操作站的通訊處理負荷，但能夠大大降低網(wǎng)絡(luò)負荷和控制器負荷。在設(shè)計10臺全功能站的DCS中，基于組播技術(shù)的控制器主動發(fā)送機制的網(wǎng)絡(luò)負荷是傳統(tǒng)方案的1/10，而控制器的通訊負荷也為傳統(tǒng)方案的1/10，而且隨著操作站數(shù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)負荷和控制器負荷是恒定。恒定的低負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，雖然各個模件都設(shè)計了自診斷功能，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，維護人員無法及時排除故障，DCS實質(zhì)上處于單部件運行狀態(tài)，當兩只冗余部件全部損壞，系統(tǒng)才會發(fā)現(xiàn)有后果故障。因此自診斷界面的設(shè)計也直接關(guān)乎DCS的可靠性。   在NT6000控制系統(tǒng)上層，設(shè)計了直觀易懂的系統(tǒng)診斷畫面，收集每個控制器、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)維護人員進行維修。整個故障的過程都會產(chǎn)生詳細故障記錄，便于事后分析。
  5.  NT6000在線修改實現(xiàn)快減負荷功能 舟山電網(wǎng)與大陸電網(wǎng)聯(lián)電只有兩條，當一條線路故障時，線路只能滿足200MW輸送能力，在此情況下，要求在20秒內(nèi)機組的供電能力要從300MW瞬間降至200MW，此功能我們稱之為線路故障時快減負荷。   在電網(wǎng)提出快減負荷的要求時，舟山的300MW機組已經(jīng)完成168測試，進入商業(yè)運行階段，而快減負荷功能又牽涉到大量的邏輯修改和功能試驗，NT6000控制系統(tǒng)支持在線組態(tài)功能，使得機組能夠在正常運行時，完成快減負荷添加，這樣避免因機爐停運而帶來的不必要的損失。   NT6000每只控制器能夠支持500頁相對獨立的SAMA圖邏輯，每頁SAMA圖又可以獨立的修改并且無擾下裝。同時，在此工程中，閉環(huán)控制與機組主保護邏輯配置了獨立的控制器，快減負荷的功能主要涉及鍋爐閉環(huán)控制和汽機DEH控制，與主保護控制器沒有關(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)試人員將快減負荷的邏輯下裝到閉環(huán)控制器中，并進行了大量的組態(tài)修正和在線試驗，最終成功實現(xiàn)快減負荷功能，機爐一體化動作，送引風(fēng)機出力一致，調(diào)門快速動作，保證負荷快速下降，主汽壓力在可預(yù)見范圍內(nèi)波動。   6.  結(jié)論 實踐證明，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，被外接強電燒毀外無其他硬件方面的故障；其上下位機能靈活使用，控制運算周期快，支持雙網(wǎng)實現(xiàn)多重冗余，大大加強了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性；同時，系統(tǒng)具備真正的在線組態(tài)能力，在機組運行過程中，增加并調(diào)試了快速減負荷功能，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機組應(yīng)用，取得了良好的效果。