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1、大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用谭志明大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用R e s e a r c ha n dA p p l i c a t i o no fF u l l yI n t e g r a t e dC o n t r o lS y s t e mf o rA u x i l i a r yE q u i p m e n ti nL a r g e-S c a l e dF o s s i l _ _ f i r e dP o w e rP l a n t谭击。月(上海工业自动化仪表研究院，上海2 0 0 2 3 3)摘要：针对国内大型火电站各辅机系统相互独立运行的现
2、状，对现场分布的各控制子系统全集成进行了研究。辅机控制会集成系统发挥系统在组态、编程及各类设备、系统的网络连接等优势，增强了监控级功能，从而合理地运行调度，大大提升了企业信息化能力；同时，阐述了该全集成系统在上海外高桥百万超超I 临界机组的具体应用。关键词：大型电厂辅机控制监控与管理全集成系统架构中图分类号：T M 6 1 l文献标志码：AA b s t r a c t：A tp r e s e n t。i nm a n yo ft h ed o m e s t i cl a r g e s e a l e dp o w e rs t a t i o n s，t h ec o n t r o
3、ls y s t e m so fv a I i o u sa u x i l i a r ye q u i p m e n t sa r eo p e r a t i n gi n d e p e n d e n t l y。t h u st h et o p i co ff u l l yi n t e g r a t i n gt h e s ec o n t r o ls u b s y s t e m sh a sb e e nr e s e a r c h e d F u l l yi n t e g r a t e ds y s t e mf o ra u x i l i a r
4、 ye q u i p m e n to f-f o r ss u p e r i o ri nc o n f i g u r a t i o na n dp r o g r a m m i n go ft h es y s t e m。a n di nn e t w o r kc o n n e c t i o n sa m o n gv a r i o u se q u i p m e n ta n ds y s t e m s I na d d i t i o n，i te n h a n c e st h ef u n c t i o n si nm o n i t o r i n g
5、l e v e la n dg r e a t l yi n c r e a s e st h ei n f o r m a t i o nc a p a b i l i t yf o re n t e r p r i s e s S p e c i f i ca p p l i c a t i o n so fs u c hf u l l yi n t e g r a t e ds y s t e mi nS h a n g h a iW a iG a oQ i 10 0 0M Ws u p e r-s u p e rc r i t i c a lp o w e ru n i t sa 陀a
6、 l s od e s c r i b e d K e y w o r d s：L a r g e-s c a l e dp o w e rp l a n tC o n t r o lo fa u x i l i a r ye q u i p m e n tM o n i t o r i n ga n dm a n a g e m e n tF u l l yi n t e g r a t e dS y s t e ma r c h i t e c t u r eO引言随着现代工业自动化技术的快速发展，工厂自动化控制的要求也随之提高。系统集成已不再是原来的系统成套模式，它通过计算机网络，使局部
7、自动化技术在物理集成、功能集成、信息集成和组织集成的基础上，形成为一个柔性的、高度自动化的管控一体化系统。全集成自动化系统也为M E S 系统和E R P 系统提供最直接的实时生产数据。1 概述电厂辅机系统分输煤、除灰渣和水处理等控制系统，各辅机系统简介如下。1 1 输煤程控系统在我国大型电厂中，采用的绝大部分燃料是燃煤。由于煤产地与电厂间地理位置或地域不同，需通过汽车、火车或轮船把煤运往电厂。因此，输煤系统承担着从煤源(翻车机、卸车机、汽车卸煤沟等)至储煤场，再由储煤场到主机煤仓，或者直接到主机煤仓的备煤和上煤任务。修改稿收到日期：2 0 1 0 0 3 2 4。作者谭志明，男。1 9 6
8、3 年生。1 9 9 2 年毕业于上海交通大学电气自动化火电厂输煤程控系统包括上煤系统、配煤系统、上位计算机监控，用于实现各种管理功能。该系统主要控制对象包括给煤机、三通挡板、皮带机、碎煤机、滚轴筛、除铁器、振打器、犁式卸煤器等设备，以及与煤源设备，如翻车机、卸船机、斗轮机等的通信。1 2 水处理控制系统电厂水处理工艺主要由补给水处理、凝结水处理、净水处理，以及废水处理等组成，各水系统处理工艺简介如下。锅炉补给水一般由化学除盐系统和酸碱再生系统及活性碳反洗系统组成。超滤、反渗透作为化学水处理系统的一级除盐，根据水源的不同有多种T 艺，如“多介质过滤”、“纤维过滤”、“多介质过滤+活性炭”、“自
9、清洗过滤+超滤”等。凝结水精处理是对水汽系统中的凝结水进行除盐和除浊处理，以保证凝结水水质合格，防止水气系统产生腐蚀、结盐和结垢。净水工艺系统由净化站、加药系统组成。废水处理系统主要由再生废水及机组排水处理系统、污泥处理系统和非经常性废水处理系统组成。汽水取样是用分析仪表采集数据，进行数据的分析，检测水质有无问题，部分数据送加药系统进行控制。1 3 除灰除渣系统专业。获学士学位高级工程师注要从事自动化控制系统的研究。大型机组的除灰除渣系统通常包括磨煤机排出的2 6P R O C F _ 蕊A U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L
10、3 1N o 5M a y2 0 1 0万方数据大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用谭志明石子煤处理、锅炉底部渣的处理、省煤器、空气预热器和电气除尘器飞灰的处理。其主要控制对象为输送风机、气化风机、气锁阀、加热器、各类阀门、卸灰装置、布袋除尘器、收灰风机及管道压力、底渣斗、贮水池以及灰库等设备。各灰渣系统工艺如下。石子煤的处理石子煤的成分主要是磨煤机无法磨碎的石子，在机组调试初期，还常含有大量的煤。处理方式有机械方式和水力喷射泵输送方式。底渣部分的处理底渣是锅炉底部燃烧产生的废物，由于大排渣温度高，需要有贮渣及水冷装置，如水封式排渣或刮板捞渣机的水槽，经过连续的冷却水冷却后，再采用机械方式和
11、水力喷射泵输送方式进行处理。另外，还有适用于北方干旱少雨缺水地区的空气冷却后加机械输送的输送方式。灰的处理大型机组的省煤器、空气预热器和电气除尘器飞灰一般采用气力输送系统，以便灰综合利用和保护厂区环境。灰库中的灰可进一步经分选装置，把粗灰中的细灰分离出来，提高细灰产量，同时达到商品优质灰的细度要求。大型火电站辅机系统框图如图l 所示。图1大型火电站辅机系统框图F i g 1S t r u c t u r a ld i a g r a mo ft h ea u x i l i a r ye q u i p m e n ts y s t e mi nl a r g e-s c a l e df o
12、 s s i l-f i r e dp o w e rs t a t i o n目前在国内电厂中，各辅机系统设立有独立的控制室及相应的运行人员，因此，各系统通常是相互独立控制运行的。系统分散、距中央控制室较远，这会给系统的运行、维护和管理带来许多困难。为解决上述问题，以外高桥电厂三期为依托，采用辅机控制与管理全集成自动化系统，对电厂各辅机子系统实现连网控制，从而改进和完善外围系统的控制方式和运行方式，实现电厂安全生产，提高管理水平。2 主要关键技术辅机系统实现全集成主要考虑以输煤系统、除渣系统为基础，实现与D C S 系统、一期二期系统、工业监视系统、卸船机系统，以及卸料小车系统等的通信。项目
13、中的通信具有很大的开放性，其能拓展化水系统以及其他辅机之间的通信，为实现全厂的辅机连网控制打下了坚定基础，并留有充分扩展的余地。自动化仪表第3 l 卷第5 期2 0 1 0 年5 月外高桥电厂二期2x 9 0 0M W 机组是我国第一台百万级大型样板机组；外高桥电厂三期2X10 0 0M W机组工程是国家重点优质工程，获国家重大项目金质奖，是国际上煤耗最低的节能减排机组之一，也是国内参照设计百万大机组的样板工程。2 1 工业以太网协议转换在外高桥电厂辅机控制与管理全集成自动化系统中，除灰渣控制系统是一个重要的子系统。在除渣系统中，安排了3 名操作员对4 个子站进行监控：2 套炉前池和渣浆泵系统
14、以及2 套脱水仓和再循环水系统；另外，还有一个专门用于与电厂总控制系统通信的通信子站。每个子站均采用1 7 5 6 P A 7 5 型P L C 作为控制器，并挂载l 块C o n t r o l N e t 通信卡1 7 5 6 C N B R，用于进行子站之间的通信。4 个I O 子站还有数量不等的V O 模块，以管理其下总计达8 0 0 个的L O 点；通信子站则带有2 块P r o S o f t 公司生产的M o d b u sT C P I P 通信接口卡1 7 5 6 2 7万方数据大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用谭志明M V E T，以便与电厂总控制系统进行冗余通信。操作
15、员站连接在C o n t r o l N e t 上，其中还包括了用于网络扩展的光中继器和R S 2 一F X F X 工业交换机。除渣控制系统的组态如图2 所示。图2 除渣控制系统组态图F i g 2C o n f i g u r a t i o no fs e d i m e n tr e m o v i n gc o n t r o ls y s t e m由图2 可知，2 块1 7 5 6 M V E T 通信接口卡挂接在1 7 5 6 P A 7 5 型P L C 上。它们与1 块C o n t r o l N e t 通信卡1 7 5 6 C N B R 共同组成了除渣系统中的通信
16、子站。为了实现C o n t r o l N e t 到E t h e r n e t 的通信，1 7 5 6-M V E T 通信卡需要解决以下问题：正确组态通信卡，使整个通信子站正常丁作；根据底层L O 数量，设置合适的变量传送数据，并编写通信卡配置文件；编写通信卡通信程序。除了完成数据通信外，还要解决2 块通信卡冗余通信的问题。结合该子系统的集成工作，开展了C o n t r o l N e t 现场总线与M o d b u sT C W I P 工业以太网协议转换网关的设计与开发工作。2 1 1 通信接口卡工作原理1 7 5 6 M V E T 通信接口卡采用了特殊的通信方法。当进行通
17、信数据处理时，需要通过底板与P L C 控制器进行通信。在通信接口卡和控制器之间，数据交换采用接口卡上的输入输出映像，由用户根据需要来定义映像的刷新频率，一般为l 1 0m s。P L C 控制器、1 7 5 6 一M V E T 通信接口卡以及M o d b u sT C P I P 之间的数据传输模式如图3 所示。C o n t r o lI o l j oM o d u l e sIC o n t r o l l e rT a g sL a d d e r苎篓!r、S t a t u s L o g i cT r a f t s f e r oR e n dD a t a|一M o d
18、u l e s一丁fr)Lh 譬苫嬲舭_ f t r e a si nt h eT C P I P p r o c e s s o rS t a c k稃A n dW r i t eD a t a hL a d d e r孽E t h e m e tS p e c i a lL+I。o g i cH a r d w a r eC o n t r o lIT r a f t s f e r sI n t e r f a c e B l o c k sID a t a f r o m _ 一P r o c e s s o r1ID a t f ta r e a sT oo u t p u tC o
19、 n t r o li m a g e图31 7 5 6 一M V E T 通信卡数据传输模式F i g 3D a t at r a n s m i s s i o nm o d eo f1 7 6 5 一M V E Tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e从以太网传输到通信卡上的数据，由卡内部客户端驱动逻辑接收，经由1 7 5 6-M V E T 通信卡内部寄存器，再到输入映像；经过底板通信，由P L C 的控制逻辑将数据读人P L C 控制器的读数据区进行储存，最终通过C o n 一2 8P R O C E S SA U T O M A T I O NI
20、N S T R U M E N T A T I O NV o L3 1N o 5M a y2 0 1 0万方数据大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用谭志明t r o l N e t 发送给连接在P L C 控制器上的现场I O 点。数据的写过程与读过程相似，将现场I O 点采集的数据存放在控制器的写数据区内。在一个通信过程中，P L C 控制逻辑将数据从写数据区写入通信卡的输出映像，再经内部寄存器和服务器端驱动逻辑将数据发送到以太网上。如果P I E 发出的是事件命令，则可以直接发给客户端驱动逻辑，而不需要经过内部寄存器。2 1 2 通信卡的数据结构在1 7 5 6-M V E T 通信接口
21、卡正常模式的数据传输中，包括存放在通信卡内部寄存器中地址为0 4 9 9 9的用户数据和表征状态的状态数据，它们以读数据块和写数据块的形式传输。其中读数据块用于从通信卡到P L C 控制器的数据传输，写数据块则用于从P L C 控制器到通信卡之间的数据传输。读数据块I D 用于指定用户数据在P L C 控制器读数据区中存放的位置。由于通信卡和P L C 控制器之间的数据传输每次只能传送2 0 0 个字的用户数据，因此，如果用户数据大于2 0 0 个字(偏移地址2 2 0 1 的用户数据)，则传输过程需要分几次才能完成。使用P r o c e s s o rM e m o r yB a e k
22、p l a n eI n t e r f a c eC o n t r o lI o g i xC o n t r o l l e rT a g sD a t a b a s eM o d b u sA d d r e s s e sA d d r e s s e s读数据块I D，可以按照用户数据原来的顺序，依次把用户数据写入控制器读数据区并存放在相应的位置。读数据块中的写数据块I D 用于标志向P L C 控制器发送请求，要求返回一个写数据。在正常的数据传输过程中，1 7 5 6 M V E T 通信卡在发送读数据的同时，向控制器发出请求，并要求返回写数据。写数据块中的写数据块I D 用于
23、指定用户数据从控制器写入通信卡内部寄存器时存放的位置。每次只能传送2 0 0 个字的数据(偏移地址l 一2 0 0 的用户数据)。2 1 3 通信卡和控制器之间的数据流在此介绍P L C 控制器、1 7 5 6 一M V E T 通信卡以及M o d b u sT C W I P 网络上的其他节点之间的数据流。通信卡中包含了作为服务器和客户的控制逻辑。作为服务器，1 7 5 6 M V E T 通信卡可以接收网络上的客户端通过服务端口5 0 2(M B A P)和2 0 0 0(M N E T)发出的数据读写命令。通信卡在接收到网络数据读写命令后，与P L C 控制器进行数据交换，其过程示意图
24、如图4所示。M N e t 模块图4 服务器模式下的数据流示意图F i g 4S c h e m a t i co ft h ed a t af l o wu n d e rs e r v e rm o d e2 2P L C 与日立D C S 系统通信的实现辅机控制与管理全集成自动化系统须与主机D C S系统进行数据交换，实现在D C S 侧专用操作员站对辅机系统的监视和控制。但外高桥电厂输煤程控系统采用的是美国A B 公司C o n t r o l L o g i x 系列P L C，通信协议为C o n t r o l N e t；D C S 系统采用的是日本日立公司的H I A C S
25、 5 0 0 0 M 系统，通信协议为M o d b u sT C P I P。由于辅机控制与管理全集成自动化系统、D C S 系统通信协议不同，两者不能实现互通。采用的解决方案是采用C o n t r o l N e tT OM o d b u sT C W I P 网桥，实现协议转换，重新打包数据，从而实现互通。输煤程控系统P L C 增加了l 块C o n t r o l N e tT O自动化仪表第3 l 卷第5 期2 0 1 0 年5 月M o d b u sT C P I P 网桥M V l 5 6 M N e t。该网桥模块连接到工业以太网交换机，再通过光缆与D C S 系统进行
26、连接。P L C 控制器与日立D C S 系统通信的硬件配置和连接如图5 所示。图5 硬件配置和连接图F i g 5H a r d w a r ec o n f i g u r a t i o na n dc o n n e c t i o nM V l 5 6 M N e t 是美国P R O S O F T 公司生产的第三方2 9万方数据大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用谭志明协议转换模块，它向A L L E N B R A D L E YC O N T R O L 广L O G I XI O 协处理器提供了易于与其他M o d b u sT C P I P 兼容设备通信的能力。兼容设
27、备不仅包括M o d i c o nC o n t r o l L o g i x(提供M o d u b sT C P I P 通信协议)，还包括其他客户服务设备。M V l 5 6 M N e t 网桥模块实现将C o n t r o l N e t 协议转换为M o d b u sT C P I P 协议。M o d b u sT C P I P 与以太网T C W I P 结合，即在T C P帧中嵌人M o d b u s 信息帧，成为M o d b u sT C P I P，在工业自动化领域中，其具有很高的性能价格比，是一种真正开放的理想解决方案。试验表明了其有效性，应用案例也证明了
28、其在实际应用中的价值。将输煤程控系统P L C 的I O 点映射到M V l 5 6 一M N e t 网桥模块内部的用户数据区域(支持最大2 4 9 个字的数据)，同时在输煤程控系统P L C 处理器与M V l 5 6 一M N e t 网桥模块之间进行传送。打包和解包数据，即在辅机控制与管理全集成自动化系统P L C 处理器程序中增加一段程序，将D C S 侧需要的数据打包，并送到M V l 5 6 M N e t 网桥模块数据区域中，宿主端M V L 5 6。M N e t 网桥模块将数据保存到发送数据区域；而客户端D C S 侧使用M o d b u sT C P I P协议向M V
29、 l 5 6 M N e t 网桥模块获取数据包，数据包到达D C S 侧后，进行解包。解包后的数据格式为一个1 6 位的字。若发往D C S 的数据为开关量，则在1 个数据包里可同时发送1 6 个开关量数据；若数据为模拟量，则在一个数据包里只能发送1 个模拟量数据，若为3 2 位模拟量，则需要占用2 个数据包。每个数据包的第一位为标识位，即指示该数据包的数据种类。D C S 系统要对辅机控制与管理全集成自动化系统P L C 进行控制，就需要向M V l 5 6 一M N e t 网桥模块内写人数据，即发送数据包。打包格式同上，网桥模块接收到数据包后进行解调，将M o d b u sT C P
30、 I P 协议数据包分解转换为C o n t r o l N e t 数据包，并写入P L C 控制器，实现对辅机控制与管理全集成自动化系统P L C的控制。2 3 各P L C 平台间的通信实现辅机控制与管理全集成自动化系统P L C 与系统内辅助设备P L C 品牌不同，通信协议无法统一。以外高桥电厂输煤程控系统为例，外高桥电厂输煤程控系统内辅助设备，如卸船机、斗轮机、卸料小车等都带有自己不同品牌的控制系统P L C。这些设备须与输煤程控系统P L C 进行通信，实现输煤程控系统对上述系统的监视和连锁控制。重新打包数据，从而实现互通。由于输煤程控系统P L C 配置的控制器支持D H+协议
31、，而辅助设备P L C 选用的是A BS L C 5 0 0 系列P L C，标准接口为D H+，通信介质为双绞线。因此，只需要在P L C 机架上增加一块D H+通信模块，即可实现在输煤程控系统操作员站上对卸船机、斗轮机、卸料小车等设备的监视和控制。为了实现与其他P L C 控制器的通信，需要对通信进行编程。系统使用M E S S A G E 指令实现输A 输出指令。M E S S A G E 指令可从控制器中读取数据，或写数据到控制器；或者从另一个网络上的另一个控制器读数据，或写数据到另一个控制器。在实际施工过程中。由于辅助系统距离输煤程控系统距离较远，而D H+双绞线只能支持1 0 0m
32、 左右的通信距离。因此，采用光中继器将电信号转换为光信号，以继续传输，增加系统通信距离。3 结束语工业自动化系统的发展方向是提高系统的集成性，将过去“分治”的D C S 系统、P L C 系统和驱动控制系统集成在一个信息平台上，构筑统一的系统软件平台和数据库。由于客观原因，大容量机组的辅机往往采用不同厂家的设备，与其设备配套的控制装置也是不同型号的，因此，须开发一整套硬件、通信和应用软件的系统集成技术，将这些遵从不同标准的设备有机地集成在一个管控一体化系统内。我院研发的电厂辅机全集成自动化系统所使用的系统集成技术，可以应用于一些大中型企业。这些技术对提升我国工业自动化控制系统的技术水平，具有较
33、大的推动作用，必将产生重大的社会效益和经济效益。参考文献 1 颜渝坪，周明火电厂主、辅机及辅助设备顺序控制系统的发展 J 中国电力，2 0 0 0，3 3(1)：6 9 7 4 2 陈在平。岳有军工业控制网络与现场总线技术 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 6 3 吴乃优吴小洪，王晓初，等新一代实时网络控制平台(C o n t r o l N e t)及其应用 J 自动化仪表，2 0 0 0。2 1(5)：1 0 一1 3 4 P r o s o f tT e c h n o l o g y，l n c M V l 5 6-M N E TC o n t r o l L o g i xP l
34、 a t f o r mM o d b u s1 P I PI n t e r f a c eM o d u l eU s e rM a n u a l M 2 0 0 1 5 M o d b u so r g a n i z a t i o n M o d b u sa p p l i c a t i o np r o t o c o l s p e c i f i c a t i o nV 1 1 s 2 0 0 2 63 王威。缪学勤试论工业以太网实时通信技术 J 自动化仪表，2 0 0 3。2 4(2)：1 3 7 潘钢余康，万晖，等大连庄河电厂超临界机组一体化平台主解决方案是采用D
35、H+接口协议，实现协议转换，辅控D C S 系统世界仪表与自动化，2 0 0 8，1 2(2)：2 5 2 8 3 0P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 1N o 5M a y2 0 1 0万方数据大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用大型火电厂辅机控制全集成系统研究及应用作者：谭志明，Tan Zhiming作者单位：上海工业自动化仪表研究院,上海,200233刊名：自动化仪表英文刊名：PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION年，卷(期)：2010，31(5)被引用次
36、数：0次 参考文献(7条)参考文献(7条)1.颜渝坪.周明 火电厂主、辅机及辅助设备顺序控制系统的发展期刊论文-中国电力 2000(1)2.陈在平.岳有军 工业控制网络与现场总线技术 20063.吴乃优.吴小洪.王晓初 新一代实时网络控制平台(ControlNet)及其应用 2000(5)4.Prosoft Technology,Inc MVI56-MNET ControlLogix Platform Modbus TCP/IP Interface Module User Manual 20015.Modbus organization Modbus application protocol specification V1.1 20026.王威.缪学勤 试论工业以太网实时通信技术 2003(2)7.潘钢.余康.万晖 大连庄河电厂超临界机组一体化平台主辅控DCS系统 2008(2)本文链接：http:/