國外工程輔助車間控制系統(tǒng)方案探討

 摘要：針對國外項目輔助車間監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與主廠房控制系統(tǒng)合設(shè)一個監(jiān)控、管理網(wǎng)絡(luò)的要求，提出了幾種輔助車間控制系統(tǒng)方案，論述了各方案的優(yōu)缺點，結(jié)論是國外工程采用輔助車間控制系統(tǒng)采用全廠DCS方案zui合理。

目前國內(nèi)電廠設(shè)計中輔助車間一般單獨設(shè)輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)，監(jiān)控網(wǎng)與主廠房機組DCS監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分開，分別留有與廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）通訊接口，廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)完成全廠的實時監(jiān)視與查詢、在線計算分析、運行操作指導(dǎo)、廠用故障分析、系統(tǒng)維護、數(shù)據(jù)儲存處理等功能。隨著我國綜合國力的提高，近年來國外項目增多。國外項目招標(biāo)時，標(biāo)書都要求輔助車間與主廠房合設(shè)一個集中監(jiān)控和生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)，通過集中控制室內(nèi)的全功能操作員站對全廠包括各輔助車間進行監(jiān)控，設(shè)置設(shè)備管理站和優(yōu)化管理站進行設(shè)備管理、性能計算、運行優(yōu)化都在這一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。輔助車間控制系統(tǒng)設(shè)計方案需要重新考慮。

一、目前典型的國內(nèi)輔助車間控制系統(tǒng)設(shè)計方案：

目前國內(nèi)電廠根據(jù)輔助車間運行需要、輔助車間與主廠房單元機組的關(guān)系和輔助車間控制特性（開關(guān)量控制多）等要求，輔助車間包括化學(xué)水處理、凝結(jié)水精處理、除灰渣、化學(xué)取樣加藥、空壓站、循環(huán)水泵房、燃油泵房、廢水處理、采暖通風(fēng)、制氫站、輸煤、電除塵等系統(tǒng)的控制系統(tǒng)除個別車間的運行與機組運行關(guān)系比較密切的循環(huán)水泵房、空壓站等納入單元機組DCS或公用系統(tǒng)DCS外，其他車間控制系統(tǒng)多采用程序控制系統(tǒng)（PLC） ，設(shè)置獨立的輔助車間監(jiān)控網(wǎng)。輔助車間控制網(wǎng)留有與廠級監(jiān)控信息系統(tǒng) （SIS）通訊接口，輔助車間系統(tǒng)主要參數(shù)及運行工況經(jīng)通訊接口送至SIS，作為生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)。

各輔助車間控制系統(tǒng)如下：

1、化學(xué)補給水系統(tǒng)

化學(xué)補給水系統(tǒng)開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟?；瘜W(xué)補給水系統(tǒng)間斷運行，化學(xué)補給水系統(tǒng)與主廠房單元機組運行關(guān)系不是十分緊密。所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

2、凝結(jié)水精處理及再生系統(tǒng)

凝結(jié)水精處理及再生系統(tǒng)開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟。凝結(jié)水精處理系統(tǒng)多設(shè)有旁路門，允許凝結(jié)水精處理系統(tǒng)短時停運。所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

3、除灰除渣系統(tǒng)

除渣系統(tǒng)如采用干除渣工藝，與單元機組運行關(guān)系密切，應(yīng)納入單元機組DCS控制;如采用水力除渣工藝，除爐底排渣裝置外，渣漿泵房采用PLC+上位機納入輔助車間監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)除渣系統(tǒng)的監(jiān)控。除灰系統(tǒng)開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟，可短時停運，所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)除灰系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。

4、化學(xué)加藥取樣系統(tǒng)

開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng) （PLC）技術(shù)成熟，可短時停運，所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)除灰系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。

5、空壓站系統(tǒng)

如果儀用空壓站和氣力除灰空壓站合設(shè)一個空壓站，開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟，可短時停運，所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)空壓站系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。如果儀用空壓站和氣力除灰空壓站分設(shè)，儀用空壓站應(yīng)納入公用系統(tǒng)DCS，氣力除灰空壓站可采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

6、循環(huán)水泵房

循環(huán)水泵房與主廠房單元機組運行關(guān)系密切，循環(huán)水泵房停運，會造成單元機組停運。如循環(huán)水泵工藝設(shè)計采用單元制，應(yīng)納入單元機組DCS控制;如循環(huán)水泵工藝設(shè)計采用擴大單元制，應(yīng)納入公用系統(tǒng)DCS控制。

7、燃油泵房

燃油泵房僅在機組啟動時期或低負荷運行投運，與主廠房單元機組運行關(guān)系不是十分密切，可納入公用系統(tǒng)DCS控制，也可以采用采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

8、廢水處理系統(tǒng)

廢水處理系統(tǒng)開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟。廢水處理系統(tǒng)可間斷運行，廢水處理系統(tǒng)與主廠房單元機組運行關(guān)系不是十分緊密。所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

9、采暖通風(fēng)系統(tǒng)

采暖通風(fēng)系統(tǒng)開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟。采暖通風(fēng)系統(tǒng)與單元機組運行無關(guān)，可短暫停止運行。所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

10、制氫站

制氫站開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟。采暖通風(fēng)系統(tǒng)與單元機組運行關(guān)系不是十分緊密，可短暫停止運行。所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

11、輸煤系統(tǒng)

輸煤系統(tǒng)開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）技術(shù)成熟，間斷運行。所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

12、電除塵系統(tǒng)

電除塵系統(tǒng)開關(guān)量控制較多，采用程序控制系統(tǒng)（PLC）或智能控制系統(tǒng)。與單元機組運行關(guān)系不是十分緊密，可短暫停止運行。所以采用PLC+上位機納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)實現(xiàn)監(jiān)視和控制。

輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)（BOP-NET）根據(jù)各電廠運行需要，可以設(shè)置水、煤、灰三個監(jiān)控點的方案，也可以設(shè)置一個集中監(jiān)控點的方案。水、煤、灰三個監(jiān)控點的方案輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)置兩層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，*層根據(jù)各輔助車間的性質(zhì)，將各輔助車間分別接入水、煤、灰三個子網(wǎng)，在就地設(shè)置水、煤、灰三個監(jiān)控點，分別用于全廠水務(wù)系統(tǒng)（包括化學(xué)水處理、凝結(jié)水精處理、化學(xué)取樣加藥、廢水處理、制氫站等）、輸煤系統(tǒng)、除灰渣電除塵系統(tǒng)的運行監(jiān)控。

二、國外項目輔助車間控制系統(tǒng)設(shè)計方案

國外項目都要求輔助車間與主廠房合設(shè)一個集中監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過集中控制室內(nèi)的全功能操作員站對全廠包括各輔助車間進行監(jiān)控。輔助車間控制系統(tǒng)設(shè)計方案需要重新考慮。

1、輔助車間控制系統(tǒng)設(shè)計方案——全廠DCS方案

PLC和DCS是基于不同技術(shù)開發(fā)出的產(chǎn)品，兩個系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議不同，無論采用哪種方式通訊，都涉及到協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換，就好比說兩種不同語言的人交流需要翻譯一樣，會在通訊上浪費時間，造成 DCS公用網(wǎng)的輔助車間操作員站操作輔助車間各系統(tǒng)設(shè)備時，反映慢的影響。

輔助車間采用全DCS方案時，就不存在協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題，全廠控制系統(tǒng)設(shè)置一個統(tǒng)一的監(jiān)控網(wǎng)，各輔助車間控制系統(tǒng)作為全廠DCS的一個遠程控制站，系統(tǒng)通訊暢通，響應(yīng)速度快，完滿足項目的要求。因此考慮到外方招標(biāo)文件要求和項目調(diào)試、驗收、移交時的風(fēng)險，推薦采用全DCS方案。具體方案如下：

全廠包括主廠房和各輔助車間設(shè)的控制系統(tǒng)采用相同硬件的DCS。每臺機組設(shè)置獨立的單元機組DCS監(jiān)控網(wǎng)，用于對單元機組（包括鍋爐、汽輪發(fā)電機組機輔助系統(tǒng)、廠用電和發(fā)變組）和與單元機組運行直接相關(guān)的輔助車間單元部分（如取樣加藥系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理單元部分一離子交換）進行監(jiān)控。設(shè)置公用系統(tǒng)DCS監(jiān)控網(wǎng)，用于對公用系統(tǒng)和各輔助車間進行監(jiān)控。

各輔助車間除涉及技術(shù)、*技術(shù)和較小的控制系統(tǒng)如電除塵、制氫站等采用PLC的控制系統(tǒng)與DCS采用 MODBUS協(xié)議串行口進行雙向通訊;其余均采用與主機DCS相同的硬件。各輔助車間控制系統(tǒng)做為DCS遠程控制站，連接到公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)，機柜布置在就地輔助車間控制室。各輔助車間控制系統(tǒng)具體方案如下：

（1）除灰除渣系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)除灰渣系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，設(shè)置D CS遠程控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（2）凝結(jié)水精處理及再生系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)凝結(jié)水精處理及再生系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，單元部分系統(tǒng)（離子交換與單元機組DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在單元機組DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控。公用部分系統(tǒng)（再生系統(tǒng)）與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，設(shè)置DCS本地控制站，機柜布置在電子設(shè)備間。

（3）化學(xué)補給水系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)化學(xué)補給水系統(tǒng)包括原水處理的監(jiān)視和控制，設(shè)置DCS遠程控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（4）空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，設(shè)置 DCS本地控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在電子設(shè)備間。

（5）廢水處理系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)廢水處理系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，設(shè)置 DCS遠程控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（6）加藥取樣系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)加藥取樣系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，設(shè)置DCS本地控制站與單元機組DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在單元機組DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在電子設(shè)備間。

（7）空壓站系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)空壓站系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，設(shè)置DCS遠程控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（8）制氫站

采用PLC實現(xiàn)制氫站系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，采用Modbus方式與化學(xué)水控制系統(tǒng)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（9）循環(huán)水泵房

采用DCS實現(xiàn)循環(huán)水泵房的監(jiān)視和控制，設(shè)置DCS遠程控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（10）燃油泵房采用DCS實現(xiàn)燃油泵房的監(jiān)視和控制，設(shè)置DCS遠程控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（11）輸煤系統(tǒng)

采用DCS實現(xiàn)輸煤系統(tǒng)的監(jiān)視和控制設(shè)置DCS遠程控制站與公用系統(tǒng)DCS網(wǎng)絡(luò)相連，在公用系統(tǒng)DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

（12）電除塵系統(tǒng)采用PLC或智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)電除塵系統(tǒng)的監(jiān)視和控制，采用OPC方式或MODBUS協(xié)議串行口與單元機組DCS系統(tǒng)相連，在單元機組DCS操作員站上實現(xiàn)監(jiān)控，機柜布置在就地控制室。

從技術(shù)角度，全廠DCS方案，一方面，統(tǒng)一的軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)全場控制系統(tǒng)的無縫連接，無需通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)通訊暢通，響應(yīng)速度快;便于生產(chǎn)培訓(xùn)。另一方面，統(tǒng)一的硬件系統(tǒng)，方便用戶備品備件管理，方便運行維護。從經(jīng)濟角度，目前DCS和PLC系統(tǒng)平均到單點I/O價格基本相當(dāng)，由于取消了輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)，大約可以設(shè)備投資大約150萬元（包括軟件、硬件）。從工程實施的經(jīng)驗看，目前國內(nèi)已經(jīng)有一些電廠采用了全廠DCS方案，如我院設(shè)計的國電莊河電廠、華北院設(shè)計的山西同華軒崗電廠，工程實施順利，系統(tǒng)運行可靠。因此此方案應(yīng)作為國外投標(biāo)項目的推薦方案。

2、輔助車間控制系統(tǒng)設(shè)計方案二——PLC+DCS方案

國內(nèi)輔助車間采用DCS的控制方案案例較少，包括設(shè)計、采購、調(diào)試、安裝、運行的工程實施的經(jīng)驗較少。有些輔助車間涉及技術(shù)，如化學(xué)水處理的超濾+反滲透+電除鹽（EDI） ，設(shè)備廠家的控制系統(tǒng)是基于PLC開發(fā)的。當(dāng)控制系統(tǒng)隨工藝設(shè)備成套時，要求設(shè)備廠家采用DCS，設(shè)備廠家不響應(yīng)標(biāo)書?？刂葡到y(tǒng)單獨招標(biāo)，工藝設(shè)備廠家又不愿提供組態(tài)邏輯要求。

考慮以上因素也可以考慮PLC+DCS方案，主廠房單元機組和公用系統(tǒng)控制系統(tǒng)采用DCS，各輔助車間控制系統(tǒng)采用PLC，各輔助車間控制系統(tǒng)通過通訊接口與主廠房DCS通訊，實現(xiàn)全廠一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。此方案又有兩種組網(wǎng)和通訊方式。

（1）設(shè)置輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)，將各輔助車間控制系統(tǒng)納入輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)監(jiān)控，輔網(wǎng)設(shè)獨立的操作員站，各輔助車間的運行監(jiān)控在輔網(wǎng)操作員站上完成。輔網(wǎng)與主廠房DCS的通訊采用OPC方式， DCS提供1臺OPC Client，輔網(wǎng)提供l臺OPC Server。DCS只對輔網(wǎng)進行監(jiān)視無需控制。此方案的優(yōu)點是主廠房 DCS 網(wǎng)絡(luò)與輔網(wǎng)相對獨立，互相之間干擾小，系統(tǒng)安全可靠，即使通訊故障也不影響輔助車間的監(jiān)控。通訊速度快，傳輸速度為10000個數(shù)據(jù)/每秒。缺點是若DCS監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)故障，即OPC Client至控制器網(wǎng)絡(luò)故障，則輔網(wǎng)至DCS通訊中斷。

（2）不設(shè)置輔助車間集中監(jiān)控網(wǎng)，根據(jù)各輔助車間與主廠房單元機組的工藝系統(tǒng)之間的關(guān)系，將各輔助車間控制系統(tǒng)分別納入單元機組DCS和公用系統(tǒng)DCS。各輔助車間的運行監(jiān)控在單元機組DCS操作員站上完成。輔助車間控制系統(tǒng)與主廠房DCS的通訊有兩種方式：

（a）采用TCP/IP協(xié)議，將輔助車間控制系統(tǒng)通過串行口接入DCS 的TCP/IP通訊卡上。這種方式適合比較大的輔助車間控制系統(tǒng)，如化學(xué)水處理、輸煤程控系統(tǒng)。以O(shè)VATION系統(tǒng)的ELC卡為例，它可以提供1個100Mbps以太網(wǎng)口，可接入20000個第三方數(shù)據(jù)。該卡同普通I/O卡一樣安裝在機柜內(nèi)，通過柜內(nèi)I/O總線與控制器進行通訊。由 OVATION控制器建立DCS側(cè)輔助車間控制系統(tǒng)I/O點，對輔助車間控制由控制器執(zhí)行。優(yōu)點：DCS監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)故障，不影響DCS與輔網(wǎng)的通訊。缺點：通訊速度慢于OPC方式。

（b）采用Modbus_RTU協(xié)議，將輔助車間控制系統(tǒng)通過串行口接入 DCS的Modbus_RTU通訊卡上。這種方式適合比較小的輔助車間控制系統(tǒng)，如制氫站、取樣加藥程控系統(tǒng)。以O(shè)VATION系統(tǒng)的LC卡為例，每塊LC卡提供1個19.2Kbps RS485口，可接入250個第三方數(shù)據(jù)，通過該串口與PLC通訊。該卡同普通I/O卡一樣安裝在機柜內(nèi)，通過柜內(nèi)I/O總線與控制器進行通訊。由OVATION控制器建立DCS側(cè)輔助車間I/O點，對輔助車間控制由控制器執(zhí)行。優(yōu)點：若OVATION監(jiān)控級網(wǎng)絡(luò)故障，不影響DCS與輔網(wǎng)的通訊。缺點：通訊速度zui慢，通訊數(shù)據(jù)zui少。

三、結(jié)論

總之，國外投標(biāo)項目需要重新優(yōu)化全廠控制系統(tǒng)的組態(tài)?？紤]技術(shù)和經(jīng)濟應(yīng)推薦采用全廠DCS方案，在技術(shù)上，全廠控制網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的DCS控制網(wǎng)絡(luò)，沒有了大量的系統(tǒng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)機構(gòu)更加簡潔，通訊速度更加快捷，運行維護更加簡單。在經(jīng)濟上，可以節(jié)約投資。

如果項目有特殊要求輔助車間控制系統(tǒng)需要采用PLC，應(yīng)根據(jù)工藝系統(tǒng)特點、控制系統(tǒng)大小、控制要求等綜合考慮采用何種方式與DCS網(wǎng)絡(luò)連接和通訊方案，確保能夠?qū)崿F(xiàn)全廠一個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的要求。