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NT6000控制系统在舟山电厂中的应用 |
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作者：杨震力 邵军伟 徐海峰 |
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摘要：本文基于舟山朗熹发电厂二期工程#3机组（1×300MW）上的工艺系统，介绍了NT6000分散控制系统的系统配置，重点阐述了NT6000的可靠性设计，并对系统投运后机组正常运行期间，利用NT6000的在线组态功能增加快减负荷的的应用进行讨论。
关键词： NT6000DCS控制系统；可靠性设计；在线组态；
0. 引言
现代工业分散控制系统（Distributed Control System，DCS）主要是以微处理器为基础，融合计算机技术、测量控制技术、网络数字通信技术、显示与人机界面技术而成的现代控制系统，是大型流程工业控制的核心。
其中，新兴发展的NT6000 分散控制系统是由南京科远自动化集团根据多年的工程实践、自主创新研发的智能型控制系统，可靠性高，组态方便，升级灵活，双网并行且支持多重冗余，其软、硬件均达到或超过国际标准或主流工业级产品标准，大大提高了控制系统的稳定性与可靠性，进一步提升了工业自动化与信息化水平。
众所周知，舟山是我国的第四大岛，是一个由群岛组成的城市。岛上的用电主要由舟山朗熹发电厂提供的，同时又有跨海架空线与大陆电网相连（22万Kv）。2009年，舟山朗熹电厂扩建一台300MW燃煤机组，采用NT6000 DCS控制系统，并与2010年10月21日顺利投产，系统在安全性，经济性方面均取得了满意的效果。
本文基于NT6000 DCS控制系统在舟山朗熹电厂上的应用，重点阐述了NT6000DCS控制系统可靠性设计思想，及在I/O卡件、控制器、电源及网络冗余方面的说明，并对系统投运后机组正常运行期间，通过NT6000的在线组态功能增加机组快减负荷的应用进行讨论。
1. 舟山电厂工艺介绍
舟山朗熹电厂3号机建设规模为1*300MW亚临界燃煤机组，采用上海锅炉厂生产的SG-1025/17.5-M8，1025t/h亚临界控制循环汽包锅炉，一次中间再热，单炉膛，四角切圆燃烧方式，燃烧器摆动调温，平衡通风，固态排渣，半露天布置。
汽轮机采用上海汽轮机有限公司生产的N300-16.7/538/538亚临界、单轴、双缸双排汽、中间再热凝汽式汽轮机。
发电机采用上海汽轮发电机有限公司生产的QFS2-300-2双水内冷汽轮发电机。
整体系统按单元制机组设计，主蒸汽、高温再热蒸汽管道均采用一分两进汽轮机系统设计，低温再热蒸汽管道采用一分两进锅炉再热器，高压给水采用大旁路系统，每台机组配置2×50%汽动给水泵＋1×50%电动调速给水泵，凝结水系统设置中压式精处理装置，循环水系统采用扩大单元制海水直流供水系统，汽机旁路系统采用30%BMCR旁路,机组采用按定-滑-定运行方式。
制粉系统选用中速磨直吹式，锅炉配有五台磨煤机及给煤机，正常运行时四运一备。
烟风系统采用平衡通风方式，空气预热器采用三分仓回转式，配两台一次风机，二台送风机，二台引风机及二套电除尘装置。
2. NT6000控制系统介绍
NT6000 DCS控制系统由人机界面MMI（包括操作员站和工程师站）、控制网络（ENET）、分散处理单元（DPU）、I/O网络(EBUS)和I/O模件等部分组成。
本工程采用DCS与DEH一体化结构，DEH液压部件由上海汽轮发电机有限公司提供，DEH控制逻辑由汽轮厂的自控中心提供框图，采用与DCS一致的软硬件实现DEH的控制，从而提高了系统数据的共享性，与操作维护的方便性。
分散控制系统（DCS）包括数据采集系统（DAS）、协调控制系统（CCS）、顺序控制系统（SCS）、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）、汽机调节系统（DEH）、小汽机电液调节系统（MEH）。
本工程配置的DCS配置点数为7984点，实际使用6476点，备用率23.29%；DEH、MEH配置点数为：340点，实际使用229点，备用率48.47%；脱硫系统配置点数为736点，实际使用641点，备用率14.82%。
图1 DCS配置系统图
DCS控制系统分成几个区域如图1所示：
（1）锅炉电子设备间；
（2）汽机电子设备间；
（3）公用系统设备间；
（4）脱硫电子设备间；
（5）工程师站；
（6）操作员站；
（7）远程I/O柜。
控制网络为双环形网，同一个电子设备间的网络连接采用超五类线，不同电子设备间之间的网络采用光纤，采用光纤可避免网线经过电缆架桥引入的电磁干扰。远程I/O柜采用光纤与控制器的I/O网络接口连接。公用系统及脱硫系统都有独立的操作员站，根据实际需要在就地可设运行人员，实现就地操作，也可以在主控室直接对公用系统及脱硫系统进行操作，就地操作与远方操作可互相闭锁，目前循泵房为无人值班运行方式，其相应的监视操作由主控室完成。
NT6000DCS网络配置简单，只有一层控制网，各个机柜之间的通讯通过控制网完成，控制网需要现场布线安装。IO网络在机柜内部，通过预制电缆实现控制器与IO卡件的连接。机柜内部只有少量的布线，结构清晰，空间大。由于内部机柜布线少、连接方便、IO卡件通过接插件连接等工艺，保证了机柜内部接线错误可能性很小。与外部接线用的端子为可插拔式结构，每只端子只接一根线，公共线在IO底座上共线，不需在端子上共接，所以电缆施工方便，查找问题简单，维护工作量少。
3. 单元机组分散控制系统配置简介
整个DCS系统包括42只2200×800×600mm标准NT6000机柜、2只2200×800×500mm远程柜（其中主机DCS机柜34只、主机DCS远程柜2只、DEH机柜4只、FGD机柜4只）。整个DCS只使用一种控制器KM940A，单元机组共26对。另外，本DCS系统和ECMS、同期装置以及电除尘等之间进行通讯（MODBUS485），这些系统根据运行需要可直接在DCS操作员站进行操作监视。
系统配置操作员站4台、值长站1台、工程师站1台、DEH工程师站1台、历史数据站1台、SIS接口机1台、大屏幕（兼做备用历史数据站）1台。
系统的配置严格按照二十五项重点要求及《火电厂热控系统可靠性配置与事故预控》技术措施进行。
控制器均采用冗余配置，按重要保护和控制分开的独立性原则进行配置，重要的并列或主/备运行的辅机（辅助）设备都分别配置在不同的控制器，如5台磨煤机系统配置5对DPU， FSS独立配置一对DPU，1台电泵2台汽泵都独立配置DPU，送风机、引风机、一次风机、空预器、凝结水泵、真空泵、重要冷却水泵、重要油泵、循环水泵等都分别配置在不同的控制器中，这样任何一对DPU故障时对系统的影响较小，处理故障时的安全措施简单。
根据控制对象实时性要求的不同，控制器能方便地调整控制周期，如小汽机MEH的转速控制要求有高的实时性，DPU控制周期就设置为50ms，FSSS、DEH要求有较高的实时性，DPU控制周期就设置为100ms，其它的对实时性要求不高的，DPU控制周期就设置为200ms。
整套控制系统设计时做到，重要信号三重冗余，次重要信号二重冗余，DCS系统共享的重要控制信号通过硬接线连接。
4. NT6000的可靠性设计
根据国家标准GB-6583的规定，可靠性是指元件、产品、系统在规定的条件下、在规定的时间内无故障地完成规定的功能的能力。具体内涵如下：（1）DCS 系统必须保证能长周期连续地无故障运行，即装置生产期间运行率要达到100%；（2）系统发生故障时，必须具有故障自检功能、报警功能及安全保护功能；（3）故障可在线修复，其平均修复时间MTTR 越短越好。对于大型分散控制系统而言，可靠性是所有性能指标中最重要的。NT6000在系统设计中，广泛借鉴了国内外控制系统技术的发展成果，在元器件选择、模件设计和系统设计上采取了多种可靠性措施。
NT6000 DCS的核心模件均采用坚固的铝合金封装，具有良好的散热效果和电磁屏蔽性能，密封型封装设计对恶劣环境有更强的适应能力。控制器、I/O卡件等部件均通过了严格的电磁兼容测试，至少符合三级标准。能够在现场复杂电磁环境中长期稳定工作，而不一定布置在传统的对环境温度电磁屏蔽有着严格要求的电子设备间。
NT6000 DCS的分散处理单元KM940，采用军工级的PowerPC芯片8247，支持精简指令集（RISC），主频400MHz，相当于Pentium400MHz芯片的运算能力，并具有更强的通讯处理能力和低功耗环境适应性。
KM940的主从控制器采用同步运算的冗余策略，备用控制器也参与实时逻辑运算。避免了传统设计中，备用控制器仅跟踪主控制器，不进行控制运算，这会在冗余切换后造成切换瞬间数据扰动。创新的冗余策略具有更高的可靠性。
KM940的I/O通讯总线eBus为单层设计，KM940直接与每块I/O直接通讯，速度更快；eBus总线被分为12段物理隔离的分支，每段分支的电气故障不影响其它分支的正常运行，可靠性更高。
KM940的冗余控制网络eNet构架在两个物理隔离的冗余工业以太网络上，单个网络的任何故障，包括网络风暴都不会影响另一个网络的正常运行。eNet上的每个网络设备都具有两个独立的网络接口，单个网口的故障，并不影响系统的正常运行。eNet的两个网络是同时工作的，发送的数据在接受端进行数据过滤和冗余处理，如果发生网络的冗余切换，切换时间等于零，在数据应用上没有中断和延时。
NT6000的eNet网络采用基于组播技术的控制器主动发送机制，由KM940控制器根据数据的变化情况，进行主动地发送。由于DCS的主要通讯流量为控制器上行至操作站的数据流向，这种设计方案会稍稍加大操作站的通讯处理负荷，但能够大大降低网络负荷和控制器负荷。在设计10台全功能站的DCS中，基于组播技术的控制器主动发送机制的网络负荷是传统方案的1/10，而控制器的通讯负荷也为传统方案的1/10，而且随着操作站数量的增加，网络负荷和控制器负荷是恒定。恒定的低负荷带来的更好的任务确定性和更高的可靠性。
在大型复杂系统中，DCS的管理往往随着规模的增大变得困难，虽然各个模件都设计了自诊断功能，但是缺乏直观有效的管理界面。在DCS出现冗余部件的损坏之后，由于缺乏直观的自诊断界面，维护人员无法及时排除故障，DCS实质上处于单部件运行状态，当两只冗余部件全部损坏，系统才会发现有后果故障。因此自诊断界面的设计也直接关乎DCS的可靠性。
在NT6000控制系统上层，设计了直观易懂的系统诊断画面，收集每个控制器、I/O卡件、操作员站的自诊断信息，并集成处理和显示。一旦出现故障报警，系统诊断画面将直接提示相应的故障部件，引导维护人员进行维修。整个故障的过程都会产生详细故障记录，便于事后分析。
5. NT6000在线修改实现快减负荷功能
舟山电网与大陆电网联电只有两条，当一条线路故障时，线路只能满足200MW输送能力，在此情况下，要求在20秒内机组的供电能力要从300MW瞬间降至200MW，此功能我们称之为线路故障时快减负荷。
在电网提出快减负荷的要求时，舟山的300MW机组已经完成168测试，进入商业运行阶段，而快减负荷功能又牵涉到大量的逻辑修改和功能试验，NT6000控制系统支持在线组态功能，使得机组能够在正常运行时，完成快减负荷添加，这样避免因机炉停运而带来的不必要的损失。
NT6000每只控制器能够支持500页相对独立的SAMA图逻辑，每页SAMA图又可以独立的修改并且无扰下装。同时，在此工程中，闭环控制与机组主保护逻辑配置了独立的控制器，快减负荷的功能主要涉及锅炉闭环控制和汽机DEH控制，与主保护控制器没有关联，这也为组态在线修改创造了良好的条件。
通过NT6000控制器的在线组态，调试人员将快减负荷的逻辑下装到闭环控制器中，并进行了大量的组态修正和在线试验，最终成功实现快减负荷功能，机炉一体化动作，送引风机出力一致，调门快速动作，保证负荷快速下降，主汽压力在可预见范围内波动。
6. 结论
实践证明，NT6000除了调试过程中硬件方面发生过一次IO底座线路板因操作不当，被外接强电烧毁外无其他硬件方面的故障；其上下位机能灵活使用，控制运算周期快，支持双网实现多重冗余，大大加强了系统的可靠性与稳定性；同时，系统具备真正的在线组态能力，在机组运行过程中，增加并调试了快速减负荷功能，效果优良。综上所述，NT6000分散控制系统基于软硬件一体化架构，在舟山电厂300MW机组应用，取得了良好的效果。(end)
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(9/7/2012) |
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