火电厂外围设备系统集中监控改造的研究

      摘要：文章对火力发电厂的外围设备系统由就地控制改造为集中控制进行
研究，分析外围设备控制进行这种改造的可行性和必要性，并介绍日照电厂外围
设备系统进行集中监控改造的硬件配置，实施过程中的经验和体会。

      关键词：外围设备集中监控研究

      1.火力发电厂外围设备控制的现状

      分散控制系统（DCS ）在现代火力发电厂大型机组上已经得到广泛应用，
它逐渐取代了以前的常规仪表，提高了机组控制水平，许多机组都达到了全自动、
全程控功能，可以说目前我国许多大机组的主设备控制已达到国际先进水平，但
是外围设备，如：化学补给水系统、废水处理系统、除灰除渣系统、输煤系统、
循环水泵、空气压缩机站、制氢站、燃油泵、启动锅炉和综合水泵等，在电厂筹
建期间，由于预算高压缩基建投资时往往压的最多的就是外围设备的投资。由于
预算低，必然使外围设备选型落后，控制水平低，基本上就是传统的就地继电器
回路控制，好一点的控制系统采用PLC 控制。这就与主厂房的DCS 集中控制形成
鲜明对比，主厂房设备控制广泛采用DCS ，并达到国际先进水平，而辅助公用系
统往往由不同设备制造商提供，采用的设备和控制技术相差很大，有的采用较高
档次的可编程序控制器（PLC ），并取消了盘台后备控制，实现了全CRT 控制；
有的则使用常规盘装仪表控制表，致使外围设备的控制室多达十几个，需要的运
行值班人员多，设备故障率高、维护量大，且设备故障跳闸后由于没有先进的事
件记录功能，导致不能很好地分析事件原因和预防事件的再发生。随着电力体制
改革的深入，厂网已经分开，以后各发电商之间的竞争会越来越剧烈，而竞争的
核心就是降低发电成本，提高劳动生产率。因此如何利用先进的计算机技术，将
相互独立的各个辅助外围系统改造为集中控制或相对集中控制，实现外围控制系
统无人值班化或少人值班，不仅可以使外围设备系统控制水平提高，减少设备故
障率，而且可以大量减少运行人员，大幅度提高劳动生产率，达到减人增效的目
的。这个现实的课题已经摆在了许多电厂人的面前。

      2.外围设备控制改造的方案和技术

      外围系统设备是否需要以及如何改造，要进行综合的技术经济比较才能决
定。要计算投入产出比，投入就是全部的改造费用及改造不好带来的遗留问题，
产出就是改造成功后设备可以实现远方监控，减少运行维护人员，设备故障率低。

      现有几种方案可以对外围设备控制进行设计和改造，即全厂外围设备系统
只设1 个控制点且把这个控制点放在集控室控制，此为单点控制；也可采用相对
集中控制，即设立若干个相对集中控制点。根据不同的集中控制方式，可以采用
不同的控制技术，如现场总线技术FCS 、分散控制系统DCS 和可编程控制器PLC
等，可产生多种控制方案。何种方案最佳，需依据实际情况而定，不可一概而论。
例如：由于输煤系统离主厂房相对较远且控制对象繁多，近期可单独采用PLC 控
制，在燃料区域设一个控制点，并将输煤控制与D 外围其它控制系统联网；启动
锅炉房使用的时间很短，可设立单独的简单控制系统，而其它外围辅助系统则可
采用两种方式控制：一是扩展主机DCS ，利用扩展后的DCS ，通过单元机组DCS
操作员站实现外围系统控制，该方案可以减少控制设备种类，发挥全能值班员最
大潜能，在统一控制系统设备，便于维护管理等方面具有明显的优越性，但是对
于投产后的机组，在运行期间进行改造有一定的风险，并且需要较长周期才能干
完。但如果措施周密，计划得当，也应该是可以利用检修机会突击成功的；另一
方案就是建立外围系统集中控制点，控制点设在集控室（或其它地方），集控室
内可设单独的操作员站而与单元机组控制相对独立。这种方案的优点是风险小，
可以在机组运行期间施工和调试，只有很少的工作，如循环水泵控制的接入，需
要停机进行，缺点是需要增加一套控制系统。

      在应用技术选择方面，由于外围设备分散，不可把全部控制单元放在集控
室，那样需要敷设的电缆太多了。近年来现场总线的大量应用和它的实际可靠性，
给现在的外围设备改造提供了理论基础和现场应用的广泛平台。现场总线（FCS ）
对远方设备控制具有无可比拟的优越性，利用它可以将I/O 控制柜放在就地，而
把中央控制单元放在主厂房电子间内，从而可以大幅度减少对电缆的使用，进一
步提高系统的扩展性，促进系统的组态更加灵活、操作维护方便。缩小电子间，
大大减少集中控制设备。

      3 日照电厂外围设备控制系统改造

      日照电厂一期工程2*350MW 机组主厂房内的设备利用融资从国外购买，锅
炉由西班牙FOSTER-WHEELER供货，汽轮机、发电机和变压器由SIEMENS 供货，主
设备的控制系统采用了SIEMENS 的分散控制系统TELEPERM-XP ，主厂房内的凝水
精处理控制、吹灰控制系统、除灰控制系统采用西门子生产的S 系列PLC ，但是
外围设备的控制系统如：渣浆泵、燃油泵、循环水泵、工业水泵等还是就地控制，
采用的控制设备大部分是常规操作和显示仪表，故障率高、维护量大。致使机组
主值班人员每台机组5 人左右，而外围设备值班人员大约在15人左右。为此，日
照电厂对外围设备系统控制进行分析研究，提出了可能的改造方案，把原来未纳
入集控室控制的设备纳入集控运行，并增加外围设备电视监控功能，提高电厂自
动化水平，达到减人增效的目的。

      3.1 外围设备系统存在的问题

      日照电厂通过投产后两年的运行情况，发现外围控制系统设计不合理，控
制设备、技术落后的问题，已成为电厂安全稳定运行的重大隐患。主要问题如下
：

      3.1.1 循环水泵与循环水出口碟阀联锁控制不可靠，曾多次发生联启泵不
成功，但后来试验时又正常的情况，但在以后运行中又可能发生问题，由于没有
事件记录功能，很难找到问题的症结所在。

      3.1.2 旋转滤网由于水位差计选型不当、程序参数及逻辑设计不合适，致
使旋转滤网程控长时间不能运行；

      3.1.3 由于控制设备差，自动投不上，使许多的操作靠运行人员在现场监
视和手动；

      3.1.4 外围设备的控制没有事故追忆，使一些设备异常无法判断，并制定
相应的解决及预防措施；

      3.1.5 燃油泵房、循环水泵房、工业水泵房等系统比较分散，距离集控室
较远，给系统的运行、维护管理带来许多困难。

      3.1.6 输煤程控单独运行，无法根据运行的需要进行上煤和配煤。

      3.2 　外围设备系统控制改造的可行性和必要性

      3.2.1 控制方案设想

      DCS 系统在主厂房设备上的成功应用表明，利用网络技术和现代控制技术
是可以成功地实现外围系统集中监控的。我们的想法是建立一套独立于机组主DCS
的单独的外围设备集中控制系统，使用网络技术和现场总线技术，将服务器（上
位机）安装在集控室，用于对所有外围设备系统的监视和控制。新增外围系统的
中央处理单元（ CPU全部冗余配置）放在电子间的外围控制柜，分别将输入输出
I/O 控制柜放在就地，使用远程I/O 方式通过ProfiBus总线与CPU 通讯，再通过
光纤环网连接将CPU 与服务器（上位机）连在一起，这样就地的有关生产过程信
息上传至集控室的服务器供运行人员监视；反过来，运行人员又可通过该服务器
（上位机）下传来控制、干预每个外围系统的运行情况，从而实现对每个系统的
远方监控。这样既提高了设备在线管理的水平，又极大减轻了运行人员的劳动强
度。

      3.2.2 与老系统的互联通讯

      我厂除灰系统（包括石子煤、炉底渣、飞灰、电除尘）、凝结水精处理、
化学水处理、输煤系统等原设计就是采用可编程控制器（PLC ）的程序控制系统。
国际电工委员会（IEC ）颁布的PLC 标准中定义“可编程控制器及其有关设备，
都应按易于与工业控制系统联成一整体、易于扩充功能的原则设计”，因此新增
加的外围系统使用PLC 控制就可以与原PLC 系统互相通讯。这样原来的可编程控
制器程控系统为实现外围系统集中监控奠定了较好基础；而投产以来这些程控系
统运行稳定，也为外围系统集中监控提供了可靠保证。循环水泵房内的泵、碟阀
和旋转滤网原来的PLC 控制不可靠，这次就全部更新改造。只有渣浆泵、燃油泵、
工业水泵、网控设备使用传统的仪表监视和手动操作手段，原来都没有使用PLC
控制。因此，需要对网控、渣浆泵、燃油泵、工业水泵房等设备系统的控制进行
改造，实现PLC 控制。

      3.2.3 预期达到的目标

      通过集中监控改造，针对控制设备差、控制不可靠、程序设计不合理等系
统，选用先进可靠的控制装置，重新进行设计，增加事故追忆功能，就可以彻底
解决系统设计不合理、自动投不上、现场监视手段落后、无事故追忆等问题；并
且通过集中监控改造，将现场就地监控，集中到电厂中央控制室，方便了系统运
行维护管理，这样既提高了设备健康水平又提高了管理水平，也为企业进一步改
革、发展、创新打下一个良好的基础，因此是非常必要的。

      4.外围控制系统改造方案4.1 总体控制方案设计（见图1 和图2 ）

      改造的总体思路是改造后能够在集控室实现全厂设备监控，但不能敷设大
量长控制电缆，要利用现场总线技术和网络技术使现场控制设备和电子间的CPU
进行通讯。具体改造方案如下：

      4.1.1 根据各外围系统实际情况，选用PLC 的合适控制范围：渣浆泵房、
燃油泵房、工业水泵房、净水站、化学加药系统因各分系统小、I/O 点少所以共
用一套PLC （冗余）进行控制；

      4.1.2 网控设备、#1机组循环水泵、＃2 机组循环水泵房分别各用一套PLC
（冗余）控制；每个外围系统PLC CPU （冗余）放在电子间的外围控制柜，分别
在就地安装一个远程I/O 站使用远程I/O （ET200 ）方式通过ProfiBus双绞线电
缆与PLC CPU 通讯，再通过光纤环网连接与服务器通讯。

      4.1.3 输煤、化水、凝结水采用原设计的PLC 控制，通过光缆连接，与Switch
Hub （交换机）连接后与服务器通讯。

      4.1.4 除灰和吹灰系统采用原先的PLC ，只将PLC 挪至电子间的外围控制
柜，就地使用远程I/O 站。

      4.1.5 整个外围集中监控系统网络配备2 台服务器、5 台上位机、1 台Switch
Hub （交换机）、新增4 对CPU.

      4.1.6 服务器通过光纤环网将有关生产过程信息采集上来并进行处理、分
析和监视；5 台上位机再通过以太网从2 台服务器将有关生产过程信息采集上来
并进行处理、分析和监视；反过来，服务器又可控制、干预每个系统的运行情况，
上位机可通过服务器实现控制、干预每个系统的运行情况，从而整个外围集中监
控系统可实现对每个外围系统的远方监控。

      4.1.7 为满足以后循泵、工业水泵和燃油泵实现变频控制的要求，外围集
控系统应设计有预留接口；同时，海水制氯、新增的旋转滤网亦要求纳入外围监
控系统。

      4.2 硬件配置情况

      4.2.1 服务器采用DELL服务器，共2 台，CPU 采用PIII处理器，主频850HZ
，256M 内存，40G 硬盘，21英寸显示器。上位机采用西门子工控机，共5 台，CPU
采用PIII处理器，主频450HZ ，256M内存，10G 硬盘，21英寸显示器。配备两台
打印机（彩色A3喷墨和针式打印机各一台）。上位机操作系统采用WindowsNT WorkStation4.0
中文版。

      4.2.2 将网控、#1机组循环水泵、＃2 机组循环水泵房、其它公用系统
（渣浆泵房、燃油泵房、工业水泵房、净水站、化学加药系统）、#1和#2除灰控
制系统、#1和#2吹灰控制系统直接联接至光纤环网上，光纤环网路线：集控室—
—电子间——集控室。

      4.2.3 将化学水处理、凝结水控制系统、输煤系统直接连接至集控室交换
机（Switch hub），服务器及上位机通过3COM网卡连接至交换机（Switch hub）。
同时，交换机（Switch hub）也作为外围系统与MIS 系统的接口；

      4.2.4 化学水处理PLC 为GE的90-30 系列PLC ，输煤系统PLC 为MODICON
984 系列 PLC，其它系统PLC 为西门子PLC S5系列或S7系列。

      4.2.5 控制系统I/O 点设计留有一定余量，保证所有与生产有关的信息，
如设备管理和经济运行指标系统需要的数据，首先需采集到外围控制系统，再经
过统一的接口传输到MIS 网，提供给相关系统进行数据处理。

      4.2.6 为系统的安全考虑，所有I/O 柜电源均采用双路切换互为备用方式，
在各泵房A 、B 段400VAC母线上各取一路供电；内部24VDC 开关电源采用母线制，
两路24VDC 开关电源并行同时供电。

      4.3 软件设计原则

      应用程序开发包括两部分：上位机画面监控程序和PLC 应用程序。为使本
系统具有最大的兼容性，监控软件采用Intellution 公司的iFIX无限点软件（iFIX
软件系专业的工控软件，支持所有厂家PLC 产品）。软件设计遵循以下原则：

      4.3.1 应用程序应根据各系统设备运行工艺要求，确定所有外围系统的功
能需求方案，即应用程序要严格按照设备本身情况或设备运行实际需要进行开发。

      4.3.2 监控系统功能包括系统画面生成、事故追忆系统、各种曲线显示和
打印、各种报表自动生成等。

      4.3.3 监视画面要符合主设备控制系统（TELEPERM XP ）人机界面的设计
风格，按照分级浏览、逐级细化的原则设计画面，采用弹出式窗口、下拉式菜单
等多种广为流行的设计手段实现画面的切换和显示，单个画面的工艺流程、信息
显示（包括运行参数、状态、故障情况等）和各种曲线；且布局要合理、生动，
色调柔和。

      4.3.4 事故追忆系统应包括所有进入控制系统或系统输出的开关量和模拟
量（如运行参数、输出指令、状态反馈等）以及控制系统本身发生的事件（如卡
件或通讯故障等），所有I/O 点均可以曲线的形式显示，为实现系统运行在线分
析、诊断提供丰富的数据资源。

      5.结束语

      日照电厂外围控制系统集中监控改造已于2001年完成并投入运行，是首家
实现外围系统集中监控改造的电厂。各外围系统就地控制室撤消，由集控室对所
有外围系统生产全过程进行监视和控制，减少了外围系统运行人员，减轻了运行
人员劳动强度，实现了企业减人增效，提高了企业管理和自动化水平。实践证明，
日照电厂外围控制系统集中监控改造是成功的，为热控系统进一步改造，提高电
力生产自动化水平起到很好的典范作用。