文獻標識碼：B文章編號：1003-0492（2024）08-064-04中圖分類(lèi)號：TP273

★高松，熊銳（國家電投集團江西電力有限公司，江西南昌330096）

★胡振中，余修斌，陳歡（國家電投集團江西電力有限公司景德鎮發(fā)電廠(chǎng)，江西景德鎮333036）

★裴浩然，邱寅祺（上海明華電力科技有限公司，上海200090）

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電；DCS系統；國產(chǎn)化改造；組態(tài)設計

為響應《“十四五”智能制造發(fā)展規劃》《“十四五”發(fā)展規劃》《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng )新規劃》等文件關(guān)于在關(guān)系國家安全的領(lǐng)域和節點(diǎn)構建自主可控、安全可靠的國內生產(chǎn)供應體系的重要論述，國內DCS企業(yè)一直致力于解決當前工控設備進(jìn)口部件“卡脖子”和工控系統未全面實(shí)現自主可控等問(wèn)題，也一直在進(jìn)行DCS自主可控方面的研究與應用實(shí)踐。

在此背景下，本文以某660MW超臨界發(fā)電機組DCS自主可控改造項目為例，從DCS系統性能分析、組態(tài)設計、現場(chǎng)調試三個(gè)方面，介紹了DCS自主可控改造的實(shí)施過(guò)程，并總結了本次改造的技術(shù)要點(diǎn)，為其他機組改造提供了參考。

1　新老DCS系統性能對比

1號機組原DCS系統為北京日立HIACS-5000M控制系統，基本控制器為R600系列控制器^[1]。受制于其運行時(shí)間過(guò)長(cháng)，系統設備已進(jìn)入故障易發(fā)期和高發(fā)期，現有的備品備件數量難以維持機組DCS維護需求，同時(shí)相關(guān)功能已無(wú)法滿(mǎn)足現階段電廠(chǎng)對DCS的新需求。為積極響應國家號召，推進(jìn)火電機組DCS自主可控應用工作，現DCS系統采用國核NuCon控制系統。該控制系統基于銀河麒麟操作系統開(kāi)發(fā)，CPU采用龍芯芯片，其嵌入式系統采用ReWorks實(shí)時(shí)處理系統^[2]。表1詳細羅列了新老系統性能對比。

表1 新老系統性能對比

通過(guò)兩種系統對比可看出，國產(chǎn)化系統性能優(yōu)良、界面友好、組態(tài)修改方便，具有高可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性。由于軟硬件的100%國產(chǎn)化，后期維護更便利。在價(jià)格方面，國產(chǎn)化系統打破了進(jìn)口DCS對市場(chǎng)的壟斷局面，降低了投資成本。

2　組態(tài)設計

2.1　網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

單元機組和公用系統配置獨立網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)冗余的網(wǎng)關(guān)站實(shí)現，公用網(wǎng)絡(luò )不單獨設置工程師站、歷史站和接口站，網(wǎng)關(guān)站兼做公用系統工程師站，公用系統的全部監控數據由網(wǎng)關(guān)站送給單元機組的歷史站和接口站進(jìn)行統一存儲和對外發(fā)布^[3]。

控制系統平臺硬件主要包括：工程師站、操作員站、歷史服務(wù)器、時(shí)鐘服務(wù)器、控制器、控制網(wǎng)絡(luò )及設備、系統網(wǎng)絡(luò )及設備、電源轉換設備等輔助設備。

控制系統網(wǎng)絡(luò )主體由實(shí)時(shí)監控網(wǎng)、控制網(wǎng)及信息網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò )組成，均采用全冗余設計，能夠實(shí)現控制器無(wú)擾切換，避免了控制器故障切換時(shí)數據中斷的現象^[4]。系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖如圖1所示。

圖1 系統網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖

2.2　I/O分配

不同于新建機組，涉及DCS改造的機組，在I/O設計分配上存在以下3個(gè)難點(diǎn)：

（1）利舊原則。即除參與機組主保護或重要輔機保護的信號因涉及以下技術(shù)變更情況而造成電纜長(cháng)度不夠需重新敷設外，其他到現場(chǎng)的信號電纜原則上最大程度采用利舊方式。

·冗余信號需分配到不同模件。

·對照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點(diǎn)要求》及熱工技術(shù)監督要求需增加相關(guān)冗余測點(diǎn)及柜間電纜。

（2）不同DCS系統間需增加柜間電纜。

（3）原I/O清單未及時(shí)更新，機組歷次異動(dòng)后實(shí)際組態(tài)與I/O清單差異大。

為解決上述難點(diǎn)，在I/O設計分配時(shí)需注重以下幾點(diǎn)：

（1）利用原DCS機柜位置安裝新機柜，合理確定機柜的尺寸和數量，科學(xué)選用緊湊型機柜。

（2）梳理原系統各機柜信號通道配置、柜內模塊配置、電纜進(jìn)線(xiàn)方向、供電方式等思路，分析對比新老系統模件硬件配置，編制新系統卡件布置圖。

（3）對電纜清冊與現場(chǎng)電纜進(jìn)行核實(shí)，確保I/O信號準確。對于老化、破損的電纜進(jìn)行全部更換；對于在歷次技改中取消或變動(dòng)而電纜未移除的信號，可作為備用通道使用。

（4）為了充分利用原有電纜，需要在設計階段估算每個(gè)信號電纜長(cháng)度是否夠長(cháng)，盡量將信號布置在原有位置附近，如需移動(dòng)盡量向著(zhù)電纜進(jìn)入方向往下移動(dòng)。

（5）對部分較短的電纜如不是保護聯(lián)鎖信號或重要調節信號可以采用端子柜集中轉接或柜內轉接端子形式，同時(shí)需要做到屏蔽電纜全程接地，防止信號干擾。

（6）梳理組態(tài)過(guò)程中發(fā)現的I/O信號不一致清單，經(jīng)與廠(chǎng)內人員討論后，統一修改。

2.3　邏輯設計

邏輯組態(tài)設計需遵循原有DCS的組態(tài)內容，在實(shí)現原有控制功能的同時(shí)，盡可能優(yōu)化提升控制性能。因此，在實(shí)施過(guò)程中需重點(diǎn)執行以下工作：

（1）根據當前邏輯內容，編寫(xiě)控制邏輯設計說(shuō)明。

（2）列舉原DCS功能塊與邏輯宏，分析新老DCS間的差異，編制功能塊對照表。

（3）系統中間點(diǎn)的命名需與原系統中一致，有利于和畫(huà)面組態(tài)連接。

（4）對于差異較大無(wú)法直接替代的功能塊，通過(guò)使用多種功能塊組合或搭建邏輯宏等方式實(shí)現原功能，并進(jìn)行功能測試。

（5）以滿(mǎn)足《二十五項反措》要求為原則，以提升邏輯可靠性為目標，針對重要輔機設備、模擬量回路、聯(lián)鎖保護等邏輯進(jìn)行梳理總結，提出必要的優(yōu)化建議，并召開(kāi)設計聯(lián)絡(luò )會(huì )分專(zhuān)業(yè)討論。

2.4　畫(huà)面組態(tài)設計

改造機組的畫(huà)面組態(tài)宜與原系統的風(fēng)格、布局保持一致，針對不足之處進(jìn)行優(yōu)化設計。關(guān)鍵實(shí)施手段如下：

（1）理清原畫(huà)面組態(tài)流程圖、彈出面板、幫助畫(huà)面、光字牌等界面風(fēng)格，編制新畫(huà)面設計原則。

（2）分析并羅列原畫(huà)面中各類(lèi)設備的不同狀態(tài)顯示，在新DCS系統中進(jìn)行功能復現。

（3）對于新開(kāi)發(fā)的畫(huà)面宏，搭建邏輯組態(tài)，進(jìn)行功能測試。

（4）操作面板設計時(shí)，操作按鈕的位置布局及確認方式與原系統保持一致，防止運行人員在緊急情況下因畫(huà)面不一致而誤操作。

（5）以防止運行人員誤操作為目的，與運行人員討論并形成優(yōu)化清單，對原畫(huà)面設計進(jìn)行逐一修改。

2.5　網(wǎng)絡(luò )安全防護

DCS網(wǎng)絡(luò )安全系統主要由邊界防護、工業(yè)入侵檢測、日志審計、終端安全衛士、網(wǎng)絡(luò )安全平臺、工控網(wǎng)絡(luò )審計等組成[5]。

（1）邊界防護：在安全I區邊界處部署工業(yè)防火墻，進(jìn)行工控協(xié)議數據過(guò)濾，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )邊界防護。

（2）工業(yè)入侵檢測：部署入侵檢測裝置用于對網(wǎng)絡(luò )行為和流量?jì)热葸M(jìn)行檢測，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )安全監測。

（3）日志與網(wǎng)絡(luò )審計：部署審計系統，對工控設備及網(wǎng)絡(luò )等行為進(jìn)行審計，及時(shí)對安全事件進(jìn)行追溯或干預。

（4）終端安全衛士：部署終端安全衛士和USB防御系統，實(shí)現主機安全加固、惡意代碼防御和USB管控，構造計算環(huán)境安全防護堡壘。

（5）網(wǎng)絡(luò )安全平臺：部署統一安全監管平臺，集中監管安全設備，形成監管一體化的安全預警平臺。

3　調試

就調試而言，DCS改造的機組與新建機組存在很大差異，較為突出表現在時(shí)間周期緊、進(jìn)度計劃難控、現場(chǎng)調試環(huán)境較亂、圖紙資料不全或未及時(shí)更新等方面。因此，在整個(gè)調試周期內，必須對各個(gè)調試環(huán)節加以精準把控，并在保證進(jìn)度的同時(shí)，提高調試質(zhì)量。

3.1　調試前準備

（1）為把控調試整體進(jìn)度，根據檢修時(shí)間倒排，形成三級網(wǎng)絡(luò )調試計劃。

（2）明確調試組織機構及職責分工、關(guān)鍵節點(diǎn)人員負責安排，確保各項調試任務(wù)有序開(kāi)展。

（3）編制調試大綱與各項調試方案，完善調試階段風(fēng)險辨識和預控措施。

（4）結合I/O清冊圖紙、保護定值清單、邏輯控制說(shuō)明等資料，梳理各類(lèi)調試表單文件。

3.2　單體調試

對于改造機組，單體調試在進(jìn)度把控、人員安排、缺陷管理等方面較為棘手。因此在實(shí)施過(guò)程中，需把握以下幾點(diǎn)：

（1）結合檢修計劃，制訂合理完善的每日調試計劃，明確調試任務(wù)，細化每日調試工作，職責分工，責任到人。

（2）將調試人員按鍋爐、汽機、電氣專(zhuān)業(yè)劃分，并與電廠(chǎng)生產(chǎn)、運行、檢修各專(zhuān)業(yè)合理對接，確保各項調試工作的有序執行。

（3）確保I/O與設備傳動(dòng)的全方位100%覆蓋，發(fā)現現場(chǎng)信號與實(shí)際組態(tài)不同時(shí)，以最新設計圖紙為依據及時(shí)修改組態(tài)。

（4）優(yōu)化調試工作流程，結合現場(chǎng)檢修施工情況，與電廠(chǎng)共同協(xié)商，形成“大票換小票”、“每日待調試清單”等文件清單。

（5）建立缺陷管理清單文件，及時(shí)更新記錄在調試過(guò)程中發(fā)現的問(wèn)題，并做到“當日發(fā)現、當日整改、當日關(guān)閉”。

3.3　分系統調試

與新建機組不同，因改造機組不存在整體試運行的階段，因此在分系統調試環(huán)節中，除了對設備聯(lián)鎖、保護及必要的順控功能進(jìn)行校驗外，還需進(jìn)行部分MCS系統的冷態(tài)調試、MFT及大聯(lián)鎖試驗、跨系統間通訊測試等工作。在實(shí)施過(guò)程中，為保證調試質(zhì)量，需著(zhù)重注意以下加點(diǎn)：

（1）以“發(fā)現問(wèn)題、解決問(wèn)題”為目的，組織各專(zhuān)業(yè)評審邏輯功能說(shuō)明，并結合二十五項反措等標準內容及現場(chǎng)設備實(shí)際情況，查找原邏輯的設計缺陷，優(yōu)化控制邏輯，提高邏輯可靠性。

（2）在進(jìn)行主保護及機爐電大聯(lián)鎖功能校驗時(shí)，應采用帶工質(zhì)方式實(shí)測，精確模擬實(shí)際運行環(huán)境，確保試驗準確性。

（3）在機組啟動(dòng)前，對于部分機爐側模擬量控制回路進(jìn)行必要的定值擾動(dòng)試驗，驗證參數設置的準確性。

（4）對于主要接口信號，應進(jìn)行必要的通訊測試，包括跨系統間的信號及DCS外掛系統，驗證信號連接及通訊傳輸的可靠性。

3.4　啟動(dòng)、并網(wǎng)與優(yōu)化調試

就改造機組而言，機組并網(wǎng)即進(jìn)入商運，任何因控制系統、邏輯功能或設備故障等原因造成的機組跳閘，都將記錄為“非?！?。這對于剛進(jìn)行DCS改造，尤其是原自動(dòng)調節長(cháng)期依賴(lài)外掛系統的機組來(lái)說(shuō)，該階段的壓力不言而喻。因此，在實(shí)施過(guò)程中，應關(guān)注以下幾點(diǎn)工作：

（1）啟動(dòng)前，盡可能進(jìn)行仿真測試，模擬各類(lèi)運行工況，驗證各調節回路功能的準確性。類(lèi)似RB等重要功能，應進(jìn)行必要的靜態(tài)功能測試及動(dòng)態(tài)仿真模擬，驗證機組在事故工況下的應急響應能力。

（2）熱態(tài)工況下，進(jìn)行機、爐側自動(dòng)調節回路擾動(dòng)試驗，驗證控制參數的正確性。

（3）積極與當地電網(wǎng)公司溝通，申請必要的試驗工況，進(jìn)行變負荷等試驗，在驗證協(xié)調控制功能的同時(shí)，優(yōu)化調節參數，提升機組調節性能。

4　改造效果

（1）系統上線(xiàn)后，通過(guò)第三方全面測試，驗證了軟、硬件性能均滿(mǎn)足相關(guān)技術(shù)標準要求，部分性能指標如測量精度、抗干擾能力等優(yōu)于原DCS系統。此外，通過(guò)邏輯組態(tài)優(yōu)化，進(jìn)一步提升了邏輯可靠性。

（2）通過(guò)調試，機組實(shí)現鍋爐點(diǎn)火、汽輪機沖轉及發(fā)電機并網(wǎng)一次性成功，機組啟動(dòng)后運行安全穩定。另外，通過(guò)協(xié)調控制功能優(yōu)化，機組自動(dòng)調節性能提高，汽溫、過(guò)熱度等調節品質(zhì)得到大幅提升。

5　結束語(yǔ)

本文詳細介紹了DCS自主可控改造在大型火電廠(chǎng)的應用案例，并通過(guò)對新老系統性能對比、組態(tài)設計，以及調試總結，驗證了國產(chǎn)化DCS系統的實(shí)用性，打破了進(jìn)口DCS系統的壟斷局面，為100%自主可控DCS系統在中國電力行業(yè)中的完全更迭奠定了堅實(shí)的基礎，提升了我國工業(yè)領(lǐng)域DCS控制系統的技術(shù)水平，對保障國家工業(yè)安全具有重要意義。

作者簡(jiǎn)介：

高　松（1970-），男，江蘇常州人，高級工程師，學(xué)士，現就職于國家電投集團江西電力有限公司，主要從事火電板塊安全生產(chǎn)管理工作。

裴浩然（1994-），男，江蘇宿遷人，助理工程師，碩士，現就職于上海明華電力科技有限公司，主要從事電廠(chǎng)自動(dòng)控制及優(yōu)化技術(shù)研究工作。（本文通訊作者）

參考文獻：

[1]池潔.日立HIACS-5000M系統在火力發(fā)電廠(chǎng)的應用[D].北京:華北電力大學(xué),2018.

[2]陳瑋彤,黃天一,丁呂繁,等.自主可控環(huán)境下的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[J].現代計算機,2022,28(7):108-112.

[3]吳慶康.基于DCS的熱電廠(chǎng)煙氣凈化系統研究與應用[D].徐州:中國礦業(yè)大學(xué),2021.

[4]何凱彥,李維波,許智豪,等.基于雙CPU的雙以太網(wǎng)與雙RS-422交互通信技術(shù)[J].中國艦船研究,2020,15(3):177-184.

[5]吳政.電廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )安全風(fēng)險評估與防護策略分析[J].集成電路應用,2023,40(12):68-69.

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年8月刊