摘  要：以秸稈和林業(yè)廢棄物為主要原料的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，是充分利用可再生資源，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的一種重要嘗試。本文介紹貝加萊APROL DCS在黑山生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)中的應用。作者概述了生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的工藝流程和系統需求，給出了基于A(yíng)PROL DCS的系統拓撲架構和配置，著(zhù)重描述了該系統的各主要控制單元及其功能以及APROL DCS的冗余結構。該項目的設計和成功實(shí)施充分體現了B&R APROL系統對于復雜工藝過(guò)程的整體控制和適應能力。

　　關(guān)鍵詞：APROL DCS；生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)；系統架構與配置；系統功能；控制單元

　　中圖分類(lèi)號：TP29      文獻標識碼：B       文章編號：

　　Abstract: By taking straw and forestry wastes as the main  raw material, Biomass Power Generation Technology is an important try to make full use of renewable resources and vigorously develop a recycling economy. This paper introduces the application of B&R APROL DCS in Heishan Biomass Power Plant. The author summarizes the technological processes and the system requirements of the Biomass Power Plant, gives the APROL DCS based topological architecture and configuration of the system with emphasis on the description of each main control units and their functions of the system and also the redundant structure of APROL DCS. The design and successful implementation of this project obviously show that B&R APROL system has the integral control and adaptive capacities for the sophisticated technological process.

　　Keywords: APROL DCS; Biomass Power Generation Technology; Architecture and Configuration of System; System Functions; Control Units


　　0 前言

　　秸稈是一種可再生能源，每年，大量的秸稈在田間被燒掉不僅僅是能源的耗費，而且是對環(huán)境的污染，同時(shí)也給高速公路和機場(chǎng)航空造成了一定影響，并且焚燒秸稈還容易引發(fā)火災。2004年開(kāi)始，國能生物質(zhì)能發(fā)電有限公司擔負起國家關(guān)于以秸稈、林業(yè)廢棄物為原料的生物質(zhì)發(fā)電項目的重任。發(fā)展農作物秸稈直燃發(fā)電，不僅節能、環(huán)保、而且效益顯著(zhù)。有專(zhuān)家指出，可供直燃發(fā)電的2億噸秸稈折合標準煤1億噸。以秸稈代替煤炭作為發(fā)電新能源，是我國生物質(zhì)能發(fā)電領(lǐng)域的重要突破，是利用可再生資源、大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要嘗試，有利于經(jīng)濟增長(cháng)方式的轉變和農村經(jīng)濟的發(fā)展。

　　通過(guò)生物質(zhì)發(fā)電項目的逐步實(shí)施，使得焚燒得到控制，在獲得電能的同時(shí)，環(huán)境污染、有害氣體排放方面也得到了有效的控制，其廢料-灰渣可以作為高效復合肥返回農田，在將能量轉化為電能后，其生物體依然可以作為生物廢料返回農田，真可謂一舉多得。

　　1  工藝流程與系統需求

　　1.1生物質(zhì)電廠(chǎng)的工藝流程

　　黑山生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)項目中配置了一臺12MW的凝汽式汽輪發(fā)電機組和一臺48噸高溫高壓蒸汽鍋爐作為核心工藝段，同時(shí)包括上料、爐前料倉、化水、電氣等輔助工段。該系統涉及到DCS的I/O點(diǎn)數約2600點(diǎn)，其中模擬量699點(diǎn)。具體的工藝流程如圖1所示。

圖1  生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的工藝流程

　　1.2控制系統的需求

　　在系統的前期論證過(guò)程中，黑山生物電廠(chǎng)和系統集成方——中國電科院以及貝加萊（中國）的工程師們進(jìn)行了深入的探討和技術(shù)交流，并對系統需求進(jìn)行了確認。簡(jiǎn)述如下：

　?。?） 該系統需要提供針對數據服務(wù)器、DPU、現場(chǎng)總線(xiàn)和I/O總線(xiàn)的冗余；

　?。?） 汽輪機、鍋爐主控，可自定義功能設計；

　?。?） 設置GPS校時(shí)和SOE事件順序記錄；

　?。?） 滿(mǎn)足標準要求的審計追蹤功能設計；

　?。?） 具備與第三方設備通訊的能力；

　?。?） 具備系統自診斷功能，包括服務(wù)器、CPU和I/O的自診斷能力。

　　對于上述復雜而嚴格的要求，B&R APROL DCS系統憑借其良好的性能和快速的功能響應，提供了整個(gè)電廠(chǎng)主控、輔控一體化的控制方案，并得到實(shí)施。

　　2  系統解決方案

　　APROL DCS作為搭建該系統的軟硬件平臺，滿(mǎn)足了復雜控制工藝和功能的要求。針對具體的系統需求構建了優(yōu)化的冗余控制設計方案，取得了良好的控制效果和穩定性。

　　2.1系統拓撲架構與配置

　　2.1.1系統總體架構與配置

　　對于連續生產(chǎn)過(guò)程，DCS系統必須保證數據的連續性和過(guò)程記錄的可追溯性，這就對系統的冗余提出了要求，而B(niǎo)&R的APROL DCS系統很好地滿(mǎn)足了這些嚴格的要求，提供了以下能滿(mǎn)足電廠(chǎng)需求的配套冗余方案。該系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構圖如圖2所示。

　　該系統包括2臺操作員站、1對冗余數據服務(wù)器（同時(shí)兼作操作員站）、1臺工程師站、1臺值長(cháng)站、5對冗余DPU站，采用了過(guò)程數據服務(wù)器冗余、控制總線(xiàn)和I/O總線(xiàn)冗余的網(wǎng)絡(luò )架構，提供了穩定可靠，符合電廠(chǎng)生產(chǎn)要求的數據采集監控和現場(chǎng)級控制工藝設計。

　　該系統配置了HP370高性能數據服務(wù)器，雙SCSI硬盤(pán)，支持RADI1數據冗余和帶電熱插拔，高效地存儲全部實(shí)時(shí)和歷史數據；在中央控制室內的操作員站采用HP7600高性能PC，提供了針對汽輪機和鍋爐主控及輔控單元的操作應用。

　　2.1.2冗余配置的網(wǎng)絡(luò )架構

　　操作網(wǎng)絡(luò )（操作員站、冗余數據服務(wù)器和工程師站服務(wù)器之間）、過(guò)程網(wǎng)絡(luò )（DPU和冗余運行服務(wù)器以及工程師站服務(wù)器之間）、I/O總線(xiàn)（DPU和I/O站之間）均采用雙100M以太網(wǎng)， DPU冗余對之間的同步總線(xiàn)和I/O總線(xiàn)共用；操作網(wǎng)絡(luò )，過(guò)程網(wǎng)絡(luò )和I /O總線(xiàn)都配置成冗余結構。

　　過(guò)程網(wǎng)絡(luò )冗余保證了最關(guān)鍵的DPU到現場(chǎng)控制設備的數據連續性；所有I/O站通過(guò)冗余雙以太網(wǎng)總線(xiàn)將數據快速實(shí)時(shí)地保存到冗余DPU中，對于危險和影響安全操作的參數而言，是至關(guān)重要的。

　　2.1.3 冗余配置的DPU控制器

　　對于需要連續性生產(chǎn)的大型電廠(chǎng)而言，DPU的冗余是必不可少的，一旦某個(gè)工作的冗余站主站發(fā)生故障，系統能自動(dòng)地以無(wú)擾動(dòng)方式，快速切換至與其互為冗余的從站，并在操作員站報警。當發(fā)生故障的處理器修復后，系統將自動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)拷貝并使其處于冗余運行方式。

　　該系統實(shí)際共配置了5對冗余DPU站：其中鍋爐配置一對冗余DPU，下面掛接3個(gè)I/O站；FSSS部分配置一對冗余DPU，掛接4個(gè)I/O站；汽機部分配置一對冗余DPU，掛接7個(gè)I/O站；電氣配置一對冗余DPU，掛接2個(gè)I/O站；化水配置一對冗余DPU，掛接2個(gè)I/O站。所有的DPU均選用高性能的2005系列CP382，該模塊的任務(wù)周期可以達到200us，配置3塊3IF781.9，擴展 成4個(gè)以太網(wǎng)口，采集所有的過(guò)程信息。智能I/O站CPU選用2005系列的CP360，配置1塊3IF781.9，擴展成2個(gè)以太網(wǎng)口，以1ms的高速掃描周期處理SOE變量。.

　　2.1.4過(guò)程數據服務(wù)器冗余

　　在A(yíng)PROL系統中對于實(shí)時(shí)數據、報警記錄、事件記錄等提供了數據庫冗余方案，以確保在故障時(shí)能夠對于相關(guān)實(shí)時(shí)參數快速保存，并為工藝追溯和改善提供數據分析基礎，便于系統分析師對系統進(jìn)行調整和改善。

圖2  系統的網(wǎng)絡(luò )拓撲架構

　　2.1.5 系統I/O點(diǎn)配置

　　該系統的I/O點(diǎn)配置如表1。

表1  系統I/O點(diǎn)配置

　　2.2控制單元及其功能

　　生物質(zhì)能電廠(chǎng)與常規火力發(fā)電廠(chǎng)最大的不同是燃料的不同，尤其是生物質(zhì)燃料的水分含量較高且不穩定，其熱值不固定，進(jìn)而導致了燃料處理、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機、發(fā)電機、電氣和輔助車(chē)間等系統的控制方式與相同規模的常規電廠(chǎng)并沒(méi)有太大的不同。機組控制采用機跟爐的調節方式，鍋爐調負荷，汽機隨鍋爐負荷的變化而保持進(jìn)汽的壓力基本保持不變。

　　機爐協(xié)調控制機制是貝加萊應用APROL DCS為該生物質(zhì)電廠(chǎng)項目制訂的控制策略，具有閉環(huán)調節主蒸汽壓力和機組功率控制功能，機組負荷指令被送到汽輪機主控回路作為前饋信號，從而使系統獲得蒸汽壓力和主機功率快速達到目標值的調節能力。該生物電廠(chǎng)DCS系統由鍋爐、汽機主控系統以及電氣和化水輔控系統的各子系統構成。

　　2.2.1鍋爐主控單元

　　鍋爐主控包含以下單元：

　　FSSS（爐膛安全監控）實(shí)現了主燃料跳閘(MFT)、點(diǎn)火前及停爐后吹掃控制以及火焰檢測等功能，有效的確保鍋爐爐膛的安全運行。

　　BPS（旁路控制功能）實(shí)現了再熱器保護、維持機前壓力、限制鍋爐升壓速率、高旁閥出口溫度控制等；

　　MSC（模擬量控制）包含了機爐協(xié)調機制、燃料量、爐膛負壓、汽包水位、主汽壓力等的自動(dòng)調節能力。

　　SCS（輔助設備順序控制單元）實(shí)現了送風(fēng)、引風(fēng)自動(dòng)啟停及連鎖保護。

　　上面的子系統分別由兩對冗余DPU站控制，原則上根據實(shí)際的占多數I/O處于哪一個(gè)冗余站，該系統就分屬此冗余站；但是實(shí)際實(shí)施過(guò)程中，由于設計院設計點(diǎn)數的時(shí)候并不會(huì )按系統功能?chē)栏駝澐諭/O點(diǎn)，以及不同的系統之間存在邏輯上的互用，項目中通過(guò)定義全局交叉變量的方法，來(lái)實(shí)現不同DPU之間的數據交換。

　　鍋爐控制系統中關(guān)鍵環(huán)節是汽包水位控制，正常情況下系統汽包水位始終應在0位，用戶(hù)要求控制精度在±5mm。汽包液位采用三沖量控制，這樣可以使系統達到很高的精度，它將汽包的液位作為主回路，把鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量乘以相應的系數和主回路的輸出作副回路的設定值， 給水流量作水位調節的副回路，構成三沖量調節。采用自定義開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用PID模塊可容易地實(shí)現上述控制功能，而且控制精度完全能滿(mǎn)足用戶(hù)系統的要求。汽包的水位在將調節器參數整定合適的基礎上可以穩定在±3mm范圍之內。

　　在項目實(shí)施中，由于其中一個(gè)冗余DPU站運行的PID數量多達三十幾個(gè)，使得冗余控制器的同步數據量劇增，導致冗余切換時(shí)間過(guò)長(cháng)，PID調節參數在切換過(guò)程不平穩，后來(lái)通過(guò)優(yōu)化同步數據以及指定部分功能塊運行于服務(wù)器中的方法，保證了同步的可靠性和切換的平穩性。

 
圖3  鍋爐系統主畫(huà)面

　　2.2.2汽機控制單元

　　汽機主控包含以下單元：

　　DEH（汽機數字電液控制）單元，通過(guò)升速控制、超速限制與超速保護、主汽壓力控制、單多閥、自動(dòng)同期控制等多個(gè)功能塊提供了針對汽輪機的轉速和負荷控制，確保機組安全高效運行。采用和利時(shí)公司的DEH系統，該系統提供必要的采集量通過(guò)硬接線(xiàn)方式接入到DCS系統。    

　　ETS（汽輪機危急遮斷保護系統），當有危急及汽輪機安全運行的狀態(tài)和參數出現時(shí)，迅速關(guān)閉汽輪機進(jìn)氣閥門(mén)，及時(shí)切斷汽輪機所有進(jìn)氣的保護系統。采用江蘇眾陰公司的ETS系統，該系統提供必要的采集量通過(guò)硬接線(xiàn)方式接入到DCS系統。

　　TSI（汽輪機安全監視系統），能連續地檢測汽輪機的各種重要參數，幫助運行人員判明機器故障，使機器能在不正常工作引起的嚴重損害前遮斷汽輪機發(fā)電機組，保護機組安全。另外，TSI監測信息提供了平衡和在線(xiàn)診斷數據，維護人員可通過(guò)診斷數據的幫助，分離可能的機器故障，減少維修時(shí)間。TSI還能幫助提出機器預測維修方案，預測維修信息能推測出旋轉機械的維修需要，使機器維修更有計劃性，其結果是減少了維修費用，提高了汽輪機組的可用率。采用本特利公司的TSI系統，該系統提供必要的采集量通過(guò)硬接線(xiàn)方式接入到DCS系統。

　　MSC（模擬量控制）包含了機爐協(xié)調機制、除氧水位、減溫減壓溫度閥和壓力閥等的自動(dòng)調節能力。
SCS（輔助設備順序控制單元）實(shí)現了凝結水泵、循環(huán)水泵、射水泵、調速油泵、潤滑泵、高加、低加進(jìn)汽閥等一系列輔助設備的順序啟停。

　　汽機控制主要涉及到給水泵和射水泵的雙泵切換以及自動(dòng)起雙泵，為此特地根據具體的工藝要求設計了一個(gè)雙泵切換的超級宏來(lái)控制雙泵切換。

 
圖4  汽機系統主畫(huà)面

　　2.2.3 輔控系統

　　電氣輔控主要是采集一些刀閘開(kāi)關(guān)的分合狀態(tài)，增磁、減磁以及發(fā)送同期指令等。

　　化水輔控主要是采集一些泵和閥的狀態(tài)，細沙過(guò)濾器的順控、細沙過(guò)濾器沖洗順控和混床再生順控等。

圖5  化學(xué)水控制系統畫(huà)面

 　　APROL DCS集成了以上各部分的控制，實(shí)現了整個(gè)電廠(chǎng)主控、輔控一體化的控制方案。

　　2.3 系統的其它功能

　　2.3.1 SOE事件順序記錄

　　該項目中對于發(fā)電機出口開(kāi)關(guān)事件，真空低壓、ETS故障、主汽門(mén)關(guān)閉、軸向位移大停車(chē)、MFT保護停機、AST磁力斷路油門(mén)等關(guān)鍵點(diǎn)提出了SOE日志記錄的要求，涉及到總計57個(gè)SOE數據點(diǎn)的數據高速采集，現場(chǎng)配置的B&R DI476模塊可以達到500uS的數據掃描能力，實(shí)現了SOE站內分辨率小于1mS，站間分辨率小于2mS的特殊性能要求。

　　2.3.2  GPS校時(shí)

　　SOE（事件順序記錄）提供了在系統故障如：跳閘、安全報警等狀態(tài)下提供實(shí)時(shí)數據記錄，為故障分析提供非常重要的數據分析基礎，而GPS校時(shí)則是配合SOE及其它報警功能所必須的。

　　通過(guò)為第三方中瑞科技的GPS自動(dòng)校時(shí)設備CP220 E模塊提供驅動(dòng)程序，將GPS信號接入到其中一臺數據服務(wù)器。操作站、工程師站，現場(chǎng)DPU單元通過(guò)XNTP網(wǎng)絡(luò )與該服務(wù)器對時(shí)，實(shí)現時(shí)間標簽功能。

　　2.3.3 與第三方系統之間的數據通訊

　　對于大型系統應用而言，開(kāi)放性是絕對不可缺少的能力，APROL DCS提供了靈活便捷的與第三方系統實(shí)現數據通訊的能力。

　　系統內嵌了INA Connection、FMS Connection、HPC Connection、OPC Connection、3946R、Modbus Plus Driver、Simatic S5/S7 Connection、TI Driver、Profibus- DP master/slaver、Modbus RTU/ASCII等眾多驅動(dòng)程序。

　　(1) 與除塵系統通訊

　　在該項目中除塵系統采用了SIEMENS S7-300 PLC作為控制單元，APROL子模塊提供了Profibus- DP通信接口，以B&R 現場(chǎng)控制單元為DP Master，S7-300 PLC站為DP Slave的方式實(shí)現了數據交換鏈接。

 
圖6 與除塵系統S7-300 PLC通過(guò)Profibus- DP的數據通訊設置

　　(2) 與輔助上料系統通訊

　　通過(guò)Modbus總線(xiàn)與上料系統的第三方破碎設備實(shí)現通訊，APROL內控制其為Modbus Master站，第三方設備為Modbus Slave站，通過(guò)RS485總線(xiàn)連接，實(shí)現對輔助上料系統的控制連接。

　　2.3.4 系統的自診斷能力

　　對于一個(gè)高效而成熟的系統而言，系統應具備極強的自診斷能力。APROL DCS系統就提供了豐富的自診斷功能，不但增強了系統的易維護性，同時(shí)也減少了維護人員工作量。

　　(1) 冗余服務(wù)器狀態(tài)和性能監測

　　通過(guò)APROL系統內置的功能調用，可以對冗余數據服務(wù)器的狀態(tài)，如CPU負荷、資源利用狀態(tài)，報警等進(jìn)行自行記錄，并通過(guò)聲光報警方式提供給操作員站，以便及時(shí)對系統進(jìn)行調整和相應的操作。

　　(2) CPU狀態(tài)和I/O模塊自檢

　　對于關(guān)鍵點(diǎn)的CPU和I/O模塊而言，自檢能力非常必要，它使得用戶(hù)可以在線(xiàn)把握系統的故障點(diǎn)，并及時(shí)作出調整的響應。

　　2.3.5 審計與追蹤功能設計

　　為了有助于用戶(hù)發(fā)現干擾系統的故障并且能夠實(shí)時(shí)跟蹤操作員動(dòng)作，APROL提供了審計追蹤功能模塊；

　　(1) “Audit Trail”功能

　　APROL提供“AuditTrail”, 它能將 “4W” (who, where, when, what)信息完整無(wú)誤地保存起來(lái)，提供事后的系統干擾來(lái)源數據分析基礎。

　　(2) APROL 完全滿(mǎn)足 “FDA 21CFR Part 11”標準

　　FDA 21 CFR是一項旨在確保電子數據有效性和可靠性的標準，遵照此標準而保留的數據方可作為通過(guò)檢驗或者今后追溯的有效數據來(lái)源，APROL滿(mǎn)足此標準的設計使有效數據得到很好的保存。

　　APROL的標準設計滿(mǎn)足能力使得過(guò)程監控在一種通用標準下得到實(shí)現。

　　3  結束語(yǔ)

　　APROL DCS系統提供了高度的數據透明性和可追溯性設計，具有能適應靈活的現場(chǎng)硬件架構和軟件組態(tài)變化的能力，它豐富的圖形界面、靈活的配置參數、工藝功能塊超級宏設計、審計和追蹤功能、報警與趨勢分析以及系統自診斷功能，使得其在生物質(zhì)發(fā)電廠(chǎng)的應用中完全滿(mǎn)足了苛刻的技術(shù)要求。

　　該項目的成功實(shí)施，充分體現了B&R APROL系統對于復雜系統的整體控制和適應能力，一期項目已在2008年11月完成， 2008年12月該機組投入實(shí)際商業(yè)運行，預計年發(fā)電量可達77GW，可利用秸稈10萬(wàn)噸，提供10.05×104 GJ的供熱能力。

　　作者簡(jiǎn)介

　　曾金發(fā)   (1972.12)，男，工學(xué)碩士，貝加萊工業(yè)自動(dòng)化（上海）有限公司技術(shù)工程師，主要從事過(guò)程自動(dòng)化系統的應用開(kāi)發(fā)和研究。