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文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1003-0492（2024）08-064-04中圖分類號(hào)：TP273

★高松，熊銳（國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司，江西南昌330096）

★胡振中，余修斌，陳歡（國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司景德鎮(zhèn)發(fā)電廠，江西景德鎮(zhèn)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(tǒng)；國(guó)產(chǎn)化改造；組態(tài)設(shè)計(jì)

為響應(yīng)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》等文件關(guān)于在關(guān)系國(guó)家安全的領(lǐng)域和節(jié)點(diǎn)構(gòu)建自主可控、安全可靠的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)供應(yīng)體系的重要論述，國(guó)內(nèi)DCS企業(yè)一直致力于解決當(dāng)前工控設(shè)備進(jìn)口部件“卡脖子”和工控系統(tǒng)未全面實(shí)現(xiàn)自主可控等問題，也一直在進(jìn)行DCS自主可控方面的研究與應(yīng)用實(shí)踐。

在此背景下，本文以某660MW超臨界發(fā)電機(jī)組DCS自主可控改造項(xiàng)目為例，從DCS系統(tǒng)性能分析、組態(tài)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試三個(gè)方面，介紹了DCS自主可控改造的實(shí)施過程，并總結(jié)了本次改造的技術(shù)要點(diǎn)，為其他機(jī)組改造提供了參考。

1　新老DCS系統(tǒng)性能對(duì)比

1號(hào)機(jī)組原DCS系統(tǒng)為北京日立HIACS-5000M控制系統(tǒng)，基本控制器為R600系列控制器^[1]。受制于其運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，系統(tǒng)設(shè)備已進(jìn)入故障易發(fā)期和高發(fā)期，現(xiàn)有的備品備件數(shù)量難以維持機(jī)組DCS維護(hù)需求，同時(shí)相關(guān)功能已無法滿足現(xiàn)階段電廠對(duì)DCS的新需求。為積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，推進(jìn)火電機(jī)組DCS自主可控應(yīng)用工作，現(xiàn)DCS系統(tǒng)采用國(guó)核NuCon控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)基于銀河麒麟操作系統(tǒng)開發(fā)，CPU采用龍芯芯片，其嵌入式系統(tǒng)采用ReWorks實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)^[2]。表1詳細(xì)羅列了新老系統(tǒng)性能對(duì)比。

表1 新老系統(tǒng)性能對(duì)比

通過兩種系統(tǒng)對(duì)比可看出，國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)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(guó)產(chǎn)化，后期維護(hù)更便利。在價(jià)格方面，國(guó)產(chǎn)化系統(tǒng)打破了進(jìn)口DCS對(duì)市場(chǎng)的壟斷局面，降低了投資成本。

2　組態(tài)設(shè)計(jì)

2.1　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單元機(jī)組和公用系統(tǒng)配置獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，通過冗余的網(wǎng)關(guān)站實(shí)現(xiàn)，公用網(wǎng)絡(luò)不單獨(dú)設(shè)置工程師站、歷史站和接口站，網(wǎng)關(guān)站兼做公用系統(tǒng)工程師站，公用系統(tǒng)的全部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由網(wǎng)關(guān)站送給單元機(jī)組的歷史站和接口站進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和對(duì)外發(fā)布^[3]。

控制系統(tǒng)平臺(tái)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(shè)備、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備、電源轉(zhuǎn)換設(shè)備等輔助設(shè)備。

控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主體由實(shí)時(shí)監(jiān)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(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)控制器無擾切換，避免了控制器故障切換時(shí)數(shù)據(jù)中斷的現(xiàn)象^[4]。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2　I/O分配

不同于新建機(jī)組，涉及DCS改造的機(jī)組，在I/O設(shè)計(jì)分配上存在以下3個(gè)難點(diǎn)：

（1）利舊原則。即除參與機(jī)組主保護(hù)或重要輔機(jī)保護(hù)的信號(hào)因涉及以下技術(shù)變更情況而造成電纜長(zhǎng)度不夠需重新敷設(shè)外，其他到現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)電纜原則上最大程度采用利舊方式。

·冗余信號(hào)需分配到不同模件。

·對(duì)照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》及熱工技術(shù)監(jiān)督要求需增加相關(guān)冗余測(cè)點(diǎn)及柜間電纜。

（2）不同DCS系統(tǒng)間需增加柜間電纜。

（3）原I/O清單未及時(shí)更新，機(jī)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(shè)計(jì)分配時(shí)需注重以下幾點(diǎn)：

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

（2）梳理原系統(tǒng)各機(jī)柜信號(hào)通道配置、柜內(nèi)模塊配置、電纜進(jìn)線方向、供電方式等思路，分析對(duì)比新老系統(tǒng)模件硬件配置，編制新系統(tǒng)卡件布置圖。

（3）對(duì)電纜清冊(cè)與現(xiàn)場(chǎng)電纜進(jìn)行核實(shí)，確保I/O信號(hào)準(zhǔn)確。對(duì)于老化、破損的電纜進(jìn)行全部更換；對(duì)于在歷次技改中取消或變動(dòng)而電纜未移除的信號(hào)，可作為備用通道使用。

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

（5）對(duì)部分較短的電纜如不是保護(hù)聯(lián)鎖信號(hào)或重要調(diào)節(jié)信號(hào)可以采用端子柜集中轉(zhuǎn)接或柜內(nèi)轉(zhuǎn)接端子形式，同時(shí)需要做到屏蔽電纜全程接地，防止信號(hào)干擾。

（6）梳理組態(tài)過程中發(fā)現(xiàn)的I/O信號(hào)不一致清單，經(jīng)與廠內(nèi)人員討論后，統(tǒng)一修改。

2.3　邏輯設(shè)計(jì)

邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)需遵循原有DCS的組態(tài)內(nèi)容，在實(shí)現(xiàn)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)施過程中需重點(diǎn)執(zhí)行以下工作：

（1）根據(jù)當(dāng)前邏輯內(nèi)容，編寫控制邏輯設(shè)計(jì)說明。

（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(duì)照表。

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

（4）對(duì)于差異較大無法直接替代的功能塊，通過使用多種功能塊組合或搭建邏輯宏等方式實(shí)現(xiàn)原功能，并進(jìn)行功能測(cè)試。

（5）以滿足《二十五項(xiàng)反措》要求為原則，以提升邏輯可靠性為目標(biāo)，針對(duì)重要輔機(jī)設(shè)備、模擬量回路、聯(lián)鎖保護(hù)等邏輯進(jìn)行梳理總結(jié)，提出必要的優(yōu)化建議，并召開設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)分專業(yè)討論。

2.4　畫面組態(tài)設(shè)計(jì)

改造機(jī)組的畫面組態(tài)宜與原系統(tǒng)的風(fēng)格、布局保持一致，針對(duì)不足之處進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵實(shí)施手段如下：

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

（2）分析并羅列原畫面中各類設(shè)備的不同狀態(tài)顯示，在新DCS系統(tǒng)中進(jìn)行功能復(fù)現(xiàn)。

（3）對(duì)于新開發(fā)的畫面宏，搭建邏輯組態(tài)，進(jìn)行功能測(cè)試。

（4）操作面板設(shè)計(jì)時(shí)，操作按鈕的位置布局及確認(rèn)方式與原系統(tǒng)保持一致，防止運(yùn)行人員在緊急情況下因畫面不一致而誤操作。

（5）以防止運(yùn)行人員誤操作為目的，與運(yùn)行人員討論并形成優(yōu)化清單，對(duì)原畫面設(shè)計(jì)進(jìn)行逐一修改。

2.5　網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

DCS網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)主要由邊界防護(hù)、工業(yè)入侵檢測(cè)、日志審計(jì)、終端安全衛(wèi)士、網(wǎng)絡(luò)安全平臺(tái)、工控網(wǎng)絡(luò)審計(jì)等組成[5]。

（1）邊界防護(hù)：在安全I(xiàn)區(qū)邊界處部署工業(yè)防火墻，進(jìn)行工控協(xié)議數(shù)據(jù)過濾，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)邊界防護(hù)。

（2）工業(yè)入侵檢測(cè)：部署入侵檢測(cè)裝置用于對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為和流量?jī)?nèi)容進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)。

（3）日志與網(wǎng)絡(luò)審計(jì)：部署審計(jì)系統(tǒng)，對(duì)工控設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)等行為進(jìn)行審計(jì)，及時(shí)對(duì)安全事件進(jìn)行追溯或干預(yù)。

（4）終端安全衛(wèi)士：部署終端安全衛(wèi)士和USB防御系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)安全加固、惡意代碼防御和USB管控，構(gòu)造計(jì)算環(huán)境安全防護(hù)堡壘。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全平臺(tái)：部署統(tǒng)一安全監(jiān)管平臺(tái)，集中監(jiān)管安全設(shè)備，形成監(jiān)管一體化的安全預(yù)警平臺(tái)。

3　調(diào)試

就調(diào)試而言，DCS改造的機(jī)組與新建機(jī)組存在很大差異，較為突出表現(xiàn)在時(shí)間周期緊、進(jìn)度計(jì)劃難控、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(diào)試周期內(nèi)，必須對(duì)各個(gè)調(diào)試環(huán)節(jié)加以精準(zhǔn)把控，并在保證進(jìn)度的同時(shí)，提高調(diào)試質(zhì)量。

3.1　調(diào)試前準(zhǔn)備

（1）為把控調(diào)試整體進(jìn)度，根據(jù)檢修時(shí)間倒排，形成三級(jí)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試計(jì)劃。

（2）明確調(diào)試組織機(jī)構(gòu)及職責(zé)分工、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)人員負(fù)責(zé)安排，確保各項(xiàng)調(diào)試任務(wù)有序開展。

（3）編制調(diào)試大綱與各項(xiàng)調(diào)試方案，完善調(diào)試階段風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和預(yù)控措施。

（4）結(jié)合I/O清冊(cè)圖紙、保護(hù)定值清單、邏輯控制說明等資料，梳理各類調(diào)試表單文件。

3.2　單體調(diào)試

對(duì)于改造機(jī)組，單體調(diào)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)施過程中，需把握以下幾點(diǎn)：

（1）結(jié)合檢修計(jì)劃，制訂合理完善的每日調(diào)試計(jì)劃，明確調(diào)試任務(wù)，細(xì)化每日調(diào)試工作，職責(zé)分工，責(zé)任到人。

（2）將調(diào)試人員按鍋爐、汽機(jī)、電氣專業(yè)劃分，并與電廠生產(chǎn)、運(yùn)行、檢修各專業(yè)合理對(duì)接，確保各項(xiàng)調(diào)試工作的有序執(zhí)行。

（3）確保I/O與設(shè)備傳動(dòng)的全方位100%覆蓋，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與實(shí)際組態(tài)不同時(shí)，以最新設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)及時(shí)修改組態(tài)。

（4）優(yōu)化調(diào)試工作流程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢修施工情況，與電廠共同協(xié)商，形成“大票換小票”、“每日待調(diào)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(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)的問題，并做到“當(dāng)日發(fā)現(xiàn)、當(dāng)日整改、當(dāng)日關(guān)閉”。

3.3　分系統(tǒng)調(diào)試

與新建機(jī)組不同，因改造機(jī)組不存在整體試運(yùn)行的階段，因此在分系統(tǒng)調(diào)試環(huán)節(jié)中，除了對(duì)設(shè)備聯(lián)鎖、保護(hù)及必要的順控功能進(jìn)行校驗(yàn)外，還需進(jìn)行部分MCS系統(tǒng)的冷態(tài)調(diào)試、MFT及大聯(lián)鎖試驗(yàn)、跨系統(tǒng)間通訊測(cè)試等工作。在實(shí)施過程中，為保證調(diào)試質(zhì)量，需著重注意以下加點(diǎn)：

（1）以“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”為目的，組織各專業(yè)評(píng)審邏輯功能說明，并結(jié)合二十五項(xiàng)反措等標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況，查找原邏輯的設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化控制邏輯，提高邏輯可靠性。

（2）在進(jìn)行主保護(hù)及機(jī)爐電大聯(lián)鎖功能校驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采用帶工質(zhì)方式實(shí)測(cè)，精確模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

（3）在機(jī)組啟動(dòng)前，對(duì)于部分機(jī)爐側(cè)模擬量控制回路進(jìn)行必要的定值擾動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證參數(shù)設(shè)置的準(zhǔn)確性。

（4）對(duì)于主要接口信號(hào)，應(yīng)進(jìn)行必要的通訊測(cè)試，包括跨系統(tǒng)間的信號(hào)及DCS外掛系統(tǒng)，驗(yàn)證信號(hào)連接及通訊傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3.4　啟動(dòng)、并網(wǎng)與優(yōu)化調(diào)試

就改造機(jī)組而言，機(jī)組并網(wǎng)即進(jìn)入商運(yùn)，任何因控制系統(tǒng)、邏輯功能或設(shè)備故障等原因造成的機(jī)組跳閘，都將記錄為“非停”。這對(duì)于剛進(jìn)行DCS改造，尤其是原自動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)期依賴外掛系統(tǒng)的機(jī)組來說，該階段的壓力不言而喻。因此，在實(shí)施過程中，應(yīng)關(guān)注以下幾點(diǎn)工作：

（1）啟動(dòng)前，盡可能進(jìn)行仿真測(cè)試，模擬各類運(yùn)行工況，驗(yàn)證各調(diào)節(jié)回路功能的準(zhǔn)確性。類似RB等重要功能，應(yīng)進(jìn)行必要的靜態(tài)功能測(cè)試及動(dòng)態(tài)仿真模擬，驗(yàn)證機(jī)組在事故工況下的應(yīng)急響應(yīng)能力。

（2）熱態(tài)工況下，進(jìn)行機(jī)、爐側(cè)自動(dòng)調(diào)節(jié)回路擾動(dòng)試驗(yàn)，驗(yàn)證控制參數(shù)的正確性。

（3）積極與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)公司溝通，申請(qǐng)必要的試驗(yàn)工況，進(jìn)行變負(fù)荷等試驗(yàn)，在驗(yàn)證協(xié)調(diào)控制功能的同時(shí)，優(yōu)化調(diào)節(jié)參數(shù)，提升機(jī)組調(diào)節(jié)性能。

4　改造效果

（1）系統(tǒng)上線后，通過第三方全面測(cè)試，驗(yàn)證了軟、硬件性能均滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，部分性能指標(biāo)如測(cè)量精度、抗干擾能力等優(yōu)于原DCS系統(tǒng)。此外，通過邏輯組態(tài)優(yōu)化，進(jìn)一步提升了邏輯可靠性。

（2）通過調(diào)試，機(jī)組實(shí)現(xiàn)鍋爐點(diǎn)火、汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)及發(fā)電機(jī)并網(wǎng)一次性成功，機(jī)組啟動(dòng)后運(yùn)行安全穩(wěn)定。另外，通過協(xié)調(diào)控制功能優(yōu)化，機(jī)組自動(dòng)調(diào)節(jié)性能提高，汽溫、過熱度等調(diào)節(jié)品質(zhì)得到大幅提升。

5　結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了DCS自主可控改造在大型火電廠的應(yīng)用案例，并通過對(duì)新老系統(tǒng)性能對(duì)比、組態(tài)設(shè)計(jì)，以及調(diào)試總結(jié)，驗(yàn)證了國(guó)產(chǎn)化DCS系統(tǒng)的實(shí)用性，打破了進(jìn)口DCS系統(tǒng)的壟斷局面，為100%自主可控DCS系統(tǒng)在中國(guó)電力行業(yè)中的完全更迭奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提升了我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域DCS控制系統(tǒng)的技術(shù)水平，對(duì)保障國(guó)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(jí)工程師，學(xué)士，現(xiàn)就職于國(guó)家電投集團(tuán)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(xiàn)就職于上海明華電力科技有限公司，主要從事電廠自動(dòng)控制及優(yōu)化技術(shù)研究工作。（本文通訊作者）

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年8月刊