火电厂辅助系统(车间)集中监控方案研究与应用

引言
    各辅助系统(车间)物理位置相距较远，传统控制方式相对独立，网络连接形式多样，因此，给监控和管理带来了不便。近几年来由于控制技术的不断发展，管理理念的不断更新，火电厂对辅助系统的监控系统提出了更高的要求：既要减少投资，又要提高辅助系统(车间)的控制水平。因此，辅助系统的控制应通过加强管理，减少值班点等措施来提高电厂辅助系统(车间)的管控一体化水平。
一、辅助系统(车间)控制现状
    2000年燃煤示范电厂及新颁布的《火力发电厂设计技术规程》对辅助系统(车间)的控制方式提出了新的要求，即“相邻的辅助生产车间或性质相近的辅助工艺系统宜合并控制系统及控制点，辅助车间控制点不宜超过三个(输煤、除灰、化水)，其余车间均按无人值班设计”。PLC+上位机的控制技术由于加强了独立系统运行的安全性和可靠性，因此辅助系统(车间)普遍采用这种控制方式。辅助控制系统的现状可以大致归纳如下：
    (1)辅助控制系统大部分采用3套以上PLC＋上位机组成，值班点较多。
    (2)一些工艺设备自带小型PLC进行控制，形成独立控制系统。
    (3)辅助控制系统往往由不同的厂家供应，造成设计风格各异并且各个控制系统的PLC种类、CPU及卡件型号不统一。
    (4)主要辅助系统如输煤系统、燃油泵房、除灰除渣系统、化学水处理系统、循环水系统等需提供专门的控制室并配备一定数量的运行人员进行值班操作。
    (5)各个控制系统相互独立，系统信息与各主控室之间几乎没有信息交换。
    因此，辅助系统(车间)的控制现状给运行和维护带来以下一些问题：
    (1)分散的控制室不仅增加投资和运行维护费用(如装潢、空调等)，并且不易管理。
    (2)值班人员偏多。一般机组主控人员每台机组配备5人，外围设备值班人员可以配备15人左右。
    (3)各个辅助系统(车间)与主控室的信息交换极少，主控室对辅助系统(车间)的控制要求往往通过电话方式联系，这种方式极其不便并且缺乏及时性。
    (4)各个辅助控制系统采用不同的软硬件，给备品备件管理、人员培训及维护造成一定的难度。
二、辅助系统(车间)集中监控方案的研究
2.1 辅助系统(车间)集中监控点设计
    《火力发电厂辅助系统(车间)热工自动化设计技术规定》DL/T5227－2005中第4.1.8条明确指出“辅助(系统)车间宜采用PLC控制，经技术经济论证也可采用小型DCS或专用控制器”。因此从技术角度出发，辅助系统(车间)集中监控采用PLC和DCS均可实现。根据《火力发电厂辅助系统(车间)热工自动化设计技术规定》辅助系统(车间)可考虑设置2个值班监控点和4个后备监控点。
    一个监控值班点设在单元机组集控室内，配置3套辅助车间控制系统操作员站(报表打印机2台)，监控对象为水务系统，今后根据需要也可操作灰渣等系统；另一个监控值班点设在脱硫控制室，配置3套辅助车间控制系统操作员站(报表打印机2台)，脱硫工程师间配置辅助车间控制系统工程师站1套，SIS接口机1台，监控对象为输煤、除灰渣系统。4个后备监控点按无人值班考虑，分别为化学水处理后备监控点、输煤后备监控点、灰渣后备监控点、凝结水精处理后备监控点。后备监控点用于调试、检修及试运行期间的操作，应具备针对本系统的独立监控能力与组态调试能力。灰渣后备监控点和凝结水精处理后备监控点各设2套操作员站，其它后备监控点各设1套操作员站，操作员站应具有工程师站的功能。无论是辅助车间集中控制系统的值班监控点操作员站，还是后备监控点操作员站都可以监控整个辅助车间，实际监控范围根据权限设置确定。
2.2 辅助系统(车间)集中监控网络设计
2.2.1 集中监控网络技术要求
    由于辅助系统(车间)物理位置分散、距离较长，其网络交换机必须冗余配置，能够保证在任一路网络连接发生故障的情况下由备用回路自动连接，在此过程中不会造成数据丢失和数据变化。各辅助车间子控制系统能独立工作以保证各系统车间和设备的安全。辅助系统(车间)集中监控系统具有诊断功能，具有高度的可靠性。当2个集中监控点以及网络发生故障时，下层的后备监控点能进行监控，能保证各辅助系统安全、正常工作。
2.2.2 集中监控网络设计
    辅助系统(车间)集中监控网的监控分以下三层：
    第一层：4个后备监控点控制网。该层用于系统启动、初期调试、初期运行和故障时使用。在后备监控点各配置两台带光纤上传接口的分支交换机，每个系统的上位机/服务器各插两块PCI 100M以太网网卡，控制器配置有冗余的以太网接口，并且分别接入不同的交换机。
    第二层：辅助系统(车间)集中监控网。在辅助系统(车间)集中控制值班监控点，配置两台冗余的光纤主交换机，操作员站及工程师站、数据服务器各插两块PCI 100M以太网卡，并且分别接入不同的光纤主交换机。采用光纤、光纤主交换机、操作员站构成第二层监控系统。
    第三层：辅助系统(车间)集中监控网信息系统通过防火墙及网关计算机连接至SIS，网关计算机具有网络隔离作用，能够保证辅助系统(车间)向SIS发送实时数据，同时不影响辅助车间集中控制网本身的控制功能。
2.2.3 集中监控网络拓扑结构
    常见的网络拓扑结构主要有总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑及混合型。辅助系统(车间)集中监控网络采用混合型网络，先形成子网(例如水网、煤网、灰网)，然后子网交换机与主交换机连接。在工程应用中采用混合形拓扑结构，可以克服一般星形拓扑结构、环形拓扑的缺点，使网络的可靠性、扩展性、稳定性和安全性大幅提高，同时提高网络性价比。
2.3 辅助系统(车间)集中监控的电源和接地设计
2.3.1 控制系统电源设计

为保证控制系统能安全可靠地运行，水务、输煤、除灰渣系统应分别拥有独立的供电电源装置。由于集中控制室远离各工艺系统，因此也配置了独立的供电电源装置。辅助系统(车间)的厂用电源控制在主机公用DCS中统一控制。控制系统电源配置时必须考虑在系统外部电源丢失后，仍然能够维持控制系统1个小时的正常供电。每套电源装置要求接受2路不同段400VAC供电，通过电源柜内的电源切换装置(优选UPS电源)后，向设备供电。各供电装置不仅要满足各自控制系统的供电需要，还要满足相关控制设备的供电(例如：电磁阀箱、化学分析仪表等)，并留有40%的余量。控制系统电源供电范围包括：控制系统设备(控制器、I/O卡件、网络设备、操作站等)、电磁阀箱、变送器、分析仪表等。
2.3.2 辅助系统(车间)集中控制接地设计
    由于整个辅助系统(车间)集中监控分布范围广，不宜采用集中接地。接地点可考虑采用等电位接地方式，单点接地直接汇入各电气接地网上。这样即使在出现雷击或发生电气短路时，在控制系统内部设备间也不会产生接地点间的电势差，损伤设备，危害人身安全；各远程柜及子系统间采用光纤连接，实现完全的电隔离，即使由于接地电阻不同，造成地电位不等，也不会对控制系统产生影响。在控制机柜中应分别设有接地铜排，每个模件机架、电源机架都应配有一个接地端子，接地点汇集于机柜内的接地铜排，然后再与电气接地网相连。接地电阻要小于5欧姆，屏蔽电缆的屏蔽接地在控制机柜屏蔽地铜排，确保一端接地。水网、煤网、灰网及远程站之间应通过光缆连接，使各子系统间完全实现电隔离，防止接地点电势差对系统设备正常运行的影响。
三、辅助系统(车间)集中监控的应用及发展前景
   辅助系统(车间)集中控制涵盖的控制子系统划分如下：
    (1)综合泵房、供氢站配置一套控制子系统；
    (2)工业废水处理、循环水加氯、渣水加阻垢剂、生活污水处理及煤泥废水处理各配置一套控制子系统；
    (3)净水处理、化学除盐及再生系统配置一套控制子系统； 
    (4)每台机组的凝结水精处理及再生设备、汽水取样加药系统共配置一套控制子系统，合计两套。
    (5)输煤系统配置一套控制子系统；
    (6)每台机组除渣系统共配置一套控制子系统；
    (7)每台机组除灰系统共配置一套控制子系统；
    (8)每台机组电除尘系统共配置一套控制子系统；
    (9)灰库区配置一套控制子系统。
     系统采用DCS实现了辅助车间集中监控一体化。减少了值班监控点(控制室)和运行人员配置，减少了投资。从系统上实现真正的逻辑集中，提高全厂的自动化水平，为以后新建电厂的发展指明了方向。