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????? 火電廠外圍設備系統(tǒng)集中監(jiān)控改造的研究

????? 摘要：文章對火力發(fā)電廠的外圍設備系統(tǒng)由就地控制改造為集中控制進行
研究，分析外圍設備控制進行這種改造的可行性和必要性，并介紹日照電廠外圍
設備系統(tǒng)進行集中監(jiān)控改造的硬件配置，實施過程中的經驗和體會。

????? 關鍵詞：外圍設備集中監(jiān)控研究

????? 1.火力發(fā)電廠外圍設備控制的現(xiàn)狀

????? 分散控制系統(tǒng)（DCS ）在現(xiàn)代火力發(fā)電廠大型機組上已經得到廣泛應用，
它逐漸取代了以前的常規(guī)儀表，提高了機組控制水平，許多機組都達到了全自動、
全程控功能，可以說目前我國許多大機組的主設備控制已達到國際先進水平，但
是外圍設備，如：化學補給水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、除灰除渣系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、
循環(huán)水泵、空氣壓縮機站、制氫站、燃油泵、啟動鍋爐和綜合水泵等，在電廠籌
建期間，由于預算高壓縮基建投資時往往壓的最多的就是外圍設備的投資。由于
預算低，必然使外圍設備選型落后，控制水平低，基本上就是傳統(tǒng)的就地繼電器
回路控制，好一點的控制系統(tǒng)采用PLC 控制。這就與主廠房的DCS 集中控制形成
鮮明對比，主廠房設備控制廣泛采用DCS ，并達到國際先進水平，而輔助公用系
統(tǒng)往往由不同設備制造商提供，采用的設備和控制技術相差很大，有的采用較高
檔次的可編程序控制器（PLC ），并取消了盤臺后備控制，實現(xiàn)了全CRT 控制；
有的則使用常規(guī)盤裝儀表控制表，致使外圍設備的控制室多達十幾個，需要的運
行值班人員多，設備故障率高、維護量大，且設備故障跳閘后由于沒有先進的事
件記錄功能，導致不能很好地分析事件原因和預防事件的再發(fā)生。隨著電力體制
改革的深入，廠網已經分開，以后各發(fā)電商之間的競爭會越來越劇烈，而競爭的
核心就是降低發(fā)電成本，提高勞動生產率。因此如何利用先進的計算機技術，將
相互獨立的各個輔助外圍系統(tǒng)改造為集中控制或相對集中控制，實現(xiàn)外圍控制系
統(tǒng)無人值班化或少人值班，不僅可以使外圍設備系統(tǒng)控制水平提高，減少設備故
障率，而且可以大量減少運行人員，大幅度提高勞動生產率，達到減人增效的目
的。這個現(xiàn)實的課題已經擺在了許多電廠人的面前。

????? 2.外圍設備控制改造的方案和技術

????? 外圍系統(tǒng)設備是否需要以及如何改造，要進行綜合的技術經濟比較才能決
定。要計算投入產出比，投入就是全部的改造費用及改造不好帶來的遺留問題，
產出就是改造成功后設備可以實現(xiàn)遠方監(jiān)控，減少運行維護人員，設備故障率低。

????? 現(xiàn)有幾種方案可以對外圍設備控制進行設計和改造，即全廠外圍設備系統(tǒng)
只設1 個控制點且把這個控制點放在集控室控制，此為單點控制；也可采用相對
集中控制，即設立若干個相對集中控制點。根據不同的集中控制方式，可以采用
不同的控制技術，如現(xiàn)場總線技術FCS 、分散控制系統(tǒng)DCS 和可編程控制器PLC
等，可產生多種控制方案。何種方案最佳，需依據實際情況而定，不可一概而論。
例如：由于輸煤系統(tǒng)離主廠房相對較遠且控制對象繁多，近期可單獨采用PLC 控
制，在燃料區(qū)域設一個控制點，并將輸煤控制與D 外圍其它控制系統(tǒng)聯(lián)網；啟動
鍋爐房使用的時間很短，可設立單獨的簡單控制系統(tǒng)，而其它外圍輔助系統(tǒng)則可
采用兩種方式控制：一是擴展主機DCS ，利用擴展后的DCS ，通過單元機組DCS
操作員站實現(xiàn)外圍系統(tǒng)控制，該方案可以減少控制設備種類，發(fā)揮全能值班員最
大潛能，在統(tǒng)一控制系統(tǒng)設備，便于維護管理等方面具有明顯的優(yōu)越性，但是對
于投產后的機組，在運行期間進行改造有一定的風險，并且需要較長周期才能干
完。但如果措施周密，計劃得當，也應該是可以利用檢修機會突擊成功的；另一
方案就是建立外圍系統(tǒng)集中控制點，控制點設在集控室（或其它地方），集控室
內可設單獨的操作員站而與單元機組控制相對獨立。這種方案的優(yōu)點是風險小，
可以在機組運行期間施工和調試，只有很少的工作，如循環(huán)水泵控制的接入，需
要停機進行，缺點是需要增加一套控制系統(tǒng)。

????? 在應用技術選擇方面，由于外圍設備分散，不可把全部控制單元放在集控
室，那樣需要敷設的電纜太多了。近年來現(xiàn)場總線的大量應用和它的實際可靠性，
給現(xiàn)在的外圍設備改造提供了理論基礎和現(xiàn)場應用的廣泛平臺?，F(xiàn)場總線（FCS ）
對遠方設備控制具有無可比擬的優(yōu)越性，利用它可以將I/O 控制柜放在就地，而
把中央控制單元放在主廠房電子間內，從而可以大幅度減少對電纜的使用，進一
步提高系統(tǒng)的擴展性，促進系統(tǒng)的組態(tài)更加靈活、操作維護方便?？s小電子間，
大大減少集中控制設備。

????? 3 日照電廠外圍設備控制系統(tǒng)改造

????? 日照電廠一期工程2*350MW 機組主廠房內的設備利用融資從國外購買，鍋
爐由西班牙FOSTER-WHEELER供貨，汽輪機、發(fā)電機和變壓器由SIEMENS 供貨，主
設備的控制系統(tǒng)采用了SIEMENS 的分散控制系統(tǒng)TELEPERM-XP ，主廠房內的凝水
精處理控制、吹灰控制系統(tǒng)、除灰控制系統(tǒng)采用西門子生產的S 系列PLC ，但是
外圍設備的控制系統(tǒng)如：渣漿泵、燃油泵、循環(huán)水泵、工業(yè)水泵等還是就地控制，
采用的控制設備大部分是常規(guī)操作和顯示儀表，故障率高、維護量大。致使機組
主值班人員每臺機組5 人左右，而外圍設備值班人員大約在15人左右。為此，日
照電廠對外圍設備系統(tǒng)控制進行分析研究，提出了可能的改造方案，把原來未納
入集控室控制的設備納入集控運行，并增加外圍設備電視監(jiān)控功能，提高電廠自
動化水平，達到減人增效的目的。

????? 3.1 外圍設備系統(tǒng)存在的問題

????? 日照電廠通過投產后兩年的運行情況，發(fā)現(xiàn)外圍控制系統(tǒng)設計不合理，控
制設備、技術落后的問題，已成為電廠安全穩(wěn)定運行的重大隱患。主要問題如下
：

????? 3.1.1 循環(huán)水泵與循環(huán)水出口碟閥聯(lián)鎖控制不可靠，曾多次發(fā)生聯(lián)啟泵不
成功，但后來試驗時又正常的情況，但在以后運行中又可能發(fā)生問題，由于沒有
事件記錄功能，很難找到問題的癥結所在。

????? 3.1.2 旋轉濾網由于水位差計選型不當、程序參數(shù)及邏輯設計不合適，致
使旋轉濾網程控長時間不能運行；

????? 3.1.3 由于控制設備差，自動投不上，使許多的操作靠運行人員在現(xiàn)場監(jiān)
視和手動；

????? 3.1.4 外圍設備的控制沒有事故追憶，使一些設備異常無法判斷，并制定
相應的解決及預防措施；

????? 3.1.5 燃油泵房、循環(huán)水泵房、工業(yè)水泵房等系統(tǒng)比較分散，距離集控室
較遠，給系統(tǒng)的運行、維護管理帶來許多困難。

????? 3.1.6 輸煤程控單獨運行，無法根據運行的需要進行上煤和配煤。

????? 3.2 　外圍設備系統(tǒng)控制改造的可行性和必要性

????? 3.2.1 控制方案設想

????? DCS 系統(tǒng)在主廠房設備上的成功應用表明，利用網絡技術和現(xiàn)代控制技術
是可以成功地實現(xiàn)外圍系統(tǒng)集中監(jiān)控的。我們的想法是建立一套獨立于機組主DCS
的單獨的外圍設備集中控制系統(tǒng)，使用網絡技術和現(xiàn)場總線技術，將服務器（上
位機）安裝在集控室，用于對所有外圍設備系統(tǒng)的監(jiān)視和控制。新增外圍系統(tǒng)的
中央處理單元（ CPU全部冗余配置）放在電子間的外圍控制柜，分別將輸入輸出
I/O 控制柜放在就地，使用遠程I/O 方式通過ProfiBus總線與CPU 通訊，再通過
光纖環(huán)網連接將CPU 與服務器（上位機）連在一起，這樣就地的有關生產過程信
息上傳至集控室的服務器供運行人員監(jiān)視；反過來，運行人員又可通過該服務器
（上位機）下傳來控制、干預每個外圍系統(tǒng)的運行情況，從而實現(xiàn)對每個系統(tǒng)的
遠方監(jiān)控。這樣既提高了設備在線管理的水平，又極大減輕了運行人員的勞動強
度。

????? 3.2.2 與老系統(tǒng)的互聯(lián)通訊

????? 我廠除灰系統(tǒng)（包括石子煤、爐底渣、飛灰、電除塵）、凝結水精處理、
化學水處理、輸煤系統(tǒng)等原設計就是采用可編程控制器（PLC ）的程序控制系統(tǒng)。
國際電工委員會（IEC ）頒布的PLC 標準中定義“可編程控制器及其有關設備，
都應按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一整體、易于擴充功能的原則設計”，因此新增
加的外圍系統(tǒng)使用PLC 控制就可以與原PLC 系統(tǒng)互相通訊。這樣原來的可編程控
制器程控系統(tǒng)為實現(xiàn)外圍系統(tǒng)集中監(jiān)控奠定了較好基礎；而投產以來這些程控系
統(tǒng)運行穩(wěn)定，也為外圍系統(tǒng)集中監(jiān)控提供了可靠保證。循環(huán)水泵房內的泵、碟閥
和旋轉濾網原來的PLC 控制不可靠，這次就全部更新改造。只有渣漿泵、燃油泵、
工業(yè)水泵、網控設備使用傳統(tǒng)的儀表監(jiān)視和手動操作手段，原來都沒有使用PLC
控制。因此，需要對網控、渣漿泵、燃油泵、工業(yè)水泵房等設備系統(tǒng)的控制進行
改造，實現(xiàn)PLC 控制。

????? 3.2.3 預期達到的目標

????? 通過集中監(jiān)控改造，針對控制設備差、控制不可靠、程序設計不合理等系
統(tǒng)，選用先進可靠的控制裝置，重新進行設計，增加事故追憶功能，就可以徹底
解決系統(tǒng)設計不合理、自動投不上、現(xiàn)場監(jiān)視手段落后、無事故追憶等問題；并
且通過集中監(jiān)控改造，將現(xiàn)場就地監(jiān)控，集中到電廠中央控制室，方便了系統(tǒng)運
行維護管理，這樣既提高了設備健康水平又提高了管理水平，也為企業(yè)進一步改
革、發(fā)展、創(chuàng)新打下一個良好的基礎，因此是非常必要的。

????? 4.外圍控制系統(tǒng)改造方案4.1 總體控制方案設計（見圖1 和圖2 ）

????? 改造的總體思路是改造后能夠在集控室實現(xiàn)全廠設備監(jiān)控，但不能敷設大
量長控制電纜，要利用現(xiàn)場總線技術和網絡技術使現(xiàn)場控制設備和電子間的CPU
進行通訊。具體改造方案如下：

????? 4.1.1 根據各外圍系統(tǒng)實際情況，選用PLC 的合適控制范圍：渣漿泵房、
燃油泵房、工業(yè)水泵房、凈水站、化學加藥系統(tǒng)因各分系統(tǒng)小、I/O 點少所以共
用一套PLC （冗余）進行控制；

????? 4.1.2 網控設備、#1機組循環(huán)水泵、＃2 機組循環(huán)水泵房分別各用一套PLC
（冗余）控制；每個外圍系統(tǒng)PLC CPU （冗余）放在電子間的外圍控制柜，分別
在就地安裝一個遠程I/O 站使用遠程I/O （ET200 ）方式通過ProfiBus雙絞線電
纜與PLC CPU 通訊，再通過光纖環(huán)網連接與服務器通訊。

????? 4.1.3 輸煤、化水、凝結水采用原設計的PLC 控制，通過光纜連接，與Switch
Hub （交換機）連接后與服務器通訊。

????? 4.1.4 除灰和吹灰系統(tǒng)采用原先的PLC ，只將PLC 挪至電子間的外圍控制
柜，就地使用遠程I/O 站。

????? 4.1.5 整個外圍集中監(jiān)控系統(tǒng)網絡配備2 臺服務器、5 臺上位機、1 臺Switch
Hub （交換機）、新增4 對CPU.

????? 4.1.6 服務器通過光纖環(huán)網將有關生產過程信息采集上來并進行處理、分
析和監(jiān)視；5 臺上位機再通過以太網從2 臺服務器將有關生產過程信息采集上來
并進行處理、分析和監(jiān)視；反過來，服務器又可控制、干預每個系統(tǒng)的運行情況，
上位機可通過服務器實現(xiàn)控制、干預每個系統(tǒng)的運行情況，從而整個外圍集中監(jiān)
控系統(tǒng)可實現(xiàn)對每個外圍系統(tǒng)的遠方監(jiān)控。

????? 4.1.7 為滿足以后循泵、工業(yè)水泵和燃油泵實現(xiàn)變頻控制的要求，外圍集
控系統(tǒng)應設計有預留接口；同時，海水制氯、新增的旋轉濾網亦要求納入外圍監(jiān)
控系統(tǒng)。

????? 4.2 硬件配置情況

????? 4.2.1 服務器采用DELL服務器，共2 臺，CPU 采用PIII處理器，主頻850HZ
，256M 內存，40G 硬盤，21英寸顯示器。上位機采用西門子工控機，共5 臺，CPU
采用PIII處理器，主頻450HZ ，256M內存，10G 硬盤，21英寸顯示器。配備兩臺
打印機（彩色A3噴墨和針式打印機各一臺）。上位機操作系統(tǒng)采用WindowsNT WorkStation4.0
中文版。

????? 4.2.2 將網控、#1機組循環(huán)水泵、＃2 機組循環(huán)水泵房、其它公用系統(tǒng)
（渣漿泵房、燃油泵房、工業(yè)水泵房、凈水站、化學加藥系統(tǒng)）、#1和#2除灰控
制系統(tǒng)、#1和#2吹灰控制系統(tǒng)直接聯(lián)接至光纖環(huán)網上，光纖環(huán)網路線：集控室—
—電子間——集控室。

????? 4.2.3 將化學水處理、凝結水控制系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)直接連接至集控室交換
機（Switch hub），服務器及上位機通過3COM網卡連接至交換機（Switch hub）。
同時，交換機（Switch hub）也作為外圍系統(tǒng)與MIS 系統(tǒng)的接口；

????? 4.2.4 化學水處理PLC 為GE的90-30 系列PLC ，輸煤系統(tǒng)PLC 為MODICON
984 系列 PLC，其它系統(tǒng)PLC 為西門子PLC S5系列或S7系列。

????? 4.2.5 控制系統(tǒng)I/O 點設計留有一定余量，保證所有與生產有關的信息，
如設備管理和經濟運行指標系統(tǒng)需要的數(shù)據，首先需采集到外圍控制系統(tǒng)，再經
過統(tǒng)一的接口傳輸?shù)組IS 網，提供給相關系統(tǒng)進行數(shù)據處理。

????? 4.2.6 為系統(tǒng)的安全考慮，所有I/O 柜電源均采用雙路切換互為備用方式，
在各泵房A 、B 段400VAC母線上各取一路供電；內部24VDC 開關電源采用母線制，
兩路24VDC 開關電源并行同時供電。

????? 4.3 軟件設計原則

????? 應用程序開發(fā)包括兩部分：上位機畫面監(jiān)控程序和PLC 應用程序。為使本
系統(tǒng)具有最大的兼容性，監(jiān)控軟件采用Intellution 公司的iFIX無限點軟件（iFIX
軟件系專業(yè)的工控軟件，支持所有廠家PLC 產品）。軟件設計遵循以下原則：

????? 4.3.1 應用程序應根據各系統(tǒng)設備運行工藝要求，確定所有外圍系統(tǒng)的功
能需求方案，即應用程序要嚴格按照設備本身情況或設備運行實際需要進行開發(fā)。

????? 4.3.2 監(jiān)控系統(tǒng)功能包括系統(tǒng)畫面生成、事故追憶系統(tǒng)、各種曲線顯示和
打印、各種報表自動生成等。

????? 4.3.3 監(jiān)視畫面要符合主設備控制系統(tǒng)（TELEPERM XP ）人機界面的設計
風格，按照分級瀏覽、逐級細化的原則設計畫面，采用彈出式窗口、下拉式菜單
等多種廣為流行的設計手段實現(xiàn)畫面的切換和顯示，單個畫面的工藝流程、信息
顯示（包括運行參數(shù)、狀態(tài)、故障情況等）和各種曲線；且布局要合理、生動，
色調柔和。

????? 4.3.4 事故追憶系統(tǒng)應包括所有進入控制系統(tǒng)或系統(tǒng)輸出的開關量和模擬
量（如運行參數(shù)、輸出指令、狀態(tài)反饋等）以及控制系統(tǒng)本身發(fā)生的事件（如卡
件或通訊故障等），所有I/O 點均可以曲線的形式顯示，為實現(xiàn)系統(tǒng)運行在線分
析、診斷提供豐富的數(shù)據資源。

????? 5.結束語

????? 日照電廠外圍控制系統(tǒng)集中監(jiān)控改造已于2001年完成并投入運行，是首家
實現(xiàn)外圍系統(tǒng)集中監(jiān)控改造的電廠。各外圍系統(tǒng)就地控制室撤消，由集控室對所
有外圍系統(tǒng)生產全過程進行監(jiān)視和控制，減少了外圍系統(tǒng)運行人員，減輕了運行
人員勞動強度，實現(xiàn)了企業(yè)減人增效，提高了企業(yè)管理和自動化水平。實踐證明，
日照電廠外圍控制系統(tǒng)集中監(jiān)控改造是成功的，為熱控系統(tǒng)進一步改造，提高電
力生產自動化水平起到很好的典范作用。