燃气和蒸汽联合循环发电系统中的DCS设计

卢冬冬，郑晶晶

（山东钢铁股份有限公司 莱芜分公司 自动化部，山东 莱芜 271104）

0 引言

钢铁企业的发展具有多产业的联合性、技术系统的复杂性、经济系统运行的复合性等特点，因此我们必须构建完善的循环经济体系。燃气和蒸汽联合发电是实行热电联产比较好的热能利用方式，也是一种回收能源充分利用的最好形式。本文综合考虑了电气、仪表的特点以及生产工艺对自控系统的要求，对燃气和蒸汽联合循环发电系统中的DCS（集散控制系统）进行了设计。

1 燃气和蒸汽联合循环发电系统的构成

燃气和蒸汽联合循环发电系统主要包括燃气轮机系统、蒸汽轮机系统以及余热锅炉系统，其系统网络布置如图1所示。燃气轮机系统大体包括：润滑油系统、氮气置换系统、压缩空气系统、控制保护系统、气体燃料系统、液体燃料系统和超速保护系统等。蒸汽轮机系统大体包括：汽轮机本体汽水系统、发电机TSA轴系监测系统、润滑油系统、凝结水系统、DEH调速系统、盘车系统和除氧系统等。余热锅炉系统大体包括：锅炉本体系统、汽水系统、燃烧系统、排污系统、点火系统、引送风机系统、火焰监控系统和吹扫系统等。

2 DCS自控系统的设计

燃气和蒸汽联合循环发电系统是由电气和仪表自动化系统组成的，采用电气系统、仪表系统集中控制的模式。根据工艺系统划分及控制要求，DCS自控系统主要包括燃气轮机自动控制系统、蒸汽轮机控制系统、余热锅炉控制系统以及电气系统和公用系统。该工程的DCS控制系统网络是以工业以太网为基础建立的客户／服务器通讯模式，网络的控制管理采用两层结构模式，即星型连接，控制网络采用双冗余配置；各分散的控制系统层采用DP总线模式，方便连接远程I／O站以及现场智能设备；每个子系统的层间连接采用冗余的星型连接，它们之间相互独立，互不影响。

图1 燃气和蒸汽联合循环发电系统网络布置

2.1 DCS自控系统硬件设计

燃气、蒸汽联合循环发电整个控制系统均采用ABB生产的Inudstry IT系列AC800FDCS系统，以PM803控制器为基础，设置一个中央控制室以及3个DCS站点，其中3个DCS站点和中央控制室在主干光纤环网上，光纤环网的冗余功能保证了以太网通讯的可靠性。3个DCS站点的网络模式是以主站交换机为中心的星型结构。中央控制室可以通过以太网向现场的各DCS站下达控制指令、修改程序、采集现场数据，同时也可以实现各DCS站点之间的数据交换。系统的CPU采用冗余模式，正常运行过程中，其中一个CPU处于主模式，另外CPU处于备用模式，两个CPU同步运行，相互冗余，一旦主CPU发生故障而不能及时地将指令传达给现场的执行机构时，备用CPU会迅速启动，完成无扰切换，继续主CPU没有实现的功能。冗余系统各分站的主体框架由2块CPU PM803模块、2块电源模块、2块以太网通讯模块、2块FI830现场总线模块组成，远程I／O机架由若干的DI模块、DO模块、AI830热电阻模块、AI810模块和AI835热电偶模块组成。其中DI、DO模块直接与现场的电气设备进行运行状态和启停信号相连，负责实现现场电气相关设备的启停；AI830、AI835模块负责将现场的温度、压力测点转换到画面显示，方便操作员的监控。冗余系统功能的实现使该硬件系统具有高度的可靠性、安全性、高可用率和抗干扰能力强等特点。

2.2 DCS自控系统软件配置

系统中的工程师站、监控站、生产监控服务器均安装了Windows XP系统软件，各分站安装的DCS编程软件是由ABB公司提供的CBF8.1版本，通过该软件可实现程序的编程、画面的制作、硬件的组态、网络模式的设置、CPU故障的诊断、I／O设备通道状态的诊断以及现场设备的调试。各监控站都安装了Digvis8.1版本的监控软件，负责监控生产工艺流程以及现场相关的电气设备的运行状态。在程序编制过程中，运用功能块（FBD）、梯形图（LD）、SFC相结合的编程方式实现现场设备的启停，具有模拟量量程转换、历史趋势查询、故障查询、开关量功能监控、PID自动调节控制、逻辑运算、语音报警和自动打印等功能。

2.3 通讯方式

现场控制层的网络通过Profibus现场总线和冗余控制器PM803通讯，双线冗余，通讯速率可高达12 Mb／s，距离远达1 200mm。中央监控层实现了各控制器之间、工程师站和操作员站之间的通讯，它是基于工业以太网的通讯模式，实现数据的交换和共享。

3 DCS自控系统的特点

DCS自控系统具有如下特点：

（1）仪表控制：该系统实现了数据的采集和显示，并对一些重要的参数如温度、压力、流量进行PID自动调节，调节的过程中可以实现手／自动的无扰动切换。

（2）电气控制：通过人机界面的操作指令和数据监测，实施对泵类、电动阀、风机、变频器的启动与停止，以及燃气轮机、汽轮机的冲转、升速、并网、加减负荷等操作。

（3）设备监控：通过动态颜色的显示，操作人员可根据人机界面设备的动态颜色来判断现场设备的运行情况，当某一设备控制回路通电时，红色代表停止，绿色代表运行，黄色代表故障。

（4）数据监视：人机界面设计了详细的工艺过程流程图以及管道上相关的温度和压力等测点，操作人员可通过人机界面全面监控现场仪表设备的温度和压力，准确了解现场工艺管道的情况。

（5）实时报警：该系统对重要设备实施监控报警，当现场设备故障或者是压力、温度测点高于设定值时，人机界面会通过颜色反差或者是语音报警及时提醒操作人员处理。

（6）故障诊断：该系统拥有完善可靠的故障诊断功能，可以在线实时对CPU通讯故障、控制器故障、DP通讯故障、I／O模件通道故障作出判断，并显示在监控站上。工程师可以方便直观地查出故障原因，为机组的可靠运行提供保障。

（7）系统诊断：在通道正常运行的情况下，在程序中应用了系统变量，且做成历史趋势，通过相关的系统参数来判断当前运行系统的状态，主要是CPU的运行参数和通讯参数，使整个控制系统的运行状况都能如实地反馈给工程师，防止一些意外发生，保证了系统的安全运行。

（8）数据记录：该系统对重要的数据进行保存，形成历史趋势，完整地保存在默认的盘符路径下。通过历史趋势，现场生产人员可以随时查看机组重要参数，对重要参数进行对比分析，分析的结论有助于提高发电效率。

4 结束语

燃气和蒸汽联合循环发电机组已并网发电，且性能稳定，运行良好，达到了预期的目标。DCS自动控制系统的投入使用，优化了现场生产人员的结构，降低了生产成本，提高了经济效益，为发电机组的经济运行提供了可靠保障。

［1］ 李正军.现场总线与工业以太网及其应用系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2006.