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热电机组DCS硬件分层设计和模块化组态方法

发布时间:2013-12-12 来源:中国自动化网 类型:专业论文 人浏览
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关键字:

DCS

导读:

通常热电机组装机容量较小,受外界环境、燃料质量的影响较大,对控制系统的可靠性、稳定性、实时性要求较高,并且要求控制系统具有故障诊断、自动报警功能和良好的人机界面。本文以山东省某热电厂二期50MW机组为对...

    通常热电机组装机容量较小,受外界环境、燃料质量的影响较大,对控制系统的可靠性、稳定性、实时性要求较高,并且要求控制系统具有故障诊断、自动报警功能和良好的人机界面。本文以山东省某热电厂二期50MW机组为对象,进行DCS硬件分层和软件模块化的设计。该机组采用美国ABB公司生产的Freelance 800F DCS,其总体结构见图1。
                    
一、DCS硬件分层设计
1.1 DCS基本构成

    DCS硬件系统可分为过程控制站、DCS通信网络、I/O控制单元、操作员站(OS)、工程师站(ES)。根据操作员站和工程师站的不同功能,系统结构从下至上分为现场设备层(下层)和操作管理层图(上层)2层,其拓扑结构见图2。
                    
   (1)操作管理层用于控制逻辑和控制画面组态,根据需要设计了 4个OS和1个ES。操作员站采用4台戴尔工业级计算机,在Windows XP系统下安装有ABB 800F Digivis 9.1监控软件,该软件的画面设计较人性化,其取消了滚动条功能,提高了整个系统的安全性。工程师站采用1台戴尔工业级计算机,在Windows XP系统下安装有 Control Build F 9.1软件,该软件能够较完善地模拟控制器,在现场无法连接控制器的情况下可方便地模拟控制器,以设计功能块的功能提高工作效率。
    (2)现场设备层采集现场设备状态信号,并且执行顺序控制逻辑,通过通信网络发送数据至控制器,实现顺序控制。在现场设备层中过程控制站是DCS的核心,过程控制站由控制器和I/O模块组成。为保证控制系统的可靠和稳定,采用可与多种现场总线(Profibus,CAN,FF)连接的AC 800F冗余控制器。控制器作为主站最多可与126个从站连接,每个I/O模块从站可连接多个现场设备。由于该热电机组容量较小,控制设备少,因此锅炉和汽轮机控制各采用1对冗余控制器。AC800F控制器接收和处理来自现场设备的数据和操作信息,形成统一的实时数据库,将重要的数据存储在历史数据库中,以便于系统故障原因分析。控制站中2个冗余控制器具有相同的硬件配置,主控制器和备用控制器与1个通信模块(CI801)相连。在正常运行状态下,2个控制器具有同样的数据库,主控制器完成控制功能。如果主控制器故障,将自动切换至备用控制器,在主、备控制器切换时远程I/O单元的输出保持不变,系统运行不受影响。
1.2 系统网络
    系统网络可分为计算机以太网(上层)和现场控制网络(下层)2层。以太网用于 ES、OS、过程站(PS) 之间的通信,其采用标准TCP/IP协议和屏蔽双绞线进行数据通信,传输速率为100Mbit/s。现场控制网络采用标准Profibus现场总线实现控制器与I/O单元之间的数据通信,传输速率最高为12Mbit/s闭。该2层网络配置灵活,便于网络拓展。
二、DCS软件组态的模块化设计
   组态设计采用CBF9.1软件,其包含用于过程控制的功能块。但是,对于一个比较复杂的被控设备,如果仅仅利用已有功能块进行控制逻辑组态将十分复杂,而且不便于维护和修改。对此,针对某一类控制类型相近的设备,或者某一类控制方式,将其控制过程中所需的功能块按照一定的逻辑进行组合,形成新的功能块,在控制逻辑组态时调用该功能块,从而大大简化了程序设计,增强了程序的可读性。 
    根据设备特性,将引风机、送风机、磨煤机、排粉机划分为风机类,其控制功能为联锁投入/解除、合闸/分闸许可、手动合闸/分闸、保护合闸/分闸、联锁合闸/分闸、故障报警等。为了保证对风机的正确操作,在操作面板(图3)上显示风机的状态。
                    
    为保证设备的开关状态和操作面板的操作指令一致,将DCS 输出的合闸/分闸指令信号保持至接收到设备已合闸/已分闸的反馈信号为止。为此,采用SR触发器,将操作短信号转化为长信号,收到设备已合闸/已分闸的反馈信号后复位合闸/分闸指令。模块化设计的风机类设备控制功能块见图4,其引脚说明见表1。
                    
                    
    将磨煤机作为风机类设备,其控制逻辑见图5。图5中OS用于设备联锁控制的投入/解除和手动合闸/分闸的操作,并显示设备状态。
                    
    采用风机类控制功能块的磨煤机控制逻辑组态见图6,该控制逻辑组态简洁,便于调试和修改。
                    
三、结语
    介绍了DCS设计中的硬件分层和组态软件模块化设计方案,该设计方案能够使繁琐的设计规范化、简单化,便于控制系统的维护和控制逻辑组态的修改。将该设计方案应用于山东某热电厂机组DCS,投运后系统未出现故障,取得了良好的控制效果。

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