楊震力1邵軍偉1徐海峰2
1. 浙江省舟山朗熹發電有限責任公司，浙江 舟山 316012
2.南京科遠自動化集團股份有限公司，江蘇，南京，211100
摘要：本文基于舟山朗熹發電廠二期工程#3機組（1×300MW）上的工藝系統，介紹了NT6000分散控制系統的系統配置，重點闡述了NT6000的可靠性設計，并對系統投運后機組正常運行期間，利用NT6000的在線組態功能增加快減負荷的的應用進行討論。
關鍵詞： NT6000DCS控制系統；可靠性設計；在線組態；
0. 引言
現代工業分散控制系統（Distributed Control System，DCS）主要是以微處理器為基礎，融合計算機技術、測量控制技術、網絡數字通信技術、顯示與人機界面技術而成的現代控制系統，是大型流程工業控制的核心。
其中，新興發展的NT6000 分散控制系統是由南京科遠自動化集團根據多年的工程實踐、自主創新研發的智能型控制系統，可靠性高，組態方便，升級靈活，雙網并行且支持多重冗余，其軟、硬件均達到或超過國際標準或主流工業級產品標準，大大提高了控制系統的穩定性與可靠性，進一步提升了工業自動化與信息化水平。
眾所周知，舟山是我國的第四大島，是一個由群島組成的城市。島上的用電主要由舟山朗熹發電廠提供的，同時又有跨海架空線與大陸電網相連（22萬Kv）。2009年，舟山朗熹電廠擴建一臺300MW燃煤機組，采用NT6000 DCS控制系統，并與2010年10月21日順利投產，系統在安全性，經濟性方面均取得了滿意的效果。
本文基于NT6000 DCS控制系統在舟山朗熹電廠上的應用，重點闡述了NT6000DCS控制系統可靠性設計思想，及在I/O卡件、控制器、電源及網絡冗余方面的說明，并對系統投運后機組正常運行期間，通過NT6000的在線組態功能增加機組快減負荷的應用進行討論。
1. 舟山電廠工藝介紹
舟山朗熹電廠3號機建設規模為1*300MW亞臨界燃煤機組，采用上海鍋爐廠生產的SG-1025/17.5-M8，1025t/h亞臨界控制循環汽包鍋爐，一次中間再熱，單爐膛，四角切圓燃燒方式，燃燒器擺動調溫，平衡通風，固態排渣，半露天布置。
汽輪機采用上海汽輪機有限公司生產的N300-16.7/538/538亞臨界、單軸、雙缸雙排汽、中間再熱凝汽式汽輪機。
發電機采用上海汽輪發電機有限公司生產的QFS2-300-2雙水內冷汽輪發電機。
整體系統按單元制機組設計，主蒸汽、高溫再熱蒸汽管道均采用一分兩進汽輪機系統設計，低溫再熱蒸汽管道采用一分兩進鍋爐再熱器，高壓給水采用大旁路系統，每臺機組配置2×50%汽動給水泵＋1×50%電動調速給水泵，凝結水系統設置中壓式精處理裝置，循環水系統采用擴大單元制海水直流供水系統，汽機旁路系統采用30%BMCR旁路,機組采用按定-滑-定運行方式。
制粉系統選用中速磨直吹式，鍋爐配有五臺磨煤機及給煤機，正常運行時四運一備。
煙風系統采用平衡通風方式，空氣預熱器采用三分倉回轉式，配兩臺一次風機，二臺送風機，二臺引風機及二套電除塵裝置。
2. NT6000控制系統介紹
NT6000 DCS控制系統由人機界面MMI（包括操作員站和工程師站）、控制網絡（ENET）、分散處理單元（DPU）、I/O網絡(EBUS)和I/O模件等部分組成。
本工程采用DCS與DEH一體化結構，DEH液壓部件由上海汽輪發電機有限公司提供，DEH控制邏輯由汽輪廠的自控中心提供框圖，采用與DCS一致的軟硬件實現DEH的控制，從而提高了系統數據的共享性，與操作維護的方便性。
分散控制系統（DCS）包括數據采集系統（DAS）、協調控制系統（CCS）、順序控制系統（SCS）、鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）、汽機調節系統（DEH）、小汽機電液調節系統（MEH）。
本工程配置的DCS配置點數為7984點，實際使用6476點，備用率23.29%；DEH、MEH配置點數為：340點，實際使用229點，備用率48.47%；脫硫系統配置點數為736點，實際使用641點，備用率14.82%。
圖1 DCS配置系統圖
DCS控制系統分成幾個區域如圖1所示：
（1）鍋爐電子設備間；
（2）汽機電子設備間；
（3）公用系統設備間；
（4）脫硫電子設備間；
（5）工程師站；
（6）操作員站；
（7）遠程I/O柜。
控制網絡為雙環形網，同一個電子設備間的網絡連接采用超五類線，不同電子設備間之間的網絡采用光纖，采用光纖可避免網線經過電纜架橋引入的電磁干擾。遠程I/O柜采用光纖與控制器的I/O網絡接口連接。公用系統及脫硫系統都有獨立的操作員站，根據實際需要在就地可設運行人員，實現就地操作，也可以在主控室直接對公用系統及脫硫系統進行操作，就地操作與遠方操作可互相閉鎖，目前循泵房為無人值班運行方式，其相應的監視操作由主控室完成。
NT6000DCS網絡配置簡單，只有一層控制網，各個機柜之間的通訊通過控制網完成，控制網需要現場布線安裝。IO網絡在機柜內部，通過預制電纜實現控制器與IO卡件的連接。機柜內部只有少量的布線，結構清晰，空間大。由于內部機柜布線少、連接方便、IO卡件通過接插件連接等工藝，保證了機柜內部接線錯誤可能性很小。與外部接線用的端子為可插拔式結構，每只端子只接一根線，公共線在IO底座上共線，不需在端子上共接，所以電纜施工方便，查找問題簡單，維護工作量少。
3. 單元機組分散控制系統配置簡介
整個DCS系統包括42只2200×800×600mm標準NT6000機柜、2只2200×800×500mm遠程柜（其中主機DCS機柜34只、主機DCS遠程柜2只、DEH機柜4只、FGD機柜4只）。整個DCS只使用一種控制器KM940A，單元機組共26對。另外，本DCS系統和ECMS、同期裝置以及電除塵等之間進行通訊（MODBUS485），這些系統根據運行需要可直接在DCS操作員站進行操作監視。
系統配置操作員站4臺、值長站1臺、工程師站1臺、DEH工程師站1臺、歷史數據站1臺、SIS接口機1臺、大屏幕（兼做備用歷史數據站）1臺。
系統的配置嚴格按照二十五項重點要求及《火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控》技術措施進行。
控制器均采用冗余配置，按重要保護和控制分開的獨立性原則進行配置，重要的并列或主/備運行的輔機（輔助）設備都分別配置在不同的控制器，如5臺磨煤機系統配置5對DPU， FSS獨立配置一對DPU，1臺電泵2臺汽泵都獨立配置DPU，送風機、引風機、一次風機、空預器、凝結水泵、真空泵、重要冷卻水泵、重要油泵、循環水泵等都分別配置在不同的控制器中，這樣任何一對DPU故障時對系統的影響較小，處理故障時的安全措施簡單。
根據控制對象實時性要求的不同，控制器能方便地調整控制周期，如小汽機MEH的轉速控制要求有高的實時性，DPU控制周期就設置為50ms，FSSS、DEH要求有較高的實時性，DPU控制周期就設置為100ms，其它的對實時性要求不高的，DPU控制周期就設置為200ms。
整套控制系統設計時做到，重要信號三重冗余，次重要信號二重冗余，DCS系統共享的重要控制信號通過硬接線連接。
4. NT6000的可靠性設計
根據國家標準GB-6583的規定，可靠性是指元件、產品、系統在規定的條件下、在規定的時間內無故障地完成規定的功能的能力。具體內涵如下：（1）DCS 系統必須保證能長周期連續地無故障運行，即裝置生產期間運行率要達到100%；（2）系統發生故障時，必須具有故障自檢功能、報警功能及安全保護功能；（3）故障可在線修復，其平均修復時間MTTR 越短越好。對于大型分散控制系統而言，可靠性是所有性能指標中最重要的。NT6000在系統設計中，廣泛借鑒了國內外控制系統技術的發展成果，在元器件選擇、模件設計和系統設計上采取了多種可靠性措施。
NT6000 DCS的核心模件均采用堅固的鋁合金封裝，具有良好的散熱效果和電磁屏蔽性能，密封型封裝設計對惡劣環境有更強的適應能力。控制器、I/O卡件等部件均通過了嚴格的電磁兼容測試，至少符合三級標準。能夠在現場復雜電磁環境中長期穩定工作，而不一定布置在傳統的對環境溫度電磁屏蔽有著嚴格要求的電子設備間。
NT6000 DCS的分散處理單元KM940，采用軍工級的PowerPC芯片8247，支持精簡指令集（RISC），主頻400MHz，相當于Pentium400MHz芯片的運算能力，并具有更強的通訊處理能力和低功耗環境適應性。
KM940的主從控制器采用同步運算的冗余策略，備用控制器也參與實時邏輯運算。避免了傳統設計中，備用控制器僅跟蹤主控制器，不進行控制運算，這會在冗余切換后造成切換瞬間數據擾動。創新的冗余策略具有更高的可靠性。
KM940的I/O通訊總線eBus為單層設計，KM940直接與每塊I/O直接通訊，速度更快；eBus總線被分為12段物理隔離的分支，每段分支的電氣故障不影響其它分支的正常運行，可靠性更高。
KM940的冗余控制網絡eNet構架在兩個物理隔離的冗余工業以太網絡上，單個網絡的任何故障，包括網絡風暴都不會影響另一個網絡的正常運行。eNet上的每個網絡設備都具有兩個獨立的網絡接口，單個網口的故障，并不影響系統的正常運行。eNet的兩個網絡是同時工作的，發送的數據在接受端進行數據過濾和冗余處理，如果發生網絡的冗余切換，切換時間等于零，在數據應用上沒有中斷和延時。
NT6000的eNet網絡采用基于組播技術的控制器主動發送機制，由KM940控制器根據數據的變化情況，進行主動地發送。由于DCS的主要通訊流量為控制器上行至操作站的數據流向，這種設計方案會稍稍加大操作站的通訊處理負荷，但能夠大大降低網絡負荷和控制器負荷。在設計10臺全功能站的DCS中，基于組播技術的控制器主動發送機制的網絡負荷是傳統方案的1/10，而控制器的通訊負荷也為傳統方案的1/10，而且隨著操作站數量的增加，網絡負荷和控制器負荷是恒定。恒定的低負荷帶來的更好的任務確定性和更高的可靠性。
在大型復雜系統中，DCS的管理往往隨著規模的增大變得困難，雖然各個模件都設計了自診斷功能，但是缺乏直觀有效的管理界面。在DCS出現冗余部件的損壞之后，由于缺乏直觀的自診斷界面，維護人員無法及時排除故障，DCS實質上處于單部件運行狀態，當兩只冗余部件全部損壞，系統才會發現有后果故障。因此自診斷界面的設計也直接關乎DCS的可靠性。
在NT6000控制系統上層，設計了直觀易懂的系統診斷畫面，收集每個控制器、I/O卡件、操作員站的自診斷信息，并集成處理和顯示。一旦出現故障報警，系統診斷畫面將直接提示相應的故障部件，引導維護人員進行維修。整個故障的過程都會產生詳細故障記錄，便于事后分析。
5. NT6000在線修改實現快減負荷功能
舟山電網與大陸電網聯電只有兩條，當一條線路故障時，線路只能滿足200MW輸送能力，在此情況下，要求在20秒內機組的供電能力要從300MW瞬間降至200MW，此功能我們稱之為線路故障時快減負荷。
在電網提出快減負荷的要求時，舟山的300MW機組已經完成168測試，進入商業運行階段，而快減負荷功能又牽涉到大量的邏輯修改和功能試驗，NT6000控制系統支持在線組態功能，使得機組能夠在正常運行時，完成快減負荷添加，這樣避免因機爐停運而帶來的不必要的損失。
NT6000每只控制器能夠支持500頁相對獨立的SAMA圖邏輯，每頁SAMA圖又可以獨立的修改并且無擾下裝。同時，在此工程中，閉環控制與機組主保護邏輯配置了獨立的控制器，快減負荷的功能主要涉及鍋爐閉環控制和汽機DEH控制，與主保護控制器沒有關聯，這也為組態在線修改創造了良好的條件。
通過NT6000控制器的在線組態，調試人員將快減負荷的邏輯下裝到閉環控制器中，并進行了大量的組態修正和在線試驗，最終成功實現快減負荷功能，機爐一體化動作，送引風機出力一致，調門快速動作，保證負荷快速下降，主汽壓力在可預見范圍內波動。
6. 結論
實踐證明，NT6000除了調試過程中硬件方面發生過一次IO底座線路板因操作不當，被外接強電燒毀外無其他硬件方面的故障；其上下位機能靈活使用，控制運算周期快，支持雙網實現多重冗余，大大加強了系統的可靠性與穩定性；同時，系統具備真正的在線組態能力，在機組運行過程中，增加并調試了快速減負荷功能，效果優良。綜上所述，NT6000分散控制系統基于軟硬件一體化架構，在舟山電廠300MW機組應用，取得了良好的效果。
