PCS7过程控制在600MW火电机组中的应用

2022-10-24

火力发电是我国现阶段能源工业最重要的方式之一, 其温度, 压力, 液位等重要的过程参数的采集都离不开高精度的工业控制系统。分布式控制系统 (DCS) 广泛应用于国内大型火力发电机组, 很大程度上提高了单元火力发电机组的数据采集与处理、生产过程控制、逻辑控制、监视报警、连锁保护、操作管理的能力和水平。其中, SMATIC PCS7是西门子公司自20世纪末推出的新一代控制系统, 它包含了过程工业所需的连续性控制、逻辑、批处理及故障安全的全部功能。本文以某电厂600MW火电机组为例, 介绍其控制系统设计。

1 600MW火电机组DCS系统架构

大唐集团某火力发电厂1、2号机组采用机、炉、电、网及辅助车间集中控制方式, 两台2*600MW机组共用一个集中控制室, 不单独设电气网络控制室及辅助车间系统的控制室。机、炉、电 (包括发电机——变压器组及厂用电源) 的监视、控制和保护由分散控制系统实现。集中控制室设置在综合控制楼13.8m层, 设置由CRT和大屏幕显示器构成单元机组以及附属设备的监控中心。每台机组设计有两块辅助控制盘, 盘上布置汽包水位电视, 炉膛火焰电视、汽包水位电触点水位表, 以便于这些重要参数的监视。电子设备间位于集中控制室后部, 布置DCS机柜、DEH机柜、电源柜等设备。在13.8m层还布置SIS、网控、远动等系统设备小间, 室内则布置上述系统的操作员站、工程师站及其机柜。

整个系统的结构可以分为3层。

(1) 控制器层:通过现场总线层实现对现场仪表监测和输出控制。

(2) 系统网络层:所有现场控制器、服务器、工程师站及操作员单站通过系统网络连接到一起。

(3) 终端网络层:所有服务器、客户机操作员站通过终端网络层连接到一起, 客户机操作员站通过服务器获得控制器层的数据并将操作员指令传达到控制器。

2 PCS7系统在600MW火电机组中的应用

2.1 PCS 7系统介绍

PCS7是一种模块化的基于现场总线的新一代过程控制系统, 结合了传统DCS和PLC控制系统的优点。系统的所有硬件都基于统一的硬件平台, 所有软件也都全部集成在SMATIC程序管理器下, 有同样统一的软件平台。系统大量采用了新技术, 在网络配置上, 使用标准工业以太网和PROFIBUS网络, 由于PCS7消除了DCS和PLC系统间的界限, 真正实现了仪控和电控的一体化, 是一种全集成自动化的开放型过程控制系统。

2.2 现场控制单元—自动化站

西门子PCS7采用在线冗余容错的CPU技术, 通过具有诊断功能的卡件连接冗余开关量/模拟量信号, 而且支持具有HART、PROFIBUS、FF协议的智能现场仪表。自动化站从控制器、控制回路、I/O板卡, 各类通讯卡件皆冗余, 提高了系统的可靠性。西门子PCS7冗余的CPU机架在物理、电气上完全隔离, 通过光纤连接实现同步每个机架有2个PROFIBUS-DP通信模块, 通信速率可达到1 2 M b i t/s。

2.3 ET200M分布式I/O站

ET200M分布式I/O站由DIN安装机架、BM总线模板、IM153-2通讯接口模块及高可靠的I/O信号接口模块组成。现场控制站的ET200M分布式I/O站通过PROFIBUS-DP现场总线与AS-417H中央控制器进行实时通讯, 主要功能是采集I/O信号, 通过ET200M的I/O信号接口模块将现场数字量或模拟量信号传送到中央控制站, 同时将中央控制器发送来的控制信号送至现场。在600MW火电机组中, 所有现场信号接入ET200M I/O板卡中, 通过PROFIBUS-DP总线与现场控制器相连, 信号类型分为:TC、RTD、AI、AO、DI和DO。对于所有的信号类型, 都使用了MTA (Marshalling Termination Assembly) 集成端子板, 提高了系统的可靠性。对于所有需要控制的信号, 系统提供I/O侧的冗余功能, 即一个现场信号在进入PCS7系统后, 同时接入到两个不同的I/O板卡中。这样, 当其中一个板卡有故障时, 生产过程依然可以正常运行, 保证了PCS7系统的高可用性。

2.4 网络

利用PCS7支持多种不同的通讯总线技术和结构, 可以适应不同的网络规模和系统性能要求。系统网络和终端网络可合并也可分开, 可根据需要采用线型、环型、星型或混合型拓扑结构。配有多种传输速率为10/100/1000Mbit/s的光电转换器, 可用于电信号网络或光纤网络。

600MW火电机组控制系统网络结构分为下层控制网和上层管理网:下层控制网采用同轴屏敝电缆, 适合欧洲PROFIBUS标准, 通过每个ET200M上的IM 153-1通讯卡与A S4142DP控制器互相连接, 满足现场信号的采集、处理和控制器的通讯, 为PROFIBUS-DP现场通讯网。上层管理网分为二类。一类为采用同轴电缆, 也适合欧洲PROFIBUS标准。通过OS站、ES站和控制器上的CP443-5通讯卡相连接, 满足操作员站、工程师站对现场设备的监视、控制和管理, 实现数据共享。另一类为采用同轴细缆, 符合TCP/IP协议工业以太网, 通过OS站、ES站的D-LINK网卡连接, 主要实现工程师和操作员站之间文件管理、拷贝。

2.5 OS服务器

PCS7系统OS服务器运行在Microsoft Server 2003操作系统上, 可靠、便于维护与扩展, 服务器为DCS提供操作层面的中央数据库。该数据库包含项目数据、过程值、来自AS的报警和消息。服务器可与多个OS客户机链接, 这意味着各个OS客户机可与多个OS服务器进行数据交换, 即多客户机模式。这种分布式系统的优点, 可以将一个工厂划分成几个独立工艺装置, 将相应数据分配给几对OS服务器, 便于系统扩展, 从而提高系统的可用性。在需要时, 操作员可从任何过程区域查看过程数据工程师站。

3 结语

西门子的PCS7系统, 无论是硬件系统还是软件工程, 都是在一个统一的SIMATIC产品平台上, 保证了工程的高质量、高可靠性、标准化、易维护性。作为过程控制系统的PCS7, 实现DCS, SIS、AMS, PLC共享统一的自动化站软硬件平台、网络通信、组态工程师站、监控系统、实时与历史数据库管理、时钟同步、OPC服务器系统等, 更好地满足了火电机组过程控制的操作连续性、可靠性、稳定性、开放性、规模化等要求。

摘要：本文对600MW火力发电机组的分布式控制系统进行了研究和阐述, 分析了西门子SMATIC PCS 7系统在火电机组过程参数控制的架构, 构建了系统应用中的自动化站, I/O站, 网络, OS服务器等子系统。

关键词：PCS7,DCS,火电机组