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国华盘山输煤系统PLC改造为DCS控制

2021-07-16吴松涛 李锐成 张国栋

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天津国华盘山发电有限责任公司输煤系统采用的是PLC控制系统,于1999年改造,已经运行超过18年,I/O模块以及网络通讯等故障多发,为保证系统安全运行,将该输煤控制系统更换为DCS系统控制。本次输煤控制系统改造为“在线”升级改造方式。本文通过该项目系统设计及调试过程中遇到的问题处理进行介绍,为后续类似改造项目提供借鉴。
1 概况

       天津国华盘山发电有限责任公司输煤系统的控制系统,采用的是PLC控制系统,于1999年改造,已经运行超过18年,I/O模块以及网络通讯等故障多发,为保证系统安全运行,将该输煤控制系统更换为DCS系统控制。改造为DCS系统的同时,配合厂内减员增效,将入炉煤采样、料斗称、氨区系统接入输煤系统进行监视控制。该电厂两台俄制500MW超临界参数燃煤发电机组,输煤系统作为辅助公用系统,输煤控制改造工期无双机停运间隙,因此要求输煤控制系统改造为“在线”升级改造方式。本文通过该项目系统设计及调试过程中遇到的问题处理进行介绍,为后续类似改造项目提供借鉴。

2 网络设计优化

       原PLC控制系统,输煤电子间内有主站,就地机柜分为8处,分别为#1~#8柜。在输煤电子间设置一对控制器,其余机柜均作为I/O柜依次连接接入主站,该控制网络通讯容错能力不高,由于是单网结构,当网络通讯出现故障时,故障点及其后的连接系统将失去监视和控制。该项目输煤设备比较老旧,输煤皮带的主要联锁和保护(包括保人身、保设备安全运行的重要联锁保护),如:就地急停按钮、拉绳、跑偏等保护均依靠控制系统完成,以上设备的动作触点没有直接串入电气装置控制回路。当就地机柜因为电源、网络通讯故障等原因网络中断时,就地I/O柜无DPU控制器,无法执行相应的逻辑保护动作,对设备安全稳定运行带来不利影响,因此网络通讯可靠性对该现场设备安全运行至关重要。系统网络如图1所示。

改造前输煤PLC系统网络图
 
图1 改造前输煤PLC系统网络图

       改造为DCS系统后,根据机柜物理点数量及机柜实际安装位置,考虑机柜间距离等现场条件,在输煤电子间设置一对DPU,就地设置五对DPU,将整个系统划分成多个DPU控制器,分散了控制风险。将DPU控制器前置,设置多个DPU远程控制站。即使通讯中断,就地远程控制的DPU控制器仍然进行数据的采集和逻辑运算,使煤设备最基本的保护可以及时、准确地进行联锁动作,避免了通讯中断导致的设备保护拒动问题。采用128/129网段冗余“点对点”通讯方式,每个远程控制站与输煤控制室之间直接通讯,解决网络“瓶颈”问题,控制故障影响范围;网络设备采用冗余电源设计,实现了网络设备冗余、通讯介质冗余、电源冗余,整体提高了系统网络的容错能力,从而提高了网络通讯的安全性及可靠性。系统网络如图2所示。

改造后输煤DCS系统网络图
图2 改造后输煤DCS系统网络图

       机柜及控制站对应关系如表1所示。

机柜及控制站对应关系
表1 机柜及控制站对应关系

3 远程机柜系统接地异常

       输煤系统10A/10B机柜与输煤控制室0米处,机柜接地接入电缆夹层电气地网扁铁上。

       剩余机柜作为远程控制柜,通常采用就近接地的方式。然而在系统调试的过程中发现,11A控制柜个别DI信号发生频繁翻转,就地对异常通道进行查看,发现11A控制柜通道未开始进行接线,不应该存在DI信号翻转问题。对问题现象进行分析发现,该面控制柜位于输煤栈桥的45米平台的电子设备间,机柜的工作地和保护地采用就近接地方式,直接与电子设备间的电气扁铁连接,而电气地网与建筑物结构钢梁连接,建筑物各层之间通过结构钢梁连接,理论上是等电位。但是对于大型电动机等高压设备运行时,有可能将其附近的电位提升,影响DCS机柜的接地点电位,从而使DCS系统的参考零点电位出现波动,当参考零点电位波动大于DI通道的门槛电压时,即使是通道未接线的状态,逻辑采集结果为“TRUE”。为解决该问题,直接将非0米的远程柜的机柜接地(工作地、保护地)都直接引接地线到建筑物0米的电气地网上,并且该接地点附近15米范围没有大电流传入的可能(远离高压电机、高压配电柜、防雷引下线、避雷针等设备接地点)。


4 DI信号检测方案的确定

       该项目改造方式为替换原PLC机柜,保留PLC系统至就地设备电缆,原PLC系统DI信号采用有源单线220VAC信号,PLC系统I/O卡件端检测信号线是否有220VAC电压,作为信号为“true”或“false”的检测标志。

       方案一:火电行业DCS系统对于DI信号检测通常使用48V/24VDC查询电源,由DCS侧提供查询电源,另一端就地设备端为“无源干节点”的方式。参考电气系统DI公共端的应用经验(多组DI信号使用一根公共线),将就地有源信号变成无源信号,由DCS提供48VDC查询电源。

       方案二:继续使用有源单线220VAC作为DI输入,如果采用火电行业常规DI模块(即无源输入),就需要在机柜内增加继电器实现电气隔离,就地220VAC驱动继电器线圈,使用继电器的辅助触点控制DI模块通道,并同时需要考虑继电器在机柜的安装空间问题,另外,增加中间继电器也意味着增加了故障点。

       方案三:继续使用有源单线220VAC作为DI输入,需要选用可以接收220VAC有源单线DI信号的卡件,可以避免增加中间继电器带来的增加故障点及安装空间问题。经现场勘察发现该项目输煤系统信号电缆采用的是非屏蔽电缆,现场电缆感应电比较严重;另外,原系统运行多年,电缆可能存在老化问题,电缆绝缘材料老化漏电而影响到其他传输信号,易产生信号干扰问题,因此要求改造后的DCS系统抗干扰能力更高。通过比较不难发现,DI信号使用220VAC查询电源方案优于48VDC查询电源方案,通过提高传输信号的电压等级,可以有效地提高信号传输的可靠性;因此可以选用和利时公司自主开发的K系列硬件产品K-DIR03模块,该模块为16通道交直流高电压数字量输入端子板。

       关于K-DIR03模块,该模块前八个通道共用一个N,后八个通道共用一个N(N为220VAC/DC的参考零位),两组通道(通道1~8、9~16)相互独立,每组通道可以单独设置有源单线、有源双线、交流或者直流80 Technology技术纵横回路,设置方式根据硬件说明通过修改K-DIR03内部跳线,以满足项目不同的配置要求。K-DIR03模块每组内通道间共用一个N,因此使用时需保证同一模块的每组8通道所连接的电源具有相同电位的参考零位N。如果使用DCS侧提供220VAC作为查询电源,因为电源来源唯一,所以N不存在电位差的问题。带来的问题是:就地设备信号反馈回路一旦发生接地或短路,整个机柜的查询电源失电,这对于系统安全运行而言,是个较大的安全隐患。如果使用就地设备电源提供查询电源,电源回路一旦发生接地或短路故障,单个设备空开断开,不会影响其他设备正常运行,实现故障隔离的效果;与此同时可以直接锁定故障设备范围,便于故障排查处理工作。那么,需要确定分散各处的就地设备所提供的查询电源,是否具有相同电位的零线N。

       对于火电发电厂区域内电气专业设计有电气地网,将区域内的建筑物地网连接在一起,建筑物内10kV/6kV变压器根据电力相关的规范要求,均采用中性点N接地方式,即采用TN-S系统,所以可以认为一个电气地网区域内的变压器中性点都使用的是一个“地”。380/220VAC供电采用三相四线制,使用任意“相线”与N线组合提供220VAC电源。所以得到以下结论:只要使用一个电气地网的三相四线制的供电,N线就是等电位。结合本项目为输煤系统改造,虽然输煤系统设备比较分散,具有八个远程控制柜,但是就地设备的电源都取自输煤变A/B段下的动力段电源,所以就地设备所提供的220VAC的N均是等电位的。因此在K-DIR03模块应用设计中,对于DI点分配通道整理时,无需考虑是否属于同一设备供电回路,并且完全可以将柜内多个K-DIR03的N连接在一起。最终确定对于DI信号为有源220VAC单线进线方式,硬件配置方案为:K-DI01(DI模块)+K-DOT01(模块底座)+K-DIR03(接线端子板)。对于DI信号为无源干接点信号采用常规的配置:K-DI01(DI模块)+K-DIT11(模块底座)48VDC方案。


5 改造效果

       总体实施按照先对“甲侧”皮带进行改造,升级过程中“乙侧”皮带保持正常可投用状态,待“甲侧”皮带“逆煤流”程控启动,“顺煤流”程控停止,皮带间的联锁调试完成后,再对“乙侧”皮带进行改造的计划安排,最后进行输煤皮带路径选择联调控制功能,实现输煤系统全自动上煤,皮带间的联锁及保护功能动作准确。此外,应用和利时公司自动配煤方案,通过本次改造,该现场实现了对煤仓的自动配煤功能,从而大大降低了运行操作人员的操作强度。

       本项目使用的是和利时公司HollySys MACSV6系统,硬件为K系列产品,和利时控制系统目前已经发展到第5代产品,作为国产控制系统,组态软件界面及说明均为中文,人机交互友好,系统操作人员及维护人员经过短时间的培训即可上岗。本次控制系统改造,提高了输煤系统控制安全性及可靠性,极大地降低了运行人员工作强度,降低了系统维护难度,同时提高了维护人员系统维护水平。


6 总结

       (1)本项目将PLC改造为DCS系统,提高了系统网络的可靠性,实现“点对点”的冗余传输;提高了系统的兼容性,将零散系统通过通讯的方式接入DCS系统,统一在DCS系统界面进行监控;提高了系统的延展性,后续将该项目的氨区、热网等系统进行集中控制成为可能。

       (2)对于PLC系统改造为DCS系统时,需要确定信号类型及动作回路,对于非常规使用的信号类型进行逐项进行落实,制定改造方案。

       (3)重视对改造系统环境的勘察,关注系统电源供电、系统接地、信号电缆等因素的影响。

       (4)重视用户的需求及反馈的问题,如:原系统常见的问题及故障等,针对具体问题,制定解决方案。

       作者简介:

      吴松涛(1983-),男,吉林敦化人,工程师,学士,现就职于杭州和利时自动化有限公司,主要从事火电厂热控自动化系统方面的设计、调试和应用研究。

       参考文献:
       [1] 杭州和利时自动化有限公司.HOLLiAS MACS K系列硬件使用手册[Z].
       [2] 杭州和利时自动化有限公司,HOLLiAS MACS V6.5.软件使用手册–软件在线帮助[Z].2016.
       [3] 王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社,2010.
责任编辑:杨培
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