昆山鑫源环保热电有限公司的“全厂一体化”解决方案

昆山鑫源环保热电有限公司的“全厂一体化”解决方案
昆山鑫源环保热电有限公司 邵孚友 王毅
杭州和利时自动化有限公司 王占海 陶之未
昆山鑫源环保热电有限公司的热电工程项目是按3x130T/H循环流化床锅炉及2x25MW抽凝式汽轮发电机组设计的；第一期工程为2x130T/H循环流化床锅炉及2x25MW单抽机组。该项目于2003年年初破土动工，当年的8月份，第一台机组就并网发电；9月份，第二台机组并网发电。目前两台机组都运行正常，效果理想，每台机组的最大出力可以达到30MW。
该项目的一个重要特点就是：采用了北京和利时系统工程股份有限公司的第四代DCS系统HOLLiAS---MACS，在整个热电厂的控制领域（包括锅炉、汽机、电气、化水、输煤、除灰除渣、炉内加药等），成功地实现了“全厂一体化”解决方案。下面重点介绍鑫源环保热电“全厂一体化”解决方案的有关内容。
昆山鑫源环保热电有限公司是对许多DCS系统在热电厂的应用状况进行了调查研究分析后决定的。主要有三方面的看法和考虑：
1、传统的DCS局限性---一个个“自动化孤岛”
在整个80---90年代，在电厂的控制领域，存在一个突出的问题，就是电厂的许多辅机控制系统，成为了一个个“自动化孤岛”。例如，化水、输煤、除灰、除渣、炉内加药系统，以及循环水泵房和工业水泵房等，往往采用了各个厂家各种型号的PLC系统。这些PLC通常都可以满足电厂各个独立的辅机系统的控制要求，但是它们往往难以和主厂房的DCS系统实现相互的通信和信息共享，难以实现全厂所有运行设备生产过程信息的“全厂一体化”。
也就是说，在主厂房的集控室内，在DCS系统的CRT屏幕上，往往难以看到全厂所有辅机系统的运行情况；更难以及时了解和掌握各个辅机系统发生的故障和事故情况；不能实现全厂生产信息的共享。所以它们就成为独立于DCS系统以外的一个个“自动化孤岛”。
电厂的“自动化孤岛”现象主要是由于两方面原因造成的：一方面是因为PLC本身的通信功能薄弱和落后；另一方面是因为传统的DCS局限性：没有现场总线通信结构；缺少远程I/O通信模块；并且系统本身的开放性也不理想。
当传统的DCS和PLC要想实现互连和通讯时，往往需要设置“网关”。不同厂家不同型号的PLC和DCS互连和通讯时，又需要设置不同的“网关”。而“网关”的接口软件开发费用非常高昂；并且许多PLC代理商又不能提供PLC的通讯规约和通讯协议。因此在整个80---90年代，许多电厂都未能实现DCS和PLC的互连和通讯。从而使得电厂的许多辅机控制系统（化水、输煤、除灰、除渣、炉内加药等等），都成为了一个个“自动化孤岛”。
2、信息化（Information）时代对于DCS的要求 70年代DCS刚刚推出时，主要是用于控制。30年过去了，DCS仅仅用于控制，就是一个过时的、陈旧的观念了。当代的DCS，由于其软硬件的飞跃发展，已经成为一个理想的综合信息系统，不仅仅可以实现良好的控制功能，而且已经成为最好、最及时的信息集成工具。
因此，公司的高层领导决定：进入21世纪的昆山鑫源环保热电有限公司，必须有代表21世纪水平的热电工程项目。采用最先进的DCS系统和最先进的信息集成技术，不仅仅要实现先进的控制方案，而且要实现先进的信息管理模式。目标之一就是：用一套DCS系统，来建立覆盖全厂的高效先进的实时信息集成监控系统，实现所有运行设备生产过程信息的“全厂一体化”采集、监控和共享。
其中的第一步就是：坚决消灭电厂的“自动化孤岛”现象。即用新一代采用现场总线通信结构的DCS来全面地取代PLC。
以前采用PLC的化水、输煤、除灰、除渣、除尘、炉内加药系统，以及循环水泵房和工业水泵房等，现在可以全部都放置新一代DCS系统的远程I/O模块。这些就地的远程I/O模块负责实时信息的采集和控制指令的输出。它们用一条光缆或者一对屏蔽双绞线和集控室的DCS系统相连，从而可以节省大量控制电缆；同时，这些远程I/O模块的投资也比PLC系统便宜得多。
通过这些远程I/O模块，实现了全厂生产过程所有实时信息的共享：在新一代DCS系统的任何一台CRT屏幕上，通过授权，都可以全面了解和掌握任何一个辅机系统的运行状况。同时，由DCS系统的控制单元来完成对所有辅机系统的开关量控制功能和模拟量控制功能。
3、现代化的管理模式对于DCS的要求
现代化的管理模式，要求充分提高企业的经济效益。其中的一个重要方面，就是要在热电厂实现“全能值班员”制度。即热电厂的运行人员，必须同时具有监控操作全厂所有控制系统（包括机、炉、电和全厂辅机系统）的能力。因此在整个集控室内，不再严格地分为司炉、司机和电气值班。任何一个运行人员，根据授权，可以在任何一台CRT上，分别控制任何一台锅炉、汽机、电气或者是电厂的任何一个辅机系统。
综上所述，现代化的管理模式，要求用一套DCS系统，覆盖全厂，从而可以对全厂所有的运行设备和生产状况实现全面的监控。坚决不在许多辅机设备系统旁边，再设置值班人员。包括化水车间和输煤分场，也要把运行人员减到最少。由此可见，PLC不能再用。因为一旦出现了PLC形成的“自动化孤岛”，往往就得在孤岛现场设置值班人员。为此决心实施“全厂一体化”解决方案，来全面提高整个热电厂的自动化水平、信息化水平和管理水平。
鑫源环保热电的“全厂一体化”解决方案的基本思路就是：全厂用一套DCS系统，来建立覆盖全厂的高效先进的实时信息集成监控系统，实现所有运行设备生产过程信息的“全厂一体化”方式采集、监视和信息共享；同时实现对全厂所有运行设备的实时控制。
1、“全厂一体化”解决方案的概况
整个热电工程分两期进行。第一期工程上2台130T/H循环流化床锅炉及2台25MW单抽机组。第二期工程再上一台锅炉；有可能再上一台汽轮发电机组。两期工程合用一套DCS系统来实现全厂的一体化监控。
控制方式采用炉、机、电集中控制。3台锅炉、2台汽轮机、2台发电机及升压站出线、除氧给水系统及减温减压器等设一个机炉电集控室。电除尘、气力除灰等设一个远程工作站; 同时，也可以在机炉电集控室内实现集中控制和监视。
运行人员在机炉电集控室的CRT操作站上，实现对机组的启动、运行、停机状况进行全面的监视和控制。并且负责事故处理。在巡检人员完成现场检查后，也可在集控室内直接完成对辅机系统的启、停操作以及监视。
输煤系统和化学水处理系统共设一个辅机控制室，在化水车间内。输煤和化水系统各设一台CRT操作站。化水车间和主厂房相距100米左右；它们的操作员站，通过光缆（或屏蔽双绞线）和主厂房的DCS系统实现直接互连和通信。不需要加任何“网关”之类的设备。
输煤系统运行以CRT为监视和控制中心，辅以图象监视，可以实现就地和在机炉电集控室内的正常运行工况的监视和调整；异常工况的报警和紧急事故的处理。
输煤系统的摄像监视，可通过就地的远程工作站，转换成数字信号，送往辅机控制室，在DCS系统的CRT屏幕上显示、监视和控制。同时，输煤系统的摄像监视信号（转换成数字信号后）也可以直接送到机炉电集控室内，在DCS系统的CRT屏幕上进行监视和显示。
由于实现了“全厂一体化”解决方案，在必要的情况下，通过授权，也可以在机炉电集控室内，对整个输煤系统进行必要的操作；这样输煤系统的运行人员大为减少，基本上可以实现无人值班（司炉可以兼管）。
化学水处理车间设有一个值班员，全面负责化水系统的运行监视和阴阳树脂的再生。由于实现了“全厂一体化”解决方案，因此在主厂房的机炉电集控室内，在任何一台CRT上，通过授权，也可以随时了解和掌握化学水处理车间的运行情况。必要时，通过授权，也可以直接在机炉电集控室内，对化水车间的重要设备进行启、停操作以及监视。
2、“全厂一体化”解决方案实现的功能
“全厂一体化”解决方案实现的功能包括：数据采集和处理系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS） 、顺序控制系统（SCS）、炉膛安全监视系统（FSSS）、汽机跳闸保护（ETS）、电气控制系统（ECS）。其中SCS系统还实现了对输煤、除灰、除尘等系统的控制。
实现“全厂一体化”解决方案的关键是选择一个合适的DCS系统。并不是任何一家的DCS系统结构都能实现“全厂一体化”解决方案；也不是任何一家DCS公司都能做热电厂的“全厂一体化”工程。这是因为：
1、传统的DCS系统难以满足热电厂“全厂一体化”解决方案的要求。
传统的DCS往往采用对等局域网，点对点通讯方式。这种通讯方式的特点是：对每一个操作员站要显示和控制的每一个I/O点，都必须事先由工程师站组态。
这种点对点通讯方式在实现热电厂“全厂一体化”解决方案时有很大的局限性。因为绝对大部分热电厂采用的是母管制运行方式。母管制运行方式下，往往要求全厂的CRT操作员站都能互为冗余互为备用；并且要求任何一个操作员站，通过授权，可以控制任何一台锅炉或任何一台汽机；或者是任何一个辅机系统。而点对点通讯方式难以满足这样的要求。说明如下：
例如：#1操作员站用于控制#1锅炉，那么传统的DCS的工程师站在组态时，就把所有的#1炉I/O点名和地址送入#1操作员站。机组投运后，#1操作员站就可以对#1炉所有的I/O点进行点对点通讯，采集#1炉的所有实时信息，并且以点对点通讯方式对#1炉进行控制。
那么，#1操作员站是否可以监控#2炉或者#2机呢？由于传统的DCS是采用点对点通讯方式，因此必须有工程师站事先进行了组态。一般来说，工程师站把两个锅炉或者两个汽机的操作员站组态成为互为冗余互为备用是可能的；但是一般难以把任意一台锅炉操作员站和任意一台汽机操作员站组态成为互为冗余互为备用。
因此锅炉操作员站难以看到汽机的画面；反过来，汽机操作员站也难以看到锅炉的画面。这就是传统的DCS，由于采用了点对点通讯方式带来的局限性。
所以，传统的DCS难以实现“全厂一体化”解决方案要求的所有的CRT操作员站互为冗余互为备用；任何一台CRT操作员站能够看到（甚至控制）任何一台锅炉、汽机或者任何一个辅机系统的要求。
2、传统的DCS公司的工程人员的知识结构难以胜任热电厂“全厂一体化”工程的要求
要实施“全厂一体化”解决方案，就需要熟悉热电厂各个控制领域，具有各个方面专业知识的工程技术人员。因为DCS公司的工程人员，不仅仅需要熟悉锅炉、汽机的工艺系统；掌握锅炉、汽机的控制方案，而且还要熟悉热电厂所有辅机的工艺要求；掌握各种辅机的控制方案。
例如，实施鑫源环保热电“全厂一体化”解决方案的DCS工程人员，除了要熟悉和掌握循环流化床锅炉和汽轮机、除氧给水系统的工艺和控制方案以外，还必须熟悉和掌握：电气系统、输煤系统、化水系统；除灰、除尘、除渣系统的工艺和控制方案；此外还要熟悉掌握工业电视监控系统等。这些系统都十分专业，DCS工程人员必须具备各方面的专业知识才能做好工程。
而目前一些传统的DCS公司（包括国外DCS公司的代理）工程部往往是不分专业的。热电、化工、钢铁、水泥、造纸、轻纺，有什么项目就做什么项目。并且，工程人员一般不多，通常不超过20--30人。最多也不超过70—80人。因此难以专业化；知识结构往往满足不了热电厂“全厂一体化”解决方案的要求，因此难以胜任热电厂“全厂一体化” 工程的要求。
综上所述，为了全面实现“全厂一体化”工程的技术要求，鑫源环保热电最终选择了和利时公司的第四代DCS系统HOLLiAS—MACS系统。这是因为：
1、和利时公司的HOLLiAS—MACS系统是近年内新开发的新一代DCS系统；是符合国际最新潮流的第四代DCS系统。它具有以下特征：
（1）全面采用现场总线结构；通讯协议采用国际标准的Profibus-DP总线；
（2）提供先进的远程I/O模块，可以全面取代PLC的功能；采用光缆或者屏蔽双绞线和DCS系统进行通信，最远距离可以达到3000米以上。
（3）电子元器件直接从国外著名的大公司进口；采用先进的表面贴SMT生产线加工；
（4）系统软件采用了国外先进的控制软件，并且实现了全面的汉化；
（5）采用了先进的Client/Server通信体系结构，设置有冗余的全局数据库，因此可以方便灵活地实现在任何一台CRT操作员站可以监视或控制任何一台锅炉、汽机或者任何一个辅机系统的要求。
2、和利时公司目前是国内最大的DCS公司。设有专门的电站工程部。有一批熟悉电厂的专家、高级工程师和工程技术人员。在该热电工程项目的实施过程中，和利时公司电站工程部热电专业的工程人员和鑫源环保热电工程技术人员进行了紧密的合作和配合，采用和利时公司的HOLLiAS—MACS系统，已经成功地实现了鑫源环保热电“全厂一体化”解决方案的各方面要求。目前HOLLiAS—MACS系统稳定，运行良好。