曾金發

（貝加萊工業自動化（上海）有限公司 技術部，上海210000） 

摘  要：以秸稈和林業廢棄物為主要原料的生物質發電技術，是充分利用可再生資源
，大力發展循環經濟的一種重要嚐試。本文介紹貝加萊APROL DCS在黑山生物質發電廠中的應用。作者概述了生物質發電廠的工藝流程和係統需求
，給出了基於APROL DCS的係統拓撲架構和配置，著重描述了該係統的各主要控製單元及其功能以及APROL DCS的冗餘結構。該項目的設計和成功實施充分體現了B&R APROL係統對於複雜工藝過程的整體控製和適應能力。

關鍵詞：APROL DCS；生物質發電技術；係統架構與配置；係統功能；控製單元

 

秸(jie)稈(gan)是(shi)一(yi)種(zhong)可(ke)再(zai)生(sheng)能(neng)源(yuan)
，每(mei)年(nian)
，大(da)量(liang)的(de)秸(jie)稈(gan)在(zai)田(tian)間(jian)被(bei)燒(shao)掉(diao)不(bu)僅(jin)僅(jin)是(shi)能(neng)源(yuan)的(de)耗(hao)費(fei)，而(er)且(qie)是(shi)對(dui)環(huan)境(jing)的(de)汙(wu)染(ran)，同(tong)時(shi)也(ye)給(gei)高(gao)速(su)公(gong)路(lu)和(he)機(ji)場(chang)航(hang)空(kong)造(zao)成(cheng)了(le)一(yi)定(ding)影(ying)響(xiang)，並(bing)且(qie)焚(fen)燒(shao)秸(jie)稈(gan)還(hai)容(rong)易(yi)引(yin)發(fa)火(huo)災(zai)。2004年開始，國能生物質能發電有限公司擔負起國家關於以秸稈、林業廢棄物為原料的生物質發電項目的重任。發展農作物秸稈直燃發電，不僅節能
、環保、而且效益顯著。有專家指出，可供直燃發電的2億噸秸稈折合標準煤1億噸。以秸稈代替煤炭作為發電新能源
，是我國生物質能發電領域的重要突破，是利用可再生資源
、大力發展循環經濟的重要嚐試
，有利於經濟增長方式的轉變和農村經濟的發展。

通過生物質發電項目的逐步實施
，使得焚燒得到控製
，在獲得電能的同時，環境汙染
、有害氣體排放方麵也得到了有效的控製，其廢料-灰渣可以作為高效複合肥返回農田，在將能量轉化為電能後，其生物體依然可以作為生物廢料返回農田
，真可謂一舉多得。

黑山生物質發電廠項目中配置了一台12MW的凝汽式汽輪發電機組和一台48噸高溫高壓蒸汽鍋爐作為核心工藝段，同時包括上料、爐前料倉

、化水、電氣等輔助工段。該係統涉及到DCS的I/O點數約2600點，其中模擬量699點。具體的工藝流程如圖1所示。

 

圖1  生物質發電廠的工藝流程

 

在係統的前期論證過程中
，黑山生物電廠和係統集成方――中國電科院以及貝加萊（中國）的工程師們進行了深入的探討和技術交流，並對係統需求進行了確認。簡述如下：

（1）           該係統需要提供針對數據服務器、DPU、現場總線和I/O總線的冗餘
；

（2）           汽輪機、鍋爐主控

，可自定義功能設計

；

（3）           設置GPS校時和SOE事件順序記錄；

（4）           滿足標準要求的審計追蹤功能設計；

（5）           具備與第三方設備通訊的能力


；

（6）           具備係統自診斷功能

，包括服務器、CPU和I/O的自診斷能力。

對於上述複雜而嚴格的要求，B&R APROL DCS係統憑借其良好的性能和快速的功能響應
，提供了整個電廠主控、輔控一體化的控製方案，並得到實施。

 

APROL DCSzuoweidajiangaixitongderuanyingjianpingtai
，manzulefuzakongzhigongyihegongnengdeyaoqiu。zhenduijutidexitongxuqiugoujianleyouhuaderongyukongzhishejifangan
，qudelelianghaodekongzhixiaoguohewendingxing。

對於連續生產過程，DCS係統必須保證數據的連續性和過程記錄的可追溯性，這就對係統的冗餘提出了要求，而B&R的APROL DCS係統很好地滿足了這些嚴格的要求，提供了以下能滿足電廠需求的配套冗餘方案。該係統的網絡拓撲結構圖如圖2所示。

該係統包括2台操作員站、1對冗餘數據服務器（同時兼作操作員站）、1台工程師站
、1台值長站、5對冗餘DPU站
，采用了過程數據服務器冗餘、控製總線和I/O總線冗餘的網絡架構，提供了穩定可靠
，符合電廠生產要求的數據采集監控和現場級控製工藝設計。

該係統配置了HP370高性能數據服務器，雙SCSI硬盤，支持RADI1數據冗餘和帶電熱插拔，高效地存儲全部實時和曆史數據；在中央控製室內的操作員站采用HP7600高性能PC
，提供了針對汽輪機和鍋爐主控及輔控單元的操作應用。

操作網絡（操作員站
、冗餘數據服務器和工程師站服務器之間）、過程網絡（DPU和冗餘運行服務器以及工程師站服務器之間）、I/O總線（DPU和I/O站之間）均采用雙100M以太網， DPU冗餘對之間的同步總線和I/O總線共用

；操作網絡，過程網絡和I /O總線都配置成冗餘結構。

過程網絡冗餘保證了最關鍵的DPU到現場控製設備的數據連續性

；所有I/O站通過冗餘雙以太網總線將數據快速實時地保存到冗餘DPU中，對於危險和影響安全操作的參數而言，是至關重要的。

對於需要連續性生產的大型電廠而言，DPU的de冗rong餘yu是shi必bi不bu可ke少shao的de，一yi旦dan某mou個ge工gong作zuo的de冗rong餘yu站zhan主zhu站zhan發fa生sheng故gu障zhang，係xi統tong能neng自zi動dong地di以yi無wu擾rao動dong方fang式shi
，快kuai速su切qie換huan至zhi與yu其qi互hu為wei冗rong餘yu的de從cong站zhan，並bing在zai操cao作zuo員yuan站zhan報bao警jing。當dang發fa生sheng故gu障zhang的de處chu理li器qi修xiu複fu後hou，係xi統tong將jiang自zi動dong進jin行xing狀zhuang態tai拷kao貝bei並bing使shi其qi處chu於yu冗rong餘yu運yun行xing方fang式shi。

該係統實際共配置了5對冗餘DPU站：其中鍋爐配置一對冗餘DPU
，下麵掛接3個I/O站
；FSSS部分配置一對冗餘DPU
，掛接4個I/O站；汽機部分配置一對冗餘DPU，掛接7個I/O站
；電氣配置一對冗餘DPU，掛接2個I/O站；化水配置一對冗餘DPU，掛接2個I/O站。所有的DPU均選用高性能的2005係列CP382
，該模塊的任務周期可以達到200us，配置3塊3IF781.9
，擴展 成4個以太網口，采集所有的過程信息。智能I/O站CPU選用2005係列的CP360

，配置1塊3IF781.9
，擴展成2個以太網口，以1ms的高速掃描周期處理SOE變量。.

在APROL係統中對於實時數據、報警記錄、shijianjiludengtigongleshujukurongyufangan，yiquebaozaiguzhangshinenggouduiyuxiangguanshishicanshukuaisubaocun，bingweigongyizhuisuhegaishantigongshujufenxijichu，bianyuxitongfenxishiduixitongjinxingtiaozhenghegaishan。

 

shengwuzhinengdianchangyuchangguihuolifadianchangzuidadebutongshiranliaodebutong，youqishishengwuzhiranliaodeshuifenhanliangjiaogaoqiebuwending，qirezhibuguding，jinerdaozhileranliaochuli
、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機、發電機
、電dian氣qi和he輔fu助zhu車che間jian等deng係xi統tong的de控kong製zhi方fang式shi與yu相xiang同tong規gui模mo的de常chang規gui電dian廠chang並bing沒mei有you太tai大da的de不bu同tong。機ji組zu控kong製zhi采cai用yong機ji跟gen爐lu的de調tiao節jie方fang式shi，鍋guo爐lu調tiao負fu荷he，汽qi機ji隨sui鍋guo爐lu負fu荷he的de變bian化hua而er保bao持chi進jin汽qi的de壓ya力li基ji本ben保bao持chi不bu變bian。

機爐協調控製機製是貝加萊應用APROL DCSweigaishengwuzhidianchangxiangmuzhidingdekongzhicelve，juyoubihuantiaojiezhuzhengqiyalihejizugonglvkongzhigongneng，jizufuhezhilingbeisongdaoqilunjizhukonghuiluzuoweiqiankuixinhao
，congershixitonghuodezhengqiyalihezhujigonglvkuaisudadaomubiaozhidetiaojienengli。gaishengwudianchangDCS係統由鍋爐、汽機主控係統以及電氣和化水輔控係統的各子係統構成。

鍋爐主控包含以下單元：

FSSS（爐膛安全監控）實現了主燃料跳閘(MFT)、點火前及停爐後吹掃控製以及火焰檢測等功能，有效的確保鍋爐爐膛的安全運行。

BPS（旁路控製功能）實現了再熱器保護、維持機前壓力、限製鍋爐升壓速率、高旁閥出口溫度控製等；

MSC（模擬量控製）包含了機爐協調機製、燃料量、爐膛負壓、汽包水位、主汽壓力等的自動調節能力。

SCS（輔助設備順序控製單元）實現了送風、引風自動啟停及連鎖保護。

上麵的子係統分別由兩對冗餘DPU站控製，原則上根據實際的占多數I/O處於哪一個冗餘站
，該係統就分屬此冗餘站
；但是實際實施過程中，由於設計院設計點數的時候並不會按係統功能嚴格劃分I/O點，以及不同的係統之間存在邏輯上的互用，項目中通過定義全局交叉變量的方法，來實現不同DPU之間的數據交換。

鍋爐控製係統中關鍵環節是汽包水位控製，正常情況下係統汽包水位始終應在0位
，用戶要求控製精度在±5mm。qibaoyeweicaiyongsanchongliangkongzhi，zheyangkeyishixitongdadaohengaodejingdu，tajiangqibaodeyeweizuoweizhuhuilu，baguoluchanshengdezhengqiliuliangchengyixiangyingdexishuhezhuhuiludeshuchuzuofuhuiludeshedingzhi， 給水流量作水位調節的副回路，構成三衝量調節。采用自定義開發的專用PID模塊可容易地實現上述控製功能，而且控製精度完全能滿足用戶係統的要求。汽包的水位在將調節器參數整定合適的基礎上可以穩定在±3mm範圍之內。

在項目實施中，由於其中一個冗餘DPU站運行的PID數量多達三十幾個，使得冗餘控製器的同步數據量劇增，導致冗餘切換時間過長


，PIDtiaojiecanshuzaiqiehuanguochengbupingwen，houlaitongguoyouhuatongbushujuyijizhidingbufengongnengkuaiyunxingyufuwuqizhongdefangfa，baozhengletongbudekekaoxingheqiehuandepingwenxing。
 

圖3  鍋爐係統主畫麵

汽機主控包含以下單元：

DEH（汽機數字電液控製）單元，通過升速控製、超速限製與超速保護、主汽壓力控製、單多閥、自動同期控製等多個功能塊提供了針對汽輪機的轉速和負荷控製，確保機組安全高效運行。采用和利時公司的DEH係統，該係統提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS係統。    

ETS（汽輪機危急遮斷保護係統），dangyouweijijiqilunjianquanyunxingdezhuangtaihecanshuchuxianshi，xunsuguanbiqilunjijinqifamen，jishiqieduanqilunjisuoyoujinqidebaohuxitong。caiyongjiangsuzhongyingongsideETS係統，該係統提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS係統。

TSI（汽輪機安全監視係統），能neng連lian續xu地di檢jian測ce汽qi輪lun機ji的de各ge種zhong重zhong要yao參can數shu，幫bang助zhu運yun行xing人ren員yuan判pan明ming機ji器qi故gu障zhang，使shi機ji器qi能neng在zai不bu正zheng常chang工gong作zuo引yin起qi的de嚴yan重zhong損sun害hai前qian遮zhe斷duan汽qi輪lun機ji發fa電dian機ji組zu


，保bao護hu機ji組zu安an全quan。另ling外wai，TSI監測信息提供了平衡和在線診斷數據
，維護人員可通過診斷數據的幫助，分離可能的機器故障
，減少維修時間。TSI還(hai)能(neng)幫(bang)助(zhu)提(ti)出(chu)機(ji)器(qi)預(yu)測(ce)維(wei)修(xiu)方(fang)案(an)
，預(yu)測(ce)維(wei)修(xiu)信(xin)息(xi)能(neng)推(tui)測(ce)出(chu)旋(xuan)轉(zhuan)機(ji)械(xie)的(de)維(wei)修(xiu)需(xu)要(yao)，使(shi)機(ji)器(qi)維(wei)修(xiu)更(geng)有(you)計(ji)劃(hua)性(xing)，其(qi)結(jie)果(guo)是(shi)減(jian)少(shao)了(le)維(wei)修(xiu)費(fei)用(yong)
，提(ti)高(gao)了(le)汽(qi)輪(lun)機(ji)組(zu)的(de)可(ke)用(yong)率(lv)。采(cai)用(yong)本(ben)特(te)利(li)公(gong)司(si)的(de)TSI係統，該係統提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS係統。

MSC（模擬量控製）包含了機爐協調機製、除氧水位、減溫減壓溫度閥和壓力閥等的自動調節能力。

SCS（輔助設備順序控製單元）實現了凝結水泵、循環水泵
、射水泵
、調速油泵、潤滑泵
、高加、低加進汽閥等一係列輔助設備的順序啟停。

汽(qi)機(ji)控(kong)製(zhi)主(zhu)要(yao)涉(she)及(ji)到(dao)給(gei)水(shui)泵(beng)和(he)射(she)水(shui)泵(beng)的(de)雙(shuang)泵(beng)切(qie)換(huan)以(yi)及(ji)自(zi)動(dong)起(qi)雙(shuang)泵(beng)
，為(wei)此(ci)特(te)地(di)根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)的(de)工(gong)藝(yi)要(yao)求(qiu)設(she)計(ji)了(le)一(yi)個(ge)雙(shuang)泵(beng)切(qie)換(huan)的(de)超(chao)級(ji)宏(hong)來(lai)控(kong)製(zhi)雙(shuang)泵(beng)切(qie)換(huan)。
 

圖4  汽機係統主畫麵

電氣輔控主要是采集一些刀閘開關的分合狀態，增磁
、減磁以及發送同期指令等。

化水輔控主要是采集一些泵和閥的狀態

，細沙過濾器的順控
、細沙過濾器衝洗順控和混床再生順控等。
 

圖5  化學水控製係統畫麵

APROL DCS集成了以上各部分的控製
，實現了整個電廠主控、輔控一體化的控製方案。

該項目中對於發電機出口開關事件，真空低壓
、ETS故障
、主汽門關閉
、軸向位移大停車、MFT保護停機、AST磁力斷路油門等關鍵點提出了SOE日誌記錄的要求，涉及到總計57個SOE數據點的數據高速采集，現場配置的B&R DI476模塊可以達到500uS的數據掃描能力，實現了SOE站內分辨率小於1mS

，站間分辨率小於2mS的特殊性能要求。

SOE（事件順序記錄）提供了在係統故障如：跳閘
、安全報警等狀態下提供實時數據記錄
，為故障分析提供非常重要的數據分析基礎
，而GPS校時則是配合SOE及其它報警功能所必須的。

通過為第三方中瑞科技的GPS自動校時設備CP220 E模塊提供驅動程序，將GPS信號接入到其中一台數據服務器。操作站


、工程師站，現場DPU單元通過XNTP網絡與該服務器對時，實現時間標簽功能。

對於大型係統應用而言
，開放性是絕對不可缺少的能力，APROL DCS提供了靈活便捷的與第三方係統實現數據通訊的能力。

係統內嵌了INA Connection、FMS Connection、HPC Connection
、OPC Connection、3946R、Modbus Plus Driver
、Simatic S5/S7 Connection、TI Driver
、Profibus- DP master/slaver、Modbus RTU/ASCII等眾多驅動程序。

(1) 與除塵係統通訊

在該項目中除塵係統采用了SIEMENS S7-300 PLC作為控製單元，APROL子模塊提供了Profibus- DP通信接口，以B&R 現場控製單元為DP Master，S7-300 PLC站為DP Slave的方式實現了數據交換鏈接。
 

圖6 與除塵係統S7-300 PLC通過Profibus- DP的數據通訊設置

 

(2) 與輔助上料係統通訊

通過Modbus總線與上料係統的第三方破碎設備實現通訊，APROL內控製其為Modbus Master站
，第三方設備為Modbus Slave站，通過RS485總線連接，實現對輔助上料係統的控製連接。

對於一個高效而成熟的係統而言，係統應具備極強的自診斷能力。APROL DCS係統就提供了豐富的自診斷功能，不但增強了係統的易維護性，同時也減少了維護人員工作量。

(1) 冗餘服務器狀態和性能監測

通過APROL係統內置的功能調用
，可以對冗餘數據服務器的狀態，如CPU負荷
、資源利用狀態，報警等進行自行記錄
，並通過聲光報警方式提供給操作員站，以便及時對係統進行調整和相應的操作。

(2) CPU狀態和I/O模塊自檢

對於關鍵點的CPU和I/O模塊而言，自檢能力非常必要，它使得用戶可以在線把握係統的故障點，並及時作出調整的響應。

為了有助於用戶發現幹擾係統的故障並且能夠實時跟蹤操作員動作，APROL提供了審計追蹤功能模塊；

(1) “Audit Trail”功能

APROL提供“AuditTrail”, 它能將 “4W” (who, where, when, what)信息完整無誤地保存起來，提供事後的係統幹擾來源數據分析基礎。

(2) APROL 完全滿足 “FDA 21CFR Part 11”標準

FDA 21 CFR是一項旨在確保電子數據有效性和可靠性的標準，遵照此標準而保留的數據方可作為通過檢驗或者今後追溯的有效數據來源，APROL滿足此標準的設計使有效數據得到很好的保存。

APROL的標準設計滿足能力使得過程監控在一種通用標準下得到實現。

 

APROL DCS係統提供了高度的數據透明性和可追溯性設計
，具有能適應靈活的現場硬件架構和軟件組態變化的能力
，它豐富的圖形界麵、靈活的配置參數、工藝功能塊超級宏設計、審計和追蹤功能、報警與趨勢分析以及係統自診斷功能，使得其在生物質發電廠的應用中完全滿足了苛刻的技術要求。

該項目的成功實施

，充分體現了B&R APROL係統對於複雜係統的整體控製和適應能力，一期項目已在2008年11月完成， 2008年12月該機組投入實際商業運行
，預計年發電量可達77GW，可利用秸稈10萬噸，提供10.05×104 GJ的供熱能力。

 

曾金發   (1972.12)
，男
，工學碩士，貝加萊工業自動化（上海）有限公司技術工程師
，主要從事過程自動化係統的應用開發和研究。