摘 要：以秸稈和林業(yè)廢棄物為主要原料的生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)，是充分利用可再生資源，大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的一種重要嘗試。本文介紹貝加萊APROL DCS在黑山生物質(zhì)發(fā)電廠中的應(yīng)用。作者概述了生物質(zhì)發(fā)電廠的工藝流程和系統(tǒng)需求，給出了基于APROL DCS的系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)和配置，著重描述了該系統(tǒng)的各主要控制單元及其功能以及APROL DCS的冗余結(jié)構(gòu)。該項目的設(shè)計和成功實施充分體現(xiàn)了B&R APROL系統(tǒng)對于復(fù)雜工藝過程的整體控制和適應(yīng)能力。 關(guān)鍵詞：APROL DCS;生物質(zhì)發(fā)電技術(shù);系統(tǒng)架構(gòu)與配置;系統(tǒng)功能;控制單元 [b][align=center]Application of B&R APROL DCS in Heishan Biomass Power Plant ZENG Jin-fa[/align][/b] Abstract: By taking straw and forestry wastes as the main raw material, Biomass Power Generation Technology is an important try to make full use of renewable resources and vigorously develop a recycling economy. This paper introduces the application of B&R APROL DCS in Heishan Biomass Power Plant. The author summarizes the technological processes and the system requirements of the Biomass Power Plant, gives the APROL DCS based topological architecture and configuration of the system with emphasis on the description of each main control units and their functions of the system and also the redundant structure of APROL DCS. The design and successful implementation of this project viously show that B&R APROL system has the integral control and adaptive capacities for the sophisticated chnological process. Keywords: APROL DCS; Biomass Power Generation Technology; Architecture andConfiguration of System; System Functions; Control Units 0 前言 　　秸稈是一種可再生能源，每年，大量的秸稈在田間被燒掉不僅僅是能源的耗費，而且是對環(huán)境的污染，同時也給高速公路和機(jī)場航空造成了一定影響，并且焚燒秸稈還容易引發(fā)火災(zāi)。2004年開始，國能生物質(zhì)能發(fā)電有限公司擔(dān)負(fù)起國家關(guān)于以秸稈、林業(yè)廢棄物為原料的生物質(zhì)發(fā)電項目的重任。發(fā)展農(nóng)作物秸稈直燃發(fā)電，不僅節(jié)能、環(huán)保、而且效益顯著。有專家指出，可供直燃發(fā)電的2億噸秸稈折合標(biāo)準(zhǔn)煤1億噸。以秸稈代替煤炭作為發(fā)電新能源，是我國生物質(zhì)能發(fā)電領(lǐng)域的重要突破，是利用可再生資源、大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要嘗試，有利于經(jīng)濟(jì)增長方式的轉(zhuǎn)變和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 　　通過生物質(zhì)發(fā)電項目的逐步實施，使得焚燒得到控制，在獲得電能的同時，環(huán)境污染、有害氣體排放方面也得到了有效的控制，其廢料-灰渣可以作為高效復(fù)合肥返回農(nóng)田，在將能量轉(zhuǎn)化為電能后，其生物體依然可以作為生物廢料返回農(nóng)田，真可謂一舉多得。 1 工藝流程與系統(tǒng)需求 　　1.1生物質(zhì)電廠的工藝流程 　　黑山生物質(zhì)發(fā)電廠項目中配置了一臺12MW的凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組和一臺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。該系統(tǒng)涉及到DCS的I/O點數(shù)約2600點，其中模擬量699點。具體的工藝流程如圖1所示。 [align=center] 圖1 生物質(zhì)發(fā)電廠的工藝流程[/align] 　　1.2控制系統(tǒng)的需求 　　在系統(tǒng)的前期論證過程中，黑山生物電廠和系統(tǒng)集成方——中國電科院以及貝加萊（中國）的工程師們進(jìn)行了深入的探討和技術(shù)交流，并對系統(tǒng)需求進(jìn)行了確認(rèn)。簡述如下： 　?。?） 該系統(tǒng)需要提供針對數(shù)據(jù)服務(wù)器、DPU、現(xiàn)場總線和I/O總線的冗余; 　?。?） 汽輪機(jī)、鍋爐主控，可自定義功能設(shè)計; 　　（3） 設(shè)置GPS校時和SOE事件順序記錄; 　?。?） 滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的審計追蹤功能設(shè)計; 　　（5） 具備與第三方設(shè)備通訊的能力; 　?。?） 具備系統(tǒng)自診斷功能，包括服務(wù)器、CPU和I/O的自診斷能力。 　　對于上述復(fù)雜而嚴(yán)格的要求，B&R APROL DCS系統(tǒng)憑借其良好的性能和快速的功能響應(yīng)，提供了整個電廠主控、輔控一體化的控制方案，并得到實施。 2 系統(tǒng)解決方案 　　APROL DCS作為搭建該系統(tǒng)的軟硬件平臺，滿足了復(fù)雜控制工藝和功能的要求。針對具體的系統(tǒng)需求構(gòu)建了優(yōu)化的冗余控制設(shè)計方案，取得了良好的控制效果和穩(wěn)定性。 　　2.1系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)與配置 　　2.1.1系統(tǒng)總體架構(gòu)與配置 　　對于連續(xù)生產(chǎn)過程，DCS系統(tǒng)必須保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和過程記錄的可追溯性，這就對系統(tǒng)的冗余提出了要求，而B&R的APROL DCS系統(tǒng)很好地滿足了這些嚴(yán)格的要求，提供了以下能滿足電廠需求的配套冗余方案。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 　　該系統(tǒng)包括2臺操作員站、1對冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器（同時兼作操作員站）、1臺工程師站、1臺值長站、5對冗余DPU站，采用了過程數(shù)據(jù)服務(wù)器冗余、控制總線和I/O總線冗余的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供了穩(wěn)定可靠，符合電廠生產(chǎn)要求的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控和現(xiàn)場級控制工藝設(shè)計。 　　該系統(tǒng)配置了HP370高性能數(shù)據(jù)服務(wù)器，雙SCSI硬盤，支持RADI1數(shù)據(jù)冗余和帶電熱插拔，高效地存儲全部實時和歷史數(shù)據(jù);在中央控制室內(nèi)的操作員站采用HP7600高性能PC，提供了針對汽輪機(jī)和鍋爐主控及輔控單元的操作應(yīng)用。 　　2.1.2冗余配置的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 　　操作網(wǎng)絡(luò)（操作員站、冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器和工程師站服務(wù)器之間）、過程網(wǎng)絡(luò)（DPU和冗余運行服務(wù)器以及工程師站服務(wù)器之間）、I/O總線（DPU和I/O站之間）均采用雙100M以太網(wǎng)， DPU冗余對之間的同步總線和I/O總線共用;操作網(wǎng)絡(luò)，過程網(wǎng)絡(luò)和I /O總線都配置成冗余結(jié)構(gòu)。 　　過程網(wǎng)絡(luò)冗余保證了最關(guān)鍵的DPU到現(xiàn)場控制設(shè)備的數(shù)據(jù)連續(xù)性;所有I/O站通過冗余雙以太網(wǎng)總線將數(shù)據(jù)快速實時地保存到冗余DPU中，對于危險和影響安全操作的參數(shù)而言，是至關(guān)重要的。 　　2.1.3 冗余配置的DPU控制器 　　對于需要連續(xù)性生產(chǎn)的大型電廠而言，DPU的冗余是必不可少的，一旦某個工作的冗余站主站發(fā)生故障，系統(tǒng)能自動地以無擾動方式，快速切換至與其互為冗余的從站，并在操作員站報警。當(dāng)發(fā)生故障的處理器修復(fù)后，系統(tǒng)將自動進(jìn)行狀態(tài)拷貝并使其處于冗余運行方式。 　　該系統(tǒng)實際共配置了5對冗余DPU站：其中鍋爐配置一對冗余DPU，下面掛接3個I/O站;FSSS部分配置一對冗余DPU，掛接4個I/O站;汽機(jī)部分配置一對冗余DPU，掛接7個I/O站;電氣配置一對冗余DPU，掛接2個I/O站;化水配置一對冗余DPU，掛接2個I/O站。所有的DPU均選用高性能的2005系列CP382，該模塊的任務(wù)周期可以達(dá)到200us，配置3塊3IF781.9，擴(kuò)展 成4個以太網(wǎng)口，采集所有的過程信息。智能I/O站CPU選用2005系列的CP360，配置1塊3IF781.9，擴(kuò)展成2個以太網(wǎng)口，以1ms的高速掃描周期處理SOE變量。. 　　2.1.4過程數(shù)據(jù)服務(wù)器冗余 　　在APROL系統(tǒng)中對于實時數(shù)據(jù)、報警記錄、事件記錄等提供了數(shù)據(jù)庫冗余方案，以確保在故障時能夠?qū)τ谙嚓P(guān)實時參數(shù)快速保存，并為工藝追溯和改善提供數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，便于系統(tǒng)分析師對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和改善。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)[/align] 　　2.1.5 系統(tǒng)I/O點配置 　　該系統(tǒng)的I/O點配置如表1。 　　表1 系統(tǒng)I/O點配置 　　2.2控制單元及其功能 　　生物質(zhì)能電廠與常規(guī)火力發(fā)電廠最大的不同是燃料的不同，尤其是生物質(zhì)燃料的水分含量較高且不穩(wěn)定，其熱值不固定，進(jìn)而導(dǎo)致了燃料處理、輸運、鍋爐燃燒方式的不同。而汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、電氣和輔助車間等系統(tǒng)的控制方式與相同規(guī)模的常規(guī)電廠并沒有太大的不同。機(jī)組控制采用機(jī)跟爐的調(diào)節(jié)方式，鍋爐調(diào)負(fù)荷，汽機(jī)隨鍋爐負(fù)荷的變化而保持進(jìn)汽的壓力基本保持不變。 　　機(jī)爐協(xié)調(diào)控制機(jī)制是貝加萊應(yīng)用APROL DCS為該生物質(zhì)電廠項目制訂的控制策略，具有閉環(huán)調(diào)節(jié)主蒸汽壓力和機(jī)組功率控制功能，機(jī)組負(fù)荷指令被送到汽輪機(jī)主控回路作為前饋信號，從而使系統(tǒng)獲得蒸汽壓力和主機(jī)功率快速達(dá)到目標(biāo)值的調(diào)節(jié)能力。該生物電廠DCS系統(tǒng)由鍋爐、汽機(jī)主控系統(tǒng)以及電氣和化水輔控系統(tǒng)的各子系統(tǒng)構(gòu)成。 　　2.2.1鍋爐主控單元 　　鍋爐主控包含以下單元： 　　FSSS（爐膛安全監(jiān)控）實現(xiàn)了主燃料跳閘（MFT）、點火前及停爐后吹掃控制以及火焰檢測等功能，有效的確保鍋爐爐膛的安全運行。 　　BPS（旁路控制功能）實現(xiàn)了再熱器保護(hù)、維持機(jī)前壓力、限制鍋爐升壓速率、高旁閥出口溫度控制等; 　　MSC（模擬量控制）包含了機(jī)爐協(xié)調(diào)機(jī)制、燃料量、爐膛負(fù)壓、汽包水位、主汽壓力等的自動調(diào)節(jié)能力。 　　SCS（輔助設(shè)備順序控制單元）實現(xiàn)了送風(fēng)、引風(fēng)自動啟停及連鎖保護(hù)。 　　上面的子系統(tǒng)分別由兩對冗余DPU站控制，原則上根據(jù)實際的占多數(shù)I/O處于哪一個冗余站，該系統(tǒng)就分屬此冗余站;但是實際實施過程中，由于設(shè)計院設(shè)計點數(shù)的時候并不會按系統(tǒng)功能嚴(yán)格劃分I/O點，以及不同的系統(tǒng)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(xiàn)不同DPU之間的數(shù)據(jù)交換。 　　鍋爐控制系統(tǒng)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是汽包水位控制，正常情況下系統(tǒng)汽包水位始終應(yīng)在0位，用戶要求控制精度在±5mm。汽包液位采用三沖量控制，這樣可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的精度，它將汽包的液位作為主回路，把鍋爐產(chǎn)生的蒸汽流量乘以相應(yīng)的系數(shù)和主回路的輸出作副回路的設(shè)定值， 給水流量作水位調(diào)節(jié)的副回路，構(gòu)成三沖量調(diào)節(jié)。采用自定義開發(fā)的專用PID模塊可容易地實現(xiàn)上述控制功能，而且控制精度完全能滿足用戶系統(tǒng)的要求。汽包的水位在將調(diào)節(jié)器參數(shù)整定合適的基礎(chǔ)上可以穩(wěn)定在±3mm范圍之內(nèi)。 　　在項目實施中，由于其中一個冗余DPU站運行的PID數(shù)量多達(dá)三十幾個，使得冗余控制器的同步數(shù)據(jù)量劇增，導(dǎo)致冗余切換時間過長，PID調(diào)節(jié)參數(shù)在切換過程不平穩(wěn)，后來通過優(yōu)化同步數(shù)據(jù)以及指定部分功能塊運行于服務(wù)器中的方法，保證了同步的可靠性和切換的平穩(wěn)性。 [align=center] 圖3 鍋爐系統(tǒng)主畫面[/align] 　　2.2.2汽機(jī)控制單元 　　汽機(jī)主控包含以下單元： 　　DEH（汽機(jī)數(shù)字電液控制）單元，通過升速控制、超速限制與超速保護(hù)、主汽壓力控制、單多閥、自動同期控制等多個功能塊提供了針對汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制，確保機(jī)組安全高效運行。采用和利時公司的DEH系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統(tǒng)。 　　ETS（汽輪機(jī)危急遮斷保護(hù)系統(tǒng)），當(dāng)有危急及汽輪機(jī)安全運行的狀態(tài)和參數(shù)出現(xiàn)時，迅速關(guān)閉汽輪機(jī)進(jìn)氣閥門，及時切斷汽輪機(jī)所有進(jìn)氣的保護(hù)系統(tǒng)。采用江蘇眾陰公司的ETS系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統(tǒng)。 　　TSI（汽輪機(jī)安全監(jiān)視系統(tǒng)），能連續(xù)地檢測汽輪機(jī)的各種重要參數(shù)，幫助運行人員判明機(jī)器故障，使機(jī)器能在不正常工作引起的嚴(yán)重?fù)p害前遮斷汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，保護(hù)機(jī)組安全。另外，TSI監(jiān)測信息提供了平衡和在線診斷數(shù)據(jù)，維護(hù)人員可通過診斷數(shù)據(jù)的幫助，分離可能的機(jī)器故障，減少維修時間。TSI還能幫助提出機(jī)器預(yù)測維修方案，預(yù)測維修信息能推測出旋轉(zhuǎn)機(jī)械的維修需要，使機(jī)器維修更有計劃性，其結(jié)果是減少了維修費用，提高了汽輪機(jī)組的可用率。采用本特利公司的TSI系統(tǒng)，該系統(tǒng)提供必要的采集量通過硬接線方式接入到DCS系統(tǒng)。 　　MSC（模擬量控制）包含了機(jī)爐協(xié)調(diào)機(jī)制、除氧水位、減溫減壓溫度閥和壓力閥等的自動調(diào)節(jié)能力。 　　SCS（輔助設(shè)備順序控制單元）實現(xiàn)了凝結(jié)水泵、循環(huán)水泵、射水泵、調(diào)速油泵、潤滑泵、高加、低加進(jìn)汽閥等一系列輔助設(shè)備的順序啟停。 　　汽機(jī)控制主要涉及到給水泵和射水泵的雙泵切換以及自動起雙泵，為此特地根據(jù)具體的工藝要求設(shè)計了一個雙泵切換的超級宏來控制雙泵切換。 [align=center] 圖4 汽機(jī)系統(tǒng)主畫面[/align] 　　2.2.3 輔控系統(tǒng) 　　電氣輔控主要是采集一些刀閘開關(guān)的分合狀態(tài)，增磁、減磁以及發(fā)送同期指令等。 　　化水輔控主要是采集一些泵和閥的狀態(tài)，細(xì)沙過濾器的順控、細(xì)沙過濾器沖洗順控和混床再生順控等。 [align=center] 圖5 化學(xué)水控制系統(tǒng)畫面[/align] 　　APROL DCS集成了以上各部分的控制，實現(xiàn)了整個電廠主控、輔控一體化的控制方案。 　　2.3 系統(tǒng)的其它功能 　　2.3.1 SOE事件順序記錄 　　該項目中對于發(fā)電機(jī)出口開關(guān)事件，真空低壓、ETS故障、主汽門關(guān)閉、軸向位移大停車、MFT保護(hù)停機(jī)、AST磁力斷路油門等關(guān)鍵點提出了SOE日志記錄的要求，涉及到總計57個SOE數(shù)據(jù)點的數(shù)據(jù)高速采集，現(xiàn)場配置的B&R DI476模塊可以達(dá)到500uS的數(shù)據(jù)掃描能力，實現(xiàn)了SOE站內(nèi)分辨率小于1mS，站間分辨率小于2mS的特殊性能要求。 　　2.3.2 GPS校時 　　SOE（事件順序記錄）提供了在系統(tǒng)故障如：跳閘、安全報警等狀態(tài)下提供實時數(shù)據(jù)記錄，為故障分析提供非常重要的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)，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(shè)備CP220 E模塊提供驅(qū)動程序，將GPS信號接入到其中一臺數(shù)據(jù)服務(wù)器。操作站、工程師站，現(xiàn)場DPU單元通過XNTP網(wǎng)絡(luò)與該服務(wù)器對時，實現(xiàn)時間標(biāo)簽功能。 　　2.3.3 與第三方系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通訊 　　對于大型系統(tǒng)應(yīng)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系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊的能力。 　　系統(tǒng)內(nèi)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(qū)動程序。 　　（1） 與除塵系統(tǒng)通訊 　　在該項目中除塵系統(tǒng)采用了SIEMENS S7-300 PLC作為控制單元，APROL子模塊提供了Profibus- DP通信接口，以B&R 現(xiàn)場控制單元為DP Master，S7-300 PLC站為DP Slave的方式實現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換鏈接。 [align=center] 圖6 與除塵系統(tǒng)S7-300 PLC通過Profibus- DP的數(shù)據(jù)通訊設(shè)置[/align] 　　（2） 與輔助上料系統(tǒng)通訊 　　通過Modbus總線與上料系統(tǒng)的第三方破碎設(shè)備實現(xiàn)通訊，APROL內(nèi)控制其為Modbus Master站，第三方設(shè)備為Modbus Slave站，通過RS485總線連接，實現(xiàn)對輔助上料系統(tǒng)的控制連接。 　　2.3.4 系統(tǒng)的自診斷能力 　　對于一個高效而成熟的系統(tǒng)而言，系統(tǒng)應(yīng)具備極強(qiáng)的自診斷能力。APROL DCS系統(tǒng)就提供了豐富的自診斷功能，不但增強(qiáng)了系統(tǒng)的易維護(hù)性，同時也減少了維護(hù)人員工作量。 　?。?） 冗余服務(wù)器狀態(tài)和性能監(jiān)測 　　通過APROL系統(tǒng)內(nèi)置的功能調(diào)用，可以對冗余數(shù)據(jù)服務(wù)器的狀態(tài)，如CPU負(fù)荷、資源利用狀態(tài)，報警等進(jìn)行自行記錄，并通過聲光報警方式提供給操作員站，以便及時對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整和相應(yīng)的操作。 　?。?） CPU狀態(tài)和I/O模塊自檢 　　對于關(guān)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系統(tǒng)的故障點，并及時作出調(diào)整的響應(yīng)。 　　2.3.5 審計與追蹤功能設(shè)計 　　為了有助于用戶發(fā)現(xiàn)干擾系統(tǒng)的故障并且能夠?qū)崟r跟蹤操作員動作，APROL提供了審計追蹤功能模塊; 　?。?） “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，提供事后的系統(tǒng)干擾來源數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)。 　?。?） APROL 完全滿足 “FDA 21CFR Part 11”標(biāo)準(zhǔn) 　　FDA 21 CFR是一項旨在確保電子數(shù)據(jù)有效性和可靠性的標(biāo)準(zhǔn)，遵照此標(biāo)準(zhǔn)而保留的數(shù)據(jù)方可作為通過檢驗或者今后追溯的有效數(shù)據(jù)來源，APROL滿足此標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計使有效數(shù)據(jù)得到很好的保存。 　　APROL的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計滿足能力使得過程監(jiān)控在一種通用標(biāo)準(zhǔn)下得到實現(xiàn)。 3 結(jié)束語 　　APROL DCS系統(tǒng)提供了高度的數(shù)據(jù)透明性和可追溯性設(shè)計，具有能適應(yīng)靈活的現(xiàn)場硬件架構(gòu)和軟件組態(tài)變化的能力，它豐富的圖形界面、靈活的配置參數(shù)、工藝功能塊超級宏設(shè)計、審計和追蹤功能、報警與趨勢分析以及系統(tǒng)自診斷功能，使得其在生物質(zhì)發(fā)電廠的應(yīng)用中完全滿足了苛刻的技術(shù)要求。 　　該項目的成功實施，充分體現(xiàn)了B&R APROL系統(tǒng)對于復(fù)雜系統(tǒng)的整體控制和適應(yīng)能力，一期項目已在2008年11月完成， 2008年12月該機(jī)組投入實際商業(yè)運行，預(yù)計年發(fā)電量可達(dá)77GW，可利用秸稈10萬噸，提供10.05×104 GJ的供熱能力。