基于现场总线全数字化技术的水电站辅机机电控制系统改造_梁庚.pdf

22水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20230引言目前国内具有一定建设历史的水电厂，其辅机控制的自动化程度普遍偏低，特别是其机电控制系统中现有模拟仪控系统手动运行较为普遍，操作复杂、运行员劳动强度大、机组运行效率低。传统的模拟控制系统或半数字控制系统存在控制精度低、可靠性差、维护量大等问题，而且目前基于操作盘台的监视操作手段落后，监视操作面过宽，控制室占地面积大，导线电缆及接线端子数量大，故障率高。缺乏智能化的现场设备管理功能，管理水平低下1-2。本文系统改造针对一家国内具有多年建设历史的水电站，安装 2 台 16.5 万 kW 轴流转桨式水能发电机组。该水电站传统的辅机机电控制系统自动化投入率较低，运行操作复杂等诸多问题。为此，采用现场总线全数字化技术对辅机系统进行了设计和改造，引入了全新基于开关量和联锁保护的机电控制系统，全面实现了水电生产的辅机机电自动化。1控制系统主要特点该水电站的水电辅机机电子系统主要包括油系统、气系统和供排水系统等电气设备。油系统主要包括油再生设备、管网和测量元件等。气系统包括厂内外的高、低压系统，主要用于机组制动、机组调相、工具防冻、围带供气等。供水系统主要包括技术供水、消火供水和生活供水，主要用于发电机部件冷却、水轮机润滑冷却、变压器的冷却等。技术供水来源包括上游水库、下游尾水和地下水源。辅机机电控制系统主要包括对各类电机和电动调门的控制，需要比较复杂的启停联锁和顺序控制功能。在基于现场总线的控制系统中，由于网络诱导延时所造成对控制的影响是工程界的一个重要问题，目前针对该问题所进行的大量的理论分析和实验研究都仅停留在对基于网络的模拟量控制系统上，且取得了一些研究成果，但目前对基于网络的机电类开关量控制几乎没有涉及。然而，网络诱导延时会严重影响开关量控制系统的可靠性，甚至会导致严重的逻辑错误。在针对该水电站辅机机电控制系统的改造中，针对这一工程问题，设计了一种基于现场总线技术的开关量网络控制系统，充分考虑了网络诱导延时对开关量控制造成的影响，采用基于先进柔性功能块组态方案设计实现了被控系统中主要机电设备的开关量控制和保护策略，实现了在中央控制室对主要辅机机电设备的顺序控制，部分实现了一键启停操作。基于现场总线全数字化技术的水电站辅机机电控制系统改造梁庚1，崔青汝2（1华北电力大学控制与计算机工程学院，北京市102206；2国电新能源技术研究院有限公司，北京市102209）摘要：目前国内水电站辅机控制的自动化程度普遍偏低且存在诸多问题。本文给出了一种基于现场总线全数字化技术的水电站辅机开关量和联锁保护的机电控制系统，实现了辅机控制的机电自动化。以先进的现场总线离散控制设备和柔性功能块组态方案为基础设计实现了被控系统中主要机电设备的开关量控制和保护策略，实现了在中央控制室对主要机电设备顺序控制的一键启停操作。构建了基于现场总线网络和以太网络的整体控制体系，在系统的现场级应用现场总线构建了控制子系统。系统改善了辅机系统运行的安全性和经济性，取得了较好的经济效益。关键词：水电站；全数字化；现场总线；机电设备；网络中图分类号：TM622文献标识码：A学科代码：510.80DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.004基金项目：国家自然科学基金“基于免疫遗传算法的多目标厂级负荷优化分配研究”（61240037）；国家能源集团十大重点科技攻关项目“大型火电高效灵活自主化智能控制系统研究与应用”（GJNY-20-235）。23梁庚等：基于现场总线全数字化技术的水电站辅机机电控制系统改造2基于全数字化现场总线技术的辅机机电控制系统设计System302 是 FF 成员 SMAR 公司的主流产品，该系统整体上可划分为软、硬件两部分。硬件部分主要包括已得到FF 认证的智能现场仪表组、可编程逻辑控制器 PLC、现场总线 PCI 接口卡、总线电源 PS302 和总线终端器 BT302。经过 FF 认证的用于机电设备数字信号控制的现场设备为DC302。DFI302 是连接上位监控系统以太网和现场总线的网关模件3-5。System302 系统的软件部分主要包括上位组态软件Syscon、PLC 组态软件 conf700、上位软件与硬件间的通信接口 PCI OLE Server。2.1离散信号控制器 DC302 和现场总线柔性功能块 FFBDC302 是 System302 系统的一部分，该离散信号控制器将传统 I/O 信号集成到现场总线 H1 网段中，可以连接来自各类电气设备的 16 个离散信号输入和 8 个离散信号输出，如开关电动阀门、电机、电泵等设备。设备可直接进入 FF H1 总线，具有功能强大的柔性功能块 FFB，可在现场进行离散控制和调节。FFB 是现场总线基金会为用户自定义逻辑功能而设计的柔性功能块，如图 1 所示。该功能块可从现场总线网络接受8 个数字输入 IN_D1 IN_D8，通过内部用户定义的控制逻辑可输出 8 个现场总线网络可用的数字量 OUT_D1 OUT_D8。IN_D1 IN_D8 和 OUT_D1 OUT_D8 可与其他功能块连接使用。在 DC302 中，FFB 还可从硬件输入参数 HW_IN1 HW_IN16 可接受 16 个来自 DC302 的离散输入，通过硬件输出参数 HW_OUT1 HW_OUT8 得到 8 个离散输出。硬件输入参数 HW_IN1 HW_IN16 和硬件输出参数 HW_OUT1 HW_OUT8 均不与其他功能块连接，只在 DC302 内部使用。FFB 输入参数的状态取决于 I/O 子系统，输出参数状态取决于用户自定义逻辑运算。FFB 可提供“与”“或”“非”“异或”逻辑和如“开延时 TON”“关延时 TOF”、定时脉冲 TP、减计数 CTD、加计数 CTU 和 RS/SR 触发器等各类功能。用户可使用 FFB 参数中的 LOGIC01 LOGIC50 自定义各类逻辑运算，对输入信号进行组合形成输出。2.2系统总体结构整个控制系统的数据通信网络分为监控级和现场级两级。监控级数据通信网络采用千兆以太网；现场级数据通信网络采用现场总线，其通信速率为 31.25Kb。根据系统的控制规模，共设置 4 条冗余的现场总线，每一条现场总线分别由不同的网桥引出，任何一条现场总线或一个网桥发生故障均不会影响系统的运行。OUT_D1TP,TON,TOFCTD,CTU,RS,SROUT_D2OUT_D3OUT_D4OUT_D5OUT_D6OUT_D7OUT_D8IN_D8IN_D7IN_D6IN_D5IN_D4IN_D3IN_D2IN_D1FSAFE_VAL 1/8AUX_VARHR_OUTHR_IN(AND,OR,XOR,NOT)逻辑运算功能处理手动自动图 1基金会现场总线柔性功能块 FFBFigure 1Flexible function block in FF fieldbus现场总线控制系统中的现场级通信网络（现场总线）和系统级通信网络（工业以太网）、网关设备、电源设备、人机接口设备（操作员站）均设有冗余，任何单点故障均不影响系统的正常运行。系统的供电电源取自 UPS，在主电源故障时能保证足够的供电时间，使整个锅炉系统安全地停止运行采用现场总线系统，在中央控制室不但能够实现控制系统的故障诊断，还可以实现现场设备（变送器、执行器）的故障诊断和在线管理6-9。该种基于现场总线的全数字化控制系统的体系结构如图2 所示。监控计算机采用工业 PC 机。工控机通过与千兆以太网络与以太网/现场总线网桥 DFI302 连接，安装开放性接口软件 OPC Server，用于实现上位监控程序与网关的通信。监控程序设计和运行的软件平台在运行员站上安装实现；现场仪表控制策略组态软件选用 SMAR Syscon，在工程师站上安装实现组态。2.3控制系统的设计与实现本控制系统所面向的控制对象是储油罐、储气罐和集水井所涉及的生产过程的辅助机电设备，其目的是实现三类不同辅助生产过程机电设备的全数字化控制和全程自启停控制。基于现场全分布式的控制策略通过对水泵电机的控制实现对集水井水位控制系统的自动测量和控制，同时通过DC302实现对泵的启停控制以及水泵的冗余备用切换，从而到达维持集水井水位为正常值；同时实现对空气压力控制的自动监控，实现空气压缩机的自动启停和排污阀的启闭；同时实现冗余备用的空气压缩机的切换运行，保证24水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023储气罐的正常工作压力；还可实现对油压系统的自动监控，实现油泵的自动启停以及冗余备用油泵的切换运行，保证储油罐的正常工作压力。通过电机变频调速来控制油泵、水泵和气泵转速。系统中的数字信号控制仪表采用数字信号控制模件 DC302。整个系统模拟信号 I/O 点约为 150 个，其中模拟信号检测点约为 50 个；控制点约为 15 个；数字信号检测点约为 40 个，数字信号控制点为 20 个，其他还包括一些网络接口点。现场总线传输介质选用非屏蔽双绞线；总线拓扑采用菊花链式结构，比采用总线式节省了总线端子接线板。总线两端挂接总线电源 PS302 和总线终结器 BT302。上位监控计算机选用工业PC机。为保证系统的可靠运行，采用总线冗余和上位机冗余。控制系统在现场的基本结构和连接关系如图 3 所示。冗余网桥过程控制网现场设备网智能阀门定位器智能压力变送器DC302操作员站工程师站打印机图 2基于现场总线全数字化的控制系统体系结构Figure 2Architecture for the control system based on full-digitalized fieldbus油罐气罐号号智能压力变送器智能压力变送器智能压力变送器智能阀门定位器智能阀门定位器油泵气泵1气泵2油路顺序控制器DC302供水管路智能液位变送器1号水泵2号水泵现场总线现场总线智能阀门定位器现场总线检测信号控制信号现场总线信号 图 3控制系统的现场结构与连接关系Figure 3Structure and interconnection of the control system in the field25梁庚等：基于现场总线全数字化技术的水电站辅机机电控制系统改造2.4主要机电设备控制的一键启停技术一键启停技术是指在面向大规模生产设备的启停和投切操作时，全程由控制系统按照预定的逻辑实现相关设备的启停和控制，从而完成子系统乃至机组或全厂生产过程的启动或停运，整个过程无需人为干预或操作。一键启停技术是电力生产高度智能化的一个典型标志，也是未来水电全面智能化、智慧化的发展方向。现有的水电机组辅机设备的顺控仍然采用自动加手动的控制模式，在某些切换条件较为复杂的应用场景下，还未能实现完全的自动模式，仍然需要手动操作进行衔接。在本水电厂原有的仪控系统中，由于没有实现全面的数字化，检测仪表、控制仪表及控制设备之间在控制策略控制信号传送等方面无法实现无缝衔接。由于本例水电厂采用了先进的现场总线技术对机电辅机进行全数字化改造，各现场总线检测仪表、控制仪表之间可以实现信号的全面、无缝、可靠传送，使得辅机设备的一键启停操作具备了实施的技术基础。本系统设计的机电辅机设备一键启停采用树形图进行逻辑构造，顺控策略采用了基于能量平衡（EB）方法实现，将设备、管路等物理空间统一纳入宏观的能量管理架构中，在总体设计上依据子系统之间以及各子系统与厂级大系统之间的能量平衡，在各子系统内部按照能流的传递路径实现信号流的交互，断点设置与切换逻辑的设计由能量平衡分析后得出基本制约关系，再结合生产流程相关要求确定具体的断点和设备切换逻辑，其设计架构如图 4 所示。水电厂生产过程集水子系