昆山鑫源環(huán)保熱電有限公司的“全廠一體化”解決方案
昆山鑫源環(huán)保熱電有限公司 邵孚友 王毅
杭州和利時自動化有限公司 王占海 陶之未
昆山鑫源環(huán)保熱電有限公司的熱電工程項目是按3x130T/H循環(huán)流化床鍋爐及2x25MW抽凝式汽輪發(fā)電機組設(shè)計的；第一期工程為2x130T/H循環(huán)流化床鍋爐及2x25MW單抽機組。該項目于2003年年初破土動工，當(dāng)年的8月份，第一臺機組就并網(wǎng)發(fā)電；9月份，第二臺機組并網(wǎng)發(fā)電。目前兩臺機組都運行正常，效果理想，每臺機組的最大出力可以達到30MW。
該項目的一個重要特點就是：采用了北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司的第四代DCS系統(tǒng)HOLLiAS---MACS，在整個熱電廠的控制領(lǐng)域（包括鍋爐、汽機、電氣、化水、輸煤、除灰除渣、爐內(nèi)加藥等），成功地實現(xiàn)了“全廠一體化”解決方案。下面重點介紹鑫源環(huán)保熱電“全廠一體化”解決方案的有關(guān)內(nèi)容。
昆山鑫源環(huán)保熱電有限公司是對許多DCS系統(tǒng)在熱電廠的應(yīng)用狀況進行了調(diào)查研究分析后決定的。主要有三方面的看法和考慮：
1、傳統(tǒng)的DCS局限性---一個個“自動化孤島”
在整個80---90年代，在電廠的控制領(lǐng)域，存在一個突出的問題，就是電廠的許多輔機控制系統(tǒng)，成為了一個個“自動化孤島”。例如，化水、輸煤、除灰、除渣、爐內(nèi)加藥系統(tǒng)，以及循環(huán)水泵房和工業(yè)水泵房等，往往采用了各個廠家各種型號的PLC系統(tǒng)。這些PLC通常都可以滿足電廠各個獨立的輔機系統(tǒng)的控制要求，但是它們往往難以和主廠房的DCS系統(tǒng)實現(xiàn)相互的通信和信息共享，難以實現(xiàn)全廠所有運行設(shè)備生產(chǎn)過程信息的“全廠一體化”。
也就是說，在主廠房的集控室內(nèi)，在DCS系統(tǒng)的CRT屏幕上，往往難以看到全廠所有輔機系統(tǒng)的運行情況；更難以及時了解和掌握各個輔機系統(tǒng)發(fā)生的故障和事故情況；不能實現(xiàn)全廠生產(chǎn)信息的共享。所以它們就成為獨立于DCS系統(tǒng)以外的一個個“自動化孤島”。
電廠的“自動化孤島”現(xiàn)象主要是由于兩方面原因造成的：一方面是因為PLC本身的通信功能薄弱和落后；另一方面是因為傳統(tǒng)的DCS局限性：沒有現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)；缺少遠程I/O通信模塊；并且系統(tǒng)本身的開放性也不理想。
當(dāng)傳統(tǒng)的DCS和PLC要想實現(xiàn)互連和通訊時，往往需要設(shè)置“網(wǎng)關(guān)”。不同廠家不同型號的PLC和DCS互連和通訊時，又需要設(shè)置不同的“網(wǎng)關(guān)”。而“網(wǎng)關(guān)”的接口軟件開發(fā)費用非常高昂；并且許多PLC代理商又不能提供PLC的通訊規(guī)約和通訊協(xié)議。因此在整個80---90年代，許多電廠都未能實現(xiàn)DCS和PLC的互連和通訊。從而使得電廠的許多輔機控制系統(tǒng)（化水、輸煤、除灰、除渣、爐內(nèi)加藥等等），都成為了一個個“自動化孤島”。
2、信息化（Information）時代對于DCS的要求 70年代DCS剛剛推出時，主要是用于控制。30年過去了，DCS僅僅用于控制，就是一個過時的、陳舊的觀念了。當(dāng)代的DCS，由于其軟硬件的飛躍發(fā)展，已經(jīng)成為一個理想的綜合信息系統(tǒng)，不僅僅可以實現(xiàn)良好的控制功能，而且已經(jīng)成為最好、最及時的信息集成工具。
因此，公司的高層領(lǐng)導(dǎo)決定：進入21世紀(jì)的昆山鑫源環(huán)保熱電有限公司，必須有代表21世紀(jì)水平的熱電工程項目。采用最先進的DCS系統(tǒng)和最先進的信息集成技術(shù)，不僅僅要實現(xiàn)先進的控制方案，而且要實現(xiàn)先進的信息管理模式。目標(biāo)之一就是：用一套DCS系統(tǒng)，來建立覆蓋全廠的高效先進的實時信息集成監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)所有運行設(shè)備生產(chǎn)過程信息的“全廠一體化”采集、監(jiān)控和共享。
其中的第一步就是：堅決消滅電廠的“自動化孤島”現(xiàn)象。即用新一代采用現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)的DCS來全面地取代PLC。
以前采用PLC的化水、輸煤、除灰、除渣、除塵、爐內(nèi)加藥系統(tǒng)，以及循環(huán)水泵房和工業(yè)水泵房等，現(xiàn)在可以全部都放置新一代DCS系統(tǒng)的遠程I/O模塊。這些就地的遠程I/O模塊負(fù)責(zé)實時信息的采集和控制指令的輸出。它們用一條光纜或者一對屏蔽雙絞線和集控室的DCS系統(tǒng)相連，從而可以節(jié)省大量控制電纜；同時，這些遠程I/O模塊的投資也比PLC系統(tǒng)便宜得多。
通過這些遠程I/O模塊，實現(xiàn)了全廠生產(chǎn)過程所有實時信息的共享：在新一代DCS系統(tǒng)的任何一臺CRT屏幕上，通過授權(quán)，都可以全面了解和掌握任何一個輔機系統(tǒng)的運行狀況。同時，由DCS系統(tǒng)的控制單元來完成對所有輔機系統(tǒng)的開關(guān)量控制功能和模擬量控制功能。
3、現(xiàn)代化的管理模式對于DCS的要求
現(xiàn)代化的管理模式，要求充分提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。其中的一個重要方面，就是要在熱電廠實現(xiàn)“全能值班員”制度。即熱電廠的運行人員，必須同時具有監(jiān)控操作全廠所有控制系統(tǒng)（包括機、爐、電和全廠輔機系統(tǒng)）的能力。因此在整個集控室內(nèi)，不再嚴(yán)格地分為司爐、司機和電氣值班。任何一個運行人員，根據(jù)授權(quán)，可以在任何一臺CRT上，分別控制任何一臺鍋爐、汽機、電氣或者是電廠的任何一個輔機系統(tǒng)。
綜上所述，現(xiàn)代化的管理模式，要求用一套DCS系統(tǒng)，覆蓋全廠，從而可以對全廠所有的運行設(shè)備和生產(chǎn)狀況實現(xiàn)全面的監(jiān)控。堅決不在許多輔機設(shè)備系統(tǒng)旁邊，再設(shè)置值班人員。包括化水車間和輸煤分場，也要把運行人員減到最少。由此可見，PLC不能再用。因為一旦出現(xiàn)了PLC形成的“自動化孤島”，往往就得在孤島現(xiàn)場設(shè)置值班人員。為此決心實施“全廠一體化”解決方案，來全面提高整個熱電廠的自動化水平、信息化水平和管理水平。
鑫源環(huán)保熱電的“全廠一體化”解決方案的基本思路就是：全廠用一套DCS系統(tǒng)，來建立覆蓋全廠的高效先進的實時信息集成監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)所有運行設(shè)備生產(chǎn)過程信息的“全廠一體化”方式采集、監(jiān)視和信息共享；同時實現(xiàn)對全廠所有運行設(shè)備的實時控制。
1、“全廠一體化”解決方案的概況
整個熱電工程分兩期進行。第一期工程上2臺130T/H循環(huán)流化床鍋爐及2臺25MW單抽機組。第二期工程再上一臺鍋爐；有可能再上一臺汽輪發(fā)電機組。兩期工程合用一套DCS系統(tǒng)來實現(xiàn)全廠的一體化監(jiān)控。
控制方式采用爐、機、電集中控制。3臺鍋爐、2臺汽輪機、2臺發(fā)電機及升壓站出線、除氧給水系統(tǒng)及減溫減壓器等設(shè)一個機爐電集控室。電除塵、氣力除灰等設(shè)一個遠程工作站; 同時，也可以在機爐電集控室內(nèi)實現(xiàn)集中控制和監(jiān)視。
運行人員在機爐電集控室的CRT操作站上，實現(xiàn)對機組的啟動、運行、停機狀況進行全面的監(jiān)視和控制。并且負(fù)責(zé)事故處理。在巡檢人員完成現(xiàn)場檢查后，也可在集控室內(nèi)直接完成對輔機系統(tǒng)的啟、停操作以及監(jiān)視。
輸煤系統(tǒng)和化學(xué)水處理系統(tǒng)共設(shè)一個輔機控制室，在化水車間內(nèi)。輸煤和化水系統(tǒng)各設(shè)一臺CRT操作站?；囬g和主廠房相距100米左右；它們的操作員站，通過光纜（或屏蔽雙絞線）和主廠房的DCS系統(tǒng)實現(xiàn)直接互連和通信。不需要加任何“網(wǎng)關(guān)”之類的設(shè)備。
輸煤系統(tǒng)運行以CRT為監(jiān)視和控制中心，輔以圖象監(jiān)視，可以實現(xiàn)就地和在機爐電集控室內(nèi)的正常運行工況的監(jiān)視和調(diào)整；異常工況的報警和緊急事故的處理。
輸煤系統(tǒng)的攝像監(jiān)視，可通過就地的遠程工作站，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送往輔機控制室，在DCS系統(tǒng)的CRT屏幕上顯示、監(jiān)視和控制。同時，輸煤系統(tǒng)的攝像監(jiān)視信號（轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后）也可以直接送到機爐電集控室內(nèi)，在DCS系統(tǒng)的CRT屏幕上進行監(jiān)視和顯示。
由于實現(xiàn)了“全廠一體化”解決方案，在必要的情況下，通過授權(quán)，也可以在機爐電集控室內(nèi)，對整個輸煤系統(tǒng)進行必要的操作；這樣輸煤系統(tǒng)的運行人員大為減少，基本上可以實現(xiàn)無人值班（司爐可以兼管）。
化學(xué)水處理車間設(shè)有一個值班員，全面負(fù)責(zé)化水系統(tǒng)的運行監(jiān)視和陰陽樹脂的再生。由于實現(xiàn)了“全廠一體化”解決方案，因此在主廠房的機爐電集控室內(nèi)，在任何一臺CRT上，通過授權(quán)，也可以隨時了解和掌握化學(xué)水處理車間的運行情況。必要時，通過授權(quán)，也可以直接在機爐電集控室內(nèi)，對化水車間的重要設(shè)備進行啟、停操作以及監(jiān)視。
2、“全廠一體化”解決方案實現(xiàn)的功能
“全廠一體化”解決方案實現(xiàn)的功能包括：數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS） 、順序控制系統(tǒng)（SCS）、爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)（FSSS）、汽機跳閘保護（ETS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）。其中SCS系統(tǒng)還實現(xiàn)了對輸煤、除灰、除塵等系統(tǒng)的控制。
實現(xiàn)“全廠一體化”解決方案的關(guān)鍵是選擇一個合適的DCS系統(tǒng)。并不是任何一家的DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都能實現(xiàn)“全廠一體化”解決方案；也不是任何一家DCS公司都能做熱電廠的“全廠一體化”工程。這是因為：
1、傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)難以滿足熱電廠“全廠一體化”解決方案的要求。
傳統(tǒng)的DCS往往采用對等局域網(wǎng)，點對點通訊方式。這種通訊方式的特點是：對每一個操作員站要顯示和控制的每一個I/O點，都必須事先由工程師站組態(tài)。
這種點對點通訊方式在實現(xiàn)熱電廠“全廠一體化”解決方案時有很大的局限性。因為絕對大部分熱電廠采用的是母管制運行方式。母管制運行方式下，往往要求全廠的CRT操作員站都能互為冗余互為備用；并且要求任何一個操作員站，通過授權(quán)，可以控制任何一臺鍋爐或任何一臺汽機；或者是任何一個輔機系統(tǒng)。而點對點通訊方式難以滿足這樣的要求。說明如下：
例如：#1操作員站用于控制#1鍋爐，那么傳統(tǒng)的DCS的工程師站在組態(tài)時，就把所有的#1爐I/O點名和地址送入#1操作員站。機組投運后，#1操作員站就可以對#1爐所有的I/O點進行點對點通訊，采集#1爐的所有實時信息，并且以點對點通訊方式對#1爐進行控制。
那么，#1操作員站是否可以監(jiān)控#2爐或者#2機呢？由于傳統(tǒng)的DCS是采用點對點通訊方式，因此必須有工程師站事先進行了組態(tài)。一般來說，工程師站把兩個鍋爐或者兩個汽機的操作員站組態(tài)成為互為冗余互為備用是可能的；但是一般難以把任意一臺鍋爐操作員站和任意一臺汽機操作員站組態(tài)成為互為冗余互為備用。
因此鍋爐操作員站難以看到汽機的畫面；反過來，汽機操作員站也難以看到鍋爐的畫面。這就是傳統(tǒng)的DCS，由于采用了點對點通訊方式帶來的局限性。
所以，傳統(tǒng)的DCS難以實現(xiàn)“全廠一體化”解決方案要求的所有的CRT操作員站互為冗余互為備用；任何一臺CRT操作員站能夠看到（甚至控制）任何一臺鍋爐、汽機或者任何一個輔機系統(tǒng)的要求。
2、傳統(tǒng)的DCS公司的工程人員的知識結(jié)構(gòu)難以勝任熱電廠“全廠一體化”工程的要求
要實施“全廠一體化”解決方案，就需要熟悉熱電廠各個控制領(lǐng)域，具有各個方面專業(yè)知識的工程技術(shù)人員。因為DCS公司的工程人員，不僅僅需要熟悉鍋爐、汽機的工藝系統(tǒng)；掌握鍋爐、汽機的控制方案，而且還要熟悉熱電廠所有輔機的工藝要求；掌握各種輔機的控制方案。
例如，實施鑫源環(huán)保熱電“全廠一體化”解決方案的DCS工程人員，除了要熟悉和掌握循環(huán)流化床鍋爐和汽輪機、除氧給水系統(tǒng)的工藝和控制方案以外，還必須熟悉和掌握：電氣系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、化水系統(tǒng)；除灰、除塵、除渣系統(tǒng)的工藝和控制方案；此外還要熟悉掌握工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)都十分專業(yè)，DCS工程人員必須具備各方面的專業(yè)知識才能做好工程。
而目前一些傳統(tǒng)的DCS公司（包括國外DCS公司的代理）工程部往往是不分專業(yè)的。熱電、化工、鋼鐵、水泥、造紙、輕紡，有什么項目就做什么項目。并且，工程人員一般不多，通常不超過20--30人。最多也不超過70—80人。因此難以專業(yè)化；知識結(jié)構(gòu)往往滿足不了熱電廠“全廠一體化”解決方案的要求，因此難以勝任熱電廠“全廠一體化” 工程的要求。
綜上所述，為了全面實現(xiàn)“全廠一體化”工程的技術(shù)要求，鑫源環(huán)保熱電最終選擇了和利時公司的第四代DCS系統(tǒng)HOLLiAS—MACS系統(tǒng)。這是因為：
1、和利時公司的HOLLiAS—MACS系統(tǒng)是近年內(nèi)新開發(fā)的新一代DCS系統(tǒng)；是符合國際最新潮流的第四代DCS系統(tǒng)。它具有以下特征：
（1）全面采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)；通訊協(xié)議采用國際標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP總線；
（2）提供先進的遠程I/O模塊，可以全面取代PLC的功能；采用光纜或者屏蔽雙絞線和DCS系統(tǒng)進行通信，最遠距離可以達到3000米以上。
（3）電子元器件直接從國外著名的大公司進口；采用先進的表面貼SMT生產(chǎn)線加工；
（4）系統(tǒng)軟件采用了國外先進的控制軟件，并且實現(xiàn)了全面的漢化；
（5）采用了先進的Client/Server通信體系結(jié)構(gòu)，設(shè)置有冗余的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫，因此可以方便靈活地實現(xiàn)在任何一臺CRT操作員站可以監(jiān)視或控制任何一臺鍋爐、汽機或者任何一個輔機系統(tǒng)的要求。
2、和利時公司目前是國內(nèi)最大的DCS公司。設(shè)有專門的電站工程部。有一批熟悉電廠的專家、高級工程師和工程技術(shù)人員。在該熱電工程項目的實施過程中，和利時公司電站工程部熱電專業(yè)的工程人員和鑫源環(huán)保熱電工程技術(shù)人員進行了緊密的合作和配合，采用和利時公司的HOLLiAS—MACS系統(tǒng)，已經(jīng)成功地實現(xiàn)了鑫源環(huán)保熱電“全廠一體化”解決方案的各方面要求。目前HOLLiAS—MACS系統(tǒng)穩(wěn)定，運行良好。