昆山鑫源環(huán)保熱電有限公司的“全廠(chǎng)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(shí)自動(dòng)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(xiàng)目是按3x130T/H循環(huán)流化床鍋爐及2x25MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的；第一期工程為2x130T/H循環(huán)流化床鍋爐及2x25MW單抽機(jī)組。該項(xiàng)目于2003年年初破土動(dòng)工，當(dāng)年的8月份，第一臺(tái)機(jī)組就并網(wǎng)發(fā)電；9月份，第二臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。目前兩臺(tái)機(jī)組都運(yùn)行正常，效果理想，每臺(tái)機(jī)組的最大出力可以達(dá)到30MW。
該項(xiàng)目的一個(gè)重要特點(diǎn)就是：采用了北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司的第四代DCS系統(tǒng)HOLLiAS---MACS，在整個(gè)熱電廠(chǎng)的控制領(lǐng)域（包括鍋爐、汽機(jī)、電氣、化水、輸煤、除灰除渣、爐內(nèi)加藥等），成功地實(shí)現(xiàn)了“全廠(chǎng)一體化”解決方案。下面重點(diǎn)介紹鑫源環(huán)保熱電“全廠(chǎng)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(duì)許多DCS系統(tǒng)在熱電廠(chǎng)的應(yīng)用狀況進(jìn)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(gè)個(gè)“自動(dòng)化孤島”
在整個(gè)80---90年代，在電廠(chǎng)的控制領(lǐng)域，存在一個(gè)突出的問(wèn)題，就是電廠(chǎng)的許多輔機(jī)控制系統(tǒng)，成為了一個(gè)個(gè)“自動(dòng)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(gè)廠(chǎng)家各種型號(hào)的PLC系統(tǒng)。這些PLC通常都可以滿(mǎn)足電廠(chǎng)各個(gè)獨(dú)立的輔機(jī)系統(tǒng)的控制要求，但是它們往往難以和主廠(chǎng)房的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相互的通信和信息共享，難以實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)所有運(yùn)行設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程信息的“全廠(chǎng)一體化”。
也就是說(shuō)，在主廠(chǎng)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(chǎng)所有輔機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行情況；更難以及時(shí)了解和掌握各個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)發(fā)生的故障和事故情況；不能實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)生產(chǎn)信息的共享。所以它們就成為獨(dú)立于DCS系統(tǒng)以外的一個(gè)個(gè)“自動(dòng)化孤島”。
電廠(chǎng)的“自動(dòng)化孤島”現(xiàn)象主要是由于兩方面原因造成的：一方面是因?yàn)镻LC本身的通信功能薄弱和落后；另一方面是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的DCS局限性：沒(méi)有現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信結(jié)構(gòu)；缺少遠(yuǎn)程I/O通信模塊；并且系統(tǒng)本身的開(kāi)放性也不理想。
當(dāng)傳統(tǒng)的DCS和PLC要想實(shí)現(xiàn)互連和通訊時(shí)，往往需要設(shè)置“網(wǎng)關(guān)”。不同廠(chǎng)家不同型號(hào)的PLC和DCS互連和通訊時(shí)，又需要設(shè)置不同的“網(wǎng)關(guān)”。而“網(wǎng)關(guān)”的接口軟件開(kāi)發(fā)費(fèi)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(gè)80---90年代，許多電廠(chǎng)都未能實(shí)現(xiàn)DCS和PLC的互連和通訊。從而使得電廠(chǎng)的許多輔機(jī)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(gè)個(gè)“自動(dòng)化孤島”。
2、信息化（Information）時(shí)代對(duì)于DCS的要求 70年代DCS剛剛推出時(shí)，主要是用于控制。30年過(guò)去了，DCS僅僅用于控制，就是一個(gè)過(guò)時(shí)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(gè)理想的綜合信息系統(tǒng)，不僅僅可以實(shí)現(xiàn)良好的控制功能，而且已經(jīng)成為最好、最及時(shí)的信息集成工具。
因此，公司的高層領(lǐng)導(dǎo)決定：進(jìn)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(xiàng)目。采用最先進(jìn)的DCS系統(tǒng)和最先進(jìn)的信息集成技術(shù)，不僅僅要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制方案，而且要實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的信息管理模式。目標(biāo)之一就是：用一套DCS系統(tǒng)，來(lái)建立覆蓋全廠(chǎng)的高效先進(jìn)的實(shí)時(shí)信息集成監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程信息的“全廠(chǎng)一體化”采集、監(jiān)控和共享。
其中的第一步就是：堅(jiān)決消滅電廠(chǎng)的“自動(dòng)化孤島”現(xiàn)象。即用新一代采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)通信結(jié)構(gòu)的DCS來(lái)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(yuǎn)程I/O模塊。這些就地的遠(yuǎn)程I/O模塊負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)信息的采集和控制指令的輸出。它們用一條光纜或者一對(duì)屏蔽雙絞線(xiàn)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(shí)，這些遠(yuǎn)程I/O模塊的投資也比PLC系統(tǒng)便宜得多。
通過(guò)這些遠(yuǎn)程I/O模塊，實(shí)現(xiàn)了全廠(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程所有實(shí)時(shí)信息的共享：在新一代DCS系統(tǒng)的任何一臺(tái)CRT屏幕上，通過(guò)授權(quán)，都可以全面了解和掌握任何一個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。同時(shí)，由DCS系統(tǒng)的控制單元來(lái)完成對(duì)所有輔機(jī)系統(tǒng)的開(kāi)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(duì)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(jì)效益。其中的一個(gè)重要方面，就是要在熱電廠(chǎng)實(shí)現(xiàn)“全能值班員”制度。即熱電廠(chǎng)的運(yùn)行人員，必須同時(shí)具有監(jiān)控操作全廠(chǎng)所有控制系統(tǒng)（包括機(jī)、爐、電和全廠(chǎng)輔機(jī)系統(tǒng)）的能力。因此在整個(gè)集控室內(nèi)，不再?lài)?yán)格地分為司爐、司機(jī)和電氣值班。任何一個(gè)運(yùn)行人員，根據(jù)授權(quán)，可以在任何一臺(tái)CRT上，分別控制任何一臺(tái)鍋爐、汽機(jī)、電氣或者是電廠(chǎng)的任何一個(gè)輔機(jī)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(chǎng)，從而可以對(duì)全廠(chǎng)所有的運(yùn)行設(shè)備和生產(chǎn)狀況實(shí)現(xiàn)全面的監(jiān)控。堅(jiān)決不在許多輔機(jī)設(shè)備系統(tǒng)旁邊，再設(shè)置值班人員。包括化水車(chē)間和輸煤分場(chǎng)，也要把運(yùn)行人員減到最少。由此可見(jiàn)，PLC不能再用。因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)了PLC形成的“自動(dòng)化孤島”，往往就得在孤島現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置值班人員。為此決心實(shí)施“全廠(chǎng)一體化”解決方案，來(lái)全面提高整個(gè)熱電廠(chǎng)的自動(dòng)化水平、信息化水平和管理水平。
鑫源環(huán)保熱電的“全廠(chǎng)一體化”解決方案的基本思路就是：全廠(chǎng)用一套DCS系統(tǒng)，來(lái)建立覆蓋全廠(chǎng)的高效先進(jìn)的實(shí)時(shí)信息集成監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所有運(yùn)行設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程信息的“全廠(chǎng)一體化”方式采集、監(jiān)視和信息共享；同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠(chǎng)所有運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。
1、“全廠(chǎng)一體化”解決方案的概況
整個(gè)熱電工程分兩期進(jìn)行。第一期工程上2臺(tái)130T/H循環(huán)流化床鍋爐及2臺(tái)25MW單抽機(jī)組。第二期工程再上一臺(tái)鍋爐；有可能再上一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)組。兩期工程合用一套DCS系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全廠(chǎng)的一體化監(jiān)控。
控制方式采用爐、機(jī)、電集中控制。3臺(tái)鍋爐、2臺(tái)汽輪機(jī)、2臺(tái)發(fā)電機(jī)及升壓站出線(xiàn)、除氧給水系統(tǒng)及減溫減壓器等設(shè)一個(gè)機(jī)爐電集控室。電除塵、氣力除灰等設(shè)一個(gè)遠(yuǎn)程工作站; 同時(shí)，也可以在機(jī)爐電集控室內(nèi)實(shí)現(xiàn)集中控制和監(jiān)視。
運(yùn)行人員在機(jī)爐電集控室的CRT操作站上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的啟動(dòng)、運(yùn)行、停機(jī)狀況進(jìn)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(chǎng)檢查后，也可在集控室內(nèi)直接完成對(duì)輔機(jī)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(gè)輔機(jī)控制室，在化水車(chē)間內(nèi)。輸煤和化水系統(tǒng)各設(shè)一臺(tái)CRT操作站。化水車(chē)間和主廠(chǎng)房相距100米左右；它們的操作員站，通過(guò)光纜（或屏蔽雙絞線(xiàn)）和主廠(chǎng)房的DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)直接互連和通信。不需要加任何“網(wǎng)關(guān)”之類(lèi)的設(shè)備。
輸煤系統(tǒng)運(yùn)行以CRT為監(jiān)視和控制中心，輔以圖象監(jiān)視，可以實(shí)現(xiàn)就地和在機(jī)爐電集控室內(nèi)的正常運(yùn)行工況的監(jiān)視和調(diào)整；異常工況的報(bào)警和緊急事故的處理。
輸煤系統(tǒng)的攝像監(jiān)視，可通過(guò)就地的遠(yuǎn)程工作站，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送往輔機(jī)控制室，在DCS系統(tǒng)的CRT屏幕上顯示、監(jiān)視和控制。同時(shí)，輸煤系統(tǒng)的攝像監(jiān)視信號(hào)（轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后）也可以直接送到機(jī)爐電集控室內(nèi)，在DCS系統(tǒng)的CRT屏幕上進(jìn)行監(jiān)視和顯示。
由于實(shí)現(xiàn)了“全廠(chǎng)一體化”解決方案，在必要的情況下，通過(guò)授權(quán)，也可以在機(jī)爐電集控室內(nèi)，對(duì)整個(gè)輸煤系統(tǒng)進(jìn)行必要的操作；這樣輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行人員大為減少，基本上可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班（司爐可以兼管）。
化學(xué)水處理車(chē)間設(shè)有一個(gè)值班員，全面負(fù)責(zé)化水系統(tǒng)的運(yùn)行監(jiān)視和陰陽(yáng)樹(shù)脂的再生。由于實(shí)現(xiàn)了“全廠(chǎng)一體化”解決方案，因此在主廠(chǎng)房的機(jī)爐電集控室內(nèi)，在任何一臺(tái)CRT上，通過(guò)授權(quán)，也可以隨時(shí)了解和掌握化學(xué)水處理車(chē)間的運(yùn)行情況。必要時(shí)，通過(guò)授權(quán)，也可以直接在機(jī)爐電集控室內(nèi)，對(duì)化水車(chē)間的重要設(shè)備進(jìn)行啟、停操作以及監(jiān)視。
2、“全廠(chǎng)一體化”解決方案實(shí)現(xiàn)的功能
“全廠(chǎng)一體化”解決方案實(shí)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(jī)跳閘保護(hù)（ETS）、電氣控制系統(tǒng)（ECS）。其中SCS系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)輸煤、除灰、除塵等系統(tǒng)的控制。
實(shí)現(xiàn)“全廠(chǎng)一體化”解決方案的關(guān)鍵是選擇一個(gè)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(shí)現(xiàn)“全廠(chǎng)一體化”解決方案；也不是任何一家DCS公司都能做熱電廠(chǎng)的“全廠(chǎng)一體化”工程。這是因?yàn)椋?
1、傳統(tǒng)的DCS系統(tǒng)難以滿(mǎn)足熱電廠(chǎng)“全廠(chǎng)一體化”解決方案的要求。
傳統(tǒng)的DCS往往采用對(duì)等局域網(wǎng)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式。這種通訊方式的特點(diǎn)是：對(duì)每一個(gè)操作員站要顯示和控制的每一個(gè)I/O點(diǎn)，都必須事先由工程師站組態(tài)。
這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式在實(shí)現(xiàn)熱電廠(chǎng)“全廠(chǎng)一體化”解決方案時(shí)有很大的局限性。因?yàn)榻^對(duì)大部分熱電廠(chǎng)采用的是母管制運(yùn)行方式。母管制運(yùn)行方式下，往往要求全廠(chǎng)的CRT操作員站都能互為冗余互為備用；并且要求任何一個(gè)操作員站，通過(guò)授權(quán)，可以控制任何一臺(tái)鍋爐或任何一臺(tái)汽機(jī)；或者是任何一個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)。而點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式難以滿(mǎn)足這樣的要求。說(shuō)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(shí)，就把所有的#1爐I/O點(diǎn)名和地址送入#1操作員站。機(jī)組投運(yùn)后，#1操作員站就可以對(duì)#1爐所有的I/O點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，采集#1爐的所有實(shí)時(shí)信息，并且以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式對(duì)#1爐進(jìn)行控制。
那么，#1操作員站是否可以監(jiān)控#2爐或者#2機(jī)呢？由于傳統(tǒng)的DCS是采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式，因此必須有工程師站事先進(jìn)行了組態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，工程師站把兩個(gè)鍋爐或者兩個(gè)汽機(jī)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(tái)鍋爐操作員站和任意一臺(tái)汽機(jī)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(jī)的畫(huà)面；反過(guò)來(lái)，汽機(jī)操作員站也難以看到鍋爐的畫(huà)面。這就是傳統(tǒng)的DCS，由于采用了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式帶來(lái)的局限性。
所以，傳統(tǒng)的DCS難以實(shí)現(xiàn)“全廠(chǎng)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(tái)CRT操作員站能夠看到（甚至控制）任何一臺(tái)鍋爐、汽機(jī)或者任何一個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)的要求。
2、傳統(tǒng)的DCS公司的工程人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)難以勝任熱電廠(chǎng)“全廠(chǎng)一體化”工程的要求
要實(shí)施“全廠(chǎng)一體化”解決方案，就需要熟悉熱電廠(chǎng)各個(gè)控制領(lǐng)域，具有各個(gè)方面專(zhuān)業(yè)知識(shí)的工程技術(shù)人員。因?yàn)镈CS公司的工程人員，不僅僅需要熟悉鍋爐、汽機(jī)的工藝系統(tǒng)；掌握鍋爐、汽機(jī)的控制方案，而且還要熟悉熱電廠(chǎng)所有輔機(jī)的工藝要求；掌握各種輔機(jī)的控制方案。
例如，實(shí)施鑫源環(huán)保熱電“全廠(chǎng)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(jī)、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(zhuān)業(yè)，DCS工程人員必須具備各方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)才能做好工程。
而目前一些傳統(tǒng)的DCS公司（包括國(guó)外DCS公司的代理）工程部往往是不分專(zhuān)業(yè)的。熱電、化工、鋼鐵、水泥、造紙、輕紡，有什么項(xiàng)目就做什么項(xiàng)目。并且，工程人員一般不多，通常不超過(guò)20--30人。最多也不超過(guò)70—80人。因此難以專(zhuān)業(yè)化；知識(shí)結(jié)構(gòu)往往滿(mǎn)足不了熱電廠(chǎng)“全廠(chǎng)一體化”解決方案的要求，因此難以勝任熱電廠(chǎng)“全廠(chǎng)一體化” 工程的要求。
綜上所述，為了全面實(shí)現(xiàn)“全廠(chǎng)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(shí)公司的第四代DCS系統(tǒng)HOLLiAS—MACS系統(tǒng)。這是因?yàn)椋?BR>1、和利時(shí)公司的HOLLiAS—MACS系統(tǒng)是近年內(nèi)新開(kāi)發(fā)的新一代DCS系統(tǒng)；是符合國(guó)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(chǎng)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)；通訊協(xié)議采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP總線(xiàn)；
（2）提供先進(jìn)的遠(yuǎn)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(xiàn)和DCS系統(tǒng)進(jìn)行通信，最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到3000米以上。
（3）電子元器件直接從國(guó)外著名的大公司進(jìn)口；采用先進(jìn)的表面貼SMT生產(chǎn)線(xiàn)加工；
（4）系統(tǒng)軟件采用了國(guó)外先進(jìn)的控制軟件，并且實(shí)現(xiàn)了全面的漢化；
（5）采用了先進(jìn)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(kù)，因此可以方便靈活地實(shí)現(xiàn)在任何一臺(tái)CRT操作員站可以監(jiān)視或控制任何一臺(tái)鍋爐、汽機(jī)或者任何一個(gè)輔機(jī)系統(tǒng)的要求。
2、和利時(shí)公司目前是國(guó)內(nèi)最大的DCS公司。設(shè)有專(zhuān)門(mén)的電站工程部。有一批熟悉電廠(chǎng)的專(zhuān)家、高級(jí)工程師和工程技術(shù)人員。在該熱電工程項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中，和利時(shí)公司電站工程部熱電專(zhuān)業(yè)的工程人員和鑫源環(huán)保熱電工程技術(shù)人員進(jìn)行了緊密的合作和配合，采用和利時(shí)公司的HOLLiAS—MACS系統(tǒng)，已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了鑫源環(huán)保熱電“全廠(chǎng)一體化”解決方案的各方面要求。目前HOLLiAS—MACS系統(tǒng)穩(wěn)定，運(yùn)行良好。