摘 要：以秸秆和林业废弃物为主要原料的生物质发电技术，是充分利用可再生资源，大力发展循环经济的一种重要尝试。本文介绍贝加莱APROL DCS在黑山生物质发电厂中的应用。作者概述了生物质发电厂的工艺流程和系统需求，给出了基于APROL DCS的系统拓扑架构和配置，着重描述了该系统的各主要控制单元及其功能以及APROL DCS的冗余结构。该项目的设计和成功实施充分体现了B&R APROL系统对于复杂工艺过程的整体控制和适应能力。
关键词：APROL DCS；生物质发电技术；系统架构与配置；系统功能；控制单元
中图分类号：TP29 文献标识码：B 文章编号：
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 obviously show that B&R APROL system has the integral control and adaptive capacities for the sophisticated technological process.
Keywords: APROL DCS; Biomass Power Generation Technology; Architecture and
Configuration of System; System Functions; Control Units
0 前言
秸秆是一种可再生能源，每年，大量的秸秆在田间被烧掉不仅仅是能源的耗费，而且是对环境的污染，同时也给高速公路和机场航空造成了一定影响，并且焚烧秸秆还容易引发火灾。2004年开始，国能生物质能发电有限公司担负起国家关于以秸秆、林业废弃物为原料的生物质发电项目的重任。发展农作物秸秆直燃发电，不仅节能、环保、而且效益显著。有专家指出，可供直燃发电的2亿吨秸秆折合标准煤1亿吨。以秸秆代替煤炭作为发电新能源，是我国生物质能发电领域的重要突破，是利用可再生资源、大力发展循环经济的重要尝试，有利于经济增长方式的转变和农村经济的发展。
通过生物质发电项目的逐步实施，使得焚烧得到控制，在获得电能的同时，环境污染、有害气体排放方面也得到了有效的控制，其废料-灰渣可以作为高效复合肥返回农田，在将能量转化为电能后，其生物体依然可以作为生物废料返回农田，真可谓一举多得。
1 工艺流程与系统需求
1.1生物质电厂的工艺流程
黑山生物质发电厂项目中配置了一台12MW的凝汽式汽轮发电机组和一台48吨高温高压蒸汽锅炉作为核心工艺段，同时包括上料、炉前料仓、化水、电气等辅助工段。该系统涉及到DCS的I/O点数约2600点，其中模拟量699点。具体的工艺流程如图1所示。
图1 生物质发电厂的工艺流程
1.2控制系统的需求
在系统的前期论证过程中，黑山生物电厂和系统集成方——中国电科院以及贝加莱（中国）的工程师们进行了深入的探讨和技术交流，并对系统需求进行了确认。简述如下：
（1） 该系统需要提供针对数据服务器、DPU、现场总线和I/O总线的冗余；
（2） 汽轮机、锅炉主控，可自定义功能设计；
（3） 设置GPS校时和SOE事件顺序记录；
（4） 满足标准要求的审计追踪功能设计；
（5） 具备与第三方设备通讯的能力；
（6） 具备系统自诊断功能，包括服务器、CPU和I/O的自诊断能力。
对于上述复杂而严格的要求，B&R APROL DCS系统凭借其良好的性能和快速的功能响应，提供了整个电厂主控、辅控一体化的控制方案，并得到实施。
2 系统解决方案
APROL DCS作为搭建该系统的软硬件平台，满足了复杂控制工艺和功能的要求。针对具体的系统需求构建了优化的冗余控制设计方案，取得了良好的控制效果和稳定性。
2.1系统拓扑架构与配置
2.1.1系统总体架构与配置
对于连续生产过程，DCS系统必须保证数据的连续性和过程记录的可追溯性，这就对系统的冗余提出了要求，而B&R的APROL DCS系统很好地满足了这些严格的要求，提供了以下能满足电厂需求的配套冗余方案。该系统的网络拓扑结构图如图2所示。
该系统包括2台操作员站、1对冗余数据服务器（同时兼作操作员站）、1台工程师站、1台值长站、5对冗余DPU站，采用了过程数据服务器冗余、控制总线和I/O总线冗余的网络架构，提供了稳定可靠，符合电厂生产要求的数据采集监控和现场级控制工艺设计。
该系统配置了HP370高性能数据服务器，双SCSI硬盘，支持RADI1数据冗余和带电热插拔，高效地存储全部实时和历史数据；在中央控制室内的操作员站采用HP7600高性能PC，提供了针对汽轮机和锅炉主控及辅控单元的操作应用。
2.1.2冗余配置的网络架构
操作网络（操作员站、冗余数据服务器和工程师站服务器之间）、过程网络（DPU和冗余运行服务器以及工程师站服务器之间）、I/O总线（DPU和I/O站之间）均采用双100M以太网， DPU冗余对之间的同步总线和I/O总线共用；操作网络，过程网络和I /O总线都配置成冗余结构。
过程网络冗余保证了最关键的DPU到现场控制设备的数据连续性；所有I/O站通过冗余双以太网总线将数据快速实时地保存到冗余DPU中，对于危险和影响安全操作的参数而言，是至关重要的。
2.1.3 冗余配置的DPU控制器
对于需要连续性生产的大型电厂而言，DPU的冗余是必不可少的，一旦某个工作的冗余站主站发生故障，系统能自动地以无扰动方式，快速切换至与其互为冗余的从站，并在操作员站报警。当发生故障的处理器修复后，系统将自动进行状态拷贝并使其处于冗余运行方式。
该系统实际共配置了5对冗余DPU站：其中锅炉配置一对冗余DPU，下面挂接3个I/O站；FSSS部分配置一对冗余DPU，挂接4个I/O站；汽机部分配置一对冗余DPU，挂接7个I/O站；电气配置一对冗余DPU，挂接2个I/O站；化水配置一对冗余DPU，挂接2个I/O站。所有的DPU均选用高性能的2005系列CP382，该模块的任务周期可以达到200us，配置3块3IF781.9，扩展 成4个以太网口，采集所有的过程信息。智能I/O站CPU选用2005系列的CP360，配置1块3IF781.9，扩展成2个以太网口，以1ms的高速扫描周期处理SOE变量。.
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2.1.4过程数据服务器冗余
在APROL系统中对于实时数据、报警记录、事件记录等提供了数据库冗余方案，以确保在故障时能够对于相关实时参数快速保存，并为工艺追溯和改善提供数据分析基础，便于系统分析师对系统进行调整和改善。
图2 系统的网络拓扑架构
2.1.5 系统I/O点配置
该系统的I/O点配置如表1。
表1 系统I/O点配置
2.2控制单元及其功能
生物质能电厂与常规火力发电厂最大的不同是燃料的不同，尤其是生物质燃料的水分含量较高且不稳定，其热值不固定，进而导致了燃料处理、输运、锅炉燃烧方式的不同。而汽轮机、发电机、电气和辅助车间等系统的控制方式与相同规模的常规电厂并没有太大的不同。机组控制采用机跟炉的调节方式，锅炉调负荷，汽机随锅炉负荷的变化而保持进汽的压力基本保持不变。
机炉协调控制机制是贝加莱应用APROL DCS为该生物质电厂项目制订的控制策略，具有闭环调节主蒸汽压力和机组功率控制功能，机组负荷指令被送到汽轮机主控回路作为前馈信号，从而使系统获得蒸汽压力和主机功率快速达到目标值的调节能力。该生物电厂DCS系统由锅炉、汽机主控系统以及电气和化水辅控系统的各子系统构成。
2.2.1锅炉主控单元
锅炉主控包含以下单元：
FSSS（炉膛安全监控）实现了主燃料跳闸(MFT)、点火前及停炉后吹扫控制以及火焰检测等功能，有效的确保锅炉炉膛的安全运行。
BPS（旁路控制功能）实现了再热器保护、维持机前压力、限制锅炉升压速率、高旁阀出口温度控制等；
MSC（模拟量控制）包含了机炉协调机制、燃料量、炉膛负压、汽包水位、主汽压力等的自动调节能力。
SCS（辅助设备顺序控制单元）实现了送风、引风自动启停及连锁保护。
上面的子系统分别由两对冗余DPU站控制，原则上根据实际的占多数I/O处于哪一个冗余站，该系统就分属此冗余站；但是实际实施过程中，由于设计院设计点数的时候并不会按系统功能严格划分I/O点，以及不同的系统之间存在逻辑上的互用，项目中通过定义全局交叉变量的方法，来实现不同DPU之间的数据交换。
锅炉控制系统中关键环节是汽包水位控制，正常情况下系统汽包水位始终应在0位，用户要求控制精度在±5mm。汽包液位采用三冲量控制，这样可以使系统达到很高的精度，它将汽包的液位作为主回路，把锅炉产生的蒸汽流量乘以相应的系数和主回路的输出作副回路的设定值， 给水流量作水位调节的副回路，构成三冲量调节。采用自定义开发的专用PID模块可容易地实现上述控制功能，而且控制精度完全能满足用户系统的要求。汽包的水位在将调节器参数整定合适的基础上可以稳定在±3mm范围之内。
在项目实施中，由于其中一个冗余DPU站运行的PID数量多达三十几个，使得冗余控制器的同步数据量剧增，导致冗余切换时间过长，PID调节参数在切换过程不平稳，后来通过优化同步数据以及指定部分功能块运行于服务器中的方法，保证了同步的可靠性和切换的平稳性。
图3 锅炉系统主画面
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2.2.2汽机控制单元
汽机主控包含以下单元：
DEH（汽机数字电液控制）单元，通过升速控制、超速限制与超速保护、主汽压力控制、单多阀、自动同期控制等多个功能块提供了针对汽轮机的转速和负荷控制，确保机组安全高效运行。采用和利时公司的DEH系统，该系统提供必要的采集量通过硬接线方式接入到DCS系统。
ETS（汽轮机危急遮断保护系统），当有危急及汽轮机安全运行的状态和参数出现时，迅速关闭汽轮机进气阀门，及时切断汽轮机所有进气的保护系统。采用江苏众阴公司的ETS系统，该系统提供必要的采集量通过硬接线方式接入到DCS系统。
TSI（汽轮机安全监视系统），能连续地检测汽轮机的各种重要参数，帮助运行人员判明机器故障，使机器能在不正常工作引起的严重损害前遮断汽轮机发电机组，保护机组安全。另外，TSI监测信息提供了平衡和在线诊断数据，维护人员可通过诊断数据的帮助，分离可能的机器故障，减少维修时间。TSI还能帮助提出机器预测维修方案，预测维修信息能推测出旋转机械的维修需要，使机器维修更有计划性，其结果是减少了维修费用，提高了汽轮机组的可用率。采用本特利公司的TSI系统，该系统提供必要的采集量通过硬接线方式接入到DCS系统。
MSC（模拟量控制）包含了机炉协调机制、除氧水位、减温减压温度阀和压力阀等的自动调节能力。
SCS（辅助设备顺序控制单元）实现了凝结水泵、循环水泵、射水泵、调速油泵、润滑泵、高加、低加进汽阀等一系列辅助设备的顺序启停。
汽机控制主要涉及到给水泵和射水泵的双泵切换以及自动起双泵，为此特地根据具体的工艺要求设计了一个双泵切换的超级宏来控制双泵切换。
图4 汽机系统主画面
2.2.3 辅控系统
电气辅控主要是采集一些刀闸开关的分合状态，增磁、减磁以及发送同期指令等。
化水辅控主要是采集一些泵和阀的状态，细沙过滤器的顺控、细沙过滤器冲洗顺控和混床再生顺控等。
图5 化学水控制系统画面
APROL DCS集成了以上各部分的控制，实现了整个电厂主控、辅控一体化的控制方案。
2.3 系统的其它功能
2.3.1 SOE事件顺序记录
该项目中对于发电机出口开关事件，真空低压、ETS故障、主汽门关闭、轴向位移大停车、MFT保护停机、AST磁力断路油门等关键点提出了SOE日志记录的要求，涉及到总计57个SOE数据点的数据高速采集，现场配置的B&R DI476模块可以达到500uS的数据扫描能力，实现了SOE站内分辨率小于1mS，站间分辨率小于2mS的特殊性能要求。
2.3.2 GPS校时
SOE（事件顺序记录）提供了在系统故障如：跳闸、安全报警等状态下提供实时数据记录，为故障分析提供非常重要的数据分析基础，而GPS校时则是配合SOE及其它报警功能所必须的。
通过为第三方中瑞科技的GPS自动校时设备CP220 E模块提供驱动程序，将GPS信号接入到其中一台数据服务器。操作站、工程师站，现场DPU单元通过XNTP网络与该服务器对时，实现时间标签功能。
2.3.3 与第三方系统之间的数据通讯
对于大型系统应用而言，开放性是绝对不可缺少的能力，APROL DCS提供了灵活便捷的与第三方系统实现数据通讯的能力。
系统内嵌了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等众多驱动程序。
(1) 与除尘系统通讯
在该项目中除尘系统采用了SIEMENS S7-300 PLC作为控制单元，APROL子模块提供了Profibus- DP通信接口，以B&R 现场控制单元为DP Master，S7-300 PLC站为DP Slave的方式实现了数据交换链接。
图6 与除尘系统S7-300 PLC通过Profibus- DP的数据通讯设置
(2) 与辅助上料系统通讯
通过Modbus总线与上料系统的第三方破碎设备实现通讯，APROL内控制其为Modbus Master站，第三方设备为Modbus Slave站，通过RS485总线连接，实现对辅助上料系统的控制连接。
2.3.4 系统的自诊断能力
对于一个高效而成熟的系统而言，系统应具备极强的自诊断能力。APROL DCS系统就提供了丰富的自诊断功能，不但增强了系统的易维护性，同时也减少了维护人员工作量。
(1) 冗余服务器状态和性能监测
通过APROL系统内置的功能调用，可以对冗余数据服务器的状态，如CPU负荷、资源利用状态，报警等进行自行记录，并通过声光报警方式提供给操作员站，以便及时对系统进行调整和相应的操作。
(2) CPU状态和I/O模块自检
对于关键点的CPU和I/O模块而言，自检能力非常必要，它使得用户可以在线把握系统的故障点，并及时作出调整的响应。
2.3.5 审计与追踪功能设计
为了有助于用户发现干扰系统的故障并且能够实时跟踪操作员动作，APROL提供了审计追踪功能模块；
(1) “Audit Trail”功能
APROL提供“AuditTrail”, 它能将 “4W” (who, where, when, what)信息完整无误地保存起来，提供事后的系统干扰来源数据分析基础。
(2) APROL 完全满足 “FDA 21CFR Part 11”标准
FDA 21 CFR是一项旨在确保电子数据有效性和可靠性的标准，遵照此标准而保留的数据方可作为通过检验或者今后追溯的有效数据来源，APROL满足此标准的设计使有效数据得到很好的保存。
APROL的标准设计满足能力使得过程监控在一种通用标准下得到实现。
3 结束语
APROL DCS系统提供了高度的数据透明性和可追溯性设计，具有能适应灵活的现场硬件架构和软件组态变化的能力，它丰富的图形界面、灵活的配置参数、工艺功能块超级宏设计、审计和追踪功能、报警与趋势分析以及系统自诊断功能，使得其在生物质发电厂的应用中完全满足了苛刻的技术要求。
该项目的成功实施，充分体现了B&R APROL系统对于复杂系统的整体控制和适应能力，一期项目已在2008年11月完成， 2008年12月该机组投入实际商业运行，预计年发电量可达77GW，可利用秸秆10万吨，提供10.05×104 GJ的供热能力。
作者：贝加莱工业自动化（上海）有限公司技术工程师 曾金发（西安办事处周晓霞改编）
（转载）
