大型火电机组辅助车间集中监控网络方案与配置.pdf

第 3 2卷 第 2期 2 0 1 0年 2月 华 电技 术 Hu a d i a n T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 2 No． 2 Fe b． 2 Ol O 大型火 电机组辅助 车 间集 中监控 网络方案与配置 肖长歌 ， 胡善云， 杨育红 国核 电力规划设计研究院 ， 北京1 0 0 0 9 4 摘要 论述 了大型火 电机组辅助车 间的控制水平 和各种监控方案及辅助车间集中监控 网络 系统 简称辅 网 存在 的问 题 ， 对制约辅 助车间集 中监控 网络系统 的几项关键技术进行 了深入的分析 ， 结 合国 电费 县电厂一期 2 6 0 0MW 超 临界 机组 工 程 ， 提出了基于工业以太网的大型火电机组辅 助车间集 中网络系统 的监控方案和配置方案。 关键词 集中监控 ； 控制方式； 工业以太网； 辅网； 配置 中图分类号 T P 2 7 7 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 0 0 2 0 0 4 6 0 5 0 引言 目前 ， 大容量超临界火 电机组 的主控基本上实 现了 D C S的全 数字化 自动控 制 ， 自动化水平 比较 高， 而辅助车间的 自动化水平较低 ， 运行人员较多。 辅助车间集中监控 网络方案的实施 ， 不仅可以提升 火力发电厂辅助车间的 自动化水平 ， 实现辅控与主 控的协调及各辅助车 间控制系统之间的协调统一 ， 而且可以减少就地值班人员 ， 达到减人增效节省投 资之 目的 ， 这对处于激烈竞争环境中的发 电企业来 说 ， 是十分重要和必要的。 本文针对辅 网存在 的各种 问题进行 了研究探 讨 ， 通过先进的网络技术及设备， 寻求合理 的技术方 案， 构建适应于火力发电厂辅助车间集 中监控的网 络系统 简称辅 网 ， 实现在集控室对整个辅助车间 各工艺系统及设备 的运行监视与控制。 1 火 力发 电厂辅助 车间监控概况 目前 ， 国内大型火力发 电厂各辅助车问的监控 方案大致可归纳为 3点。 1 各辅助车间控制系统相互独立 ， 互不关联。 2 辅助车间根据系统 的相关性进行联 网， 形 成局部 网络 ， 系统或者区域设置多个有人值守的运 行控制室 如水 网、 煤 网、 灰网等控制点 ， 但各 控制 点之间不联网 。 3 部分电厂将各辅助车间控制系统互联 ， 实现信 息共享， 但处于监而不控的状态 ， 究其原因可归结为 1 控制系统硬件系统品牌和型号及配套的软 件种类较多 ， 出现软硬件不兼容问题。 2 在辅网运行过程中， 会出现 网络 中断、 服务 器反应迟钝或死机 的情况 ， 造成网络局部或全部瘫 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 2 9 痪 ， 存在很大的安全隐患 。 3 因各服务器 的数据库数据过于集中而导致 数据存取速度慢 ， 威胁网络的实时性 。 4 网络带宽有 限导致数据 的传输速度 不够， 引发操作失败或延迟。 5 缺乏熟悉各辅助车间运行 和操作的全能值 班员。 2 辅助 车间集 中监控 网络 系统总体规划 2 ． 1 系统总体规划 针 对 国电费县 电厂一 期 2 6 0 0 M W 超 临界 机 组 工程辅助车问的工艺特点及控制要求对辅 网进 行规划 ， 如图 1 所示 。 2 ． 2 控制方式及控制水平 2 ． 2 ． 1 辅助车间控制方式 该工程辅 网操作员站布置在机组集控室 内， 辅 网工程师站布置在集控室后的辅 网工程师室 ， 机柜 布置在集控室附近的电子设备 间。 为节约电缆及安装辅材 ， 降低工程造价 ， 各辅助 车间 P L C柜按照各辅助车问的相对位置 ， 采用如下 分散布置方式 1 采暖、 通 风及 空调控制 系统机柜和临时终 端布置在集控楼电子设备间。 2 凝结水精处理控制系统机柜和临时终端布 置在汽机房凝结水精处理电子设备室。 3 锅炉补给水处理控制系统辅助操作员站布 置在锅炉补给水处理车间控制室 ， P L C柜布置在锅 炉补给水处理车间电子设备问。循环水处理系统远 程 I ／ 0柜布置在循环水处理 车间。排水泵房远程 I ／ O柜布置在排水泵房。综合水泵房和净水室远程 I ／ 0柜布置在综合水泵房 。取水泵房远程 P L C站 ， 临时终端和机柜布置在取水泵房。污水处理系统远 程 I ／ 0柜布置在污水处理站电子设备间。工业废水 第 2期 肖长歌 ， 等 大型火电机组辅助车间集中监控网络方案与配置 4 7 南面王程 蛋辅两赫 ⋯ 蘖 岛0 董 图 1辅助车间监控 系统规划 图 处理控制系统远程 I ／ O柜布置在工业废水处理车间 1 水控制点。主要包括凝结水精处理混床及 电子设备间。制氢站远程 I ／ O柜布置在制氢站 电子 再生系统 、 汽水取样及化学加药系统 约 1 0 5 0点 ； 锅 设备室。 炉补给水处理系统 约 9 6 0点 ， 循环水处理系统 约 4 气力除灰 、 电除尘辅助操作 员站布置在灰 1 6 0点 ， 工业废水处理系统 约 3 5 0点 ， 制氢站 约 控制室， P L C柜布置在除灰电子设备问。 8 0点 ， 水净化处理系统和综合水泵房 约 3 3 0点 、 5 输煤控制系统辅助操作员站与 P L C机柜布 生活污水、 含油及含煤废水处理系统 约 3 5 0点 ， 排 置在输煤控制室。 水泵房 约 1 2 0点 、 取水泵房 约 5 0 0点 等。 2 ． 2 ． 2 辅助车间控制水平 2 煤控制点。输煤系统 约 1 2 0 0点 。 在集控室 内， 辅 网操作员站为运行人员对辅助 3 灰控制点。除灰系统 约 1 1 0 0点 和电除 车间进行监视 、 调整与控制的中心， 运行人员以显示 尘 系统 约 4 0 0点 。 器 、 键盘和鼠标作为辅 助车间的主要监视和控制手 4 采暖、 通风及空调控制系统 约 5 5 0点 。 段 ， 在就地人员的巡检和少量操作的配合下 ， 实现辅 助车间所有远控设备的启停 、 运行工况监视和调整 以及事故处理。辅助车间按水 、 煤 、 灰 3点设就地辅 助控制室 ， 其他辅助车间无人值守。启动运行初期 或辅网故障时 ， 在就地控制室的操作员站进行 运行 工况监控及异常工况处理。辅 网正常运行后 ， 各辅 助车间由集控室 内的辅 网系统操作员站进行监控 ， 就地辅助控制室仅设置车间巡检人员。辅网操作站 与就地控制室操作员站均能进行监视 ， 但相互闭锁。 2 ． 3 系统控制范围 该工程辅 网系统的 I ／ O规模共约 7 5 0 0点 ， 监控 范围包括 3 辅 助车间集 中监控 网络关键措施 为实现上述辅网络规划方案 ， 本文根据 国内部 分 已经实现辅助车间局部相对集中控制或统一集 中 监视 的电厂运行情况 ， 从工业 以太网关键技术 、 网络 拓扑结构及网络硬件设备等关键方面着手 ， 充分研 究网络技术在火 电厂辅网 中应用 的实际情况 和特 点 ， 结合 目前工业以太网及网络设备发展技术 ， 制订 了相应措施。 3 ． 1 工业以太网关键措施 1 采用 1 0 0 M／ 1 0 0 0 M 和 T C P ／ I P协议的全双 工交换式工业 以太网技术 ， 保持 2 5 ％以下的网络负 4 8 华 电技 术 第3 2卷 荷 ， 以解决网络传输冲突， 提高传输速率， 保证 以太 网通信的确定性和实时性。 2 应用数据包优先级配置 ， 通过优先排序 ， 保 证紧急信息及时准确的传输和处理 ， 保证 网络 的可 靠性和安全性。 3 合理分割 网段 ， 采用冗余拓扑结构 ， 合理选 择工业 以太 网网络产品， 保证网络的稳定性。 4 采用带有过滤功 能的交换机 和防火墙 ， 保 证网络及系统安全。 3 ． 2工业以太网网络拓扑结构 基于网络可靠性 、 实时性和经济性因素， 对双环 双节点和冗余星形等适用于辅网的拓扑方案进行技 术及性价 比分析 ， 选择了具有 以下 5个特点 的冗余 光纤星形拓扑结构来构建辅网监控平 台， 其具体配 置如 图 2所示 。 1 适用于对系统通讯可靠性要求极高 ， 交换 速度较快的场合。 2 实现了链路双冗余 ， 允许交换机 、 光纤 、 网 线 网卡 3种故 障， 直接通过 背板 交换 ， 交换 速度 快； 布线复杂， 网络设备、 网络光 电 缆 、 网卡均为 双份 。 3 光纤 网， 抗干扰性能好 ， 故障切换时间小于 5 0 0 ms ， 切换时间取决于软件， 实时数据安全性好 。 4 提供就地设备的网络接 口， 可用便携式设 备实现就地设备监控和组态联调。 5 可根据需要选用 不同的网络接 口模块， 配 置灵活 ， 其可扩展性优于双环网。 3 ． 3 工业以太网网络硬件选择 高质量的控制网络平台必须有稳定可靠的网络 设备作为物理载体 ， 基于对网络交换机、 网络服务器 和网络传输媒介的特点， 结合现场工作环境和产品 应用业绩及运行情况的分析 ， 给出了网络设备的选 取原 则 。 1 网络交换机。骨干交换机和下层交换机应 选择具有 1 0 0 M或者 1 0 0 0 M高速通信模块 ， 冗余电 源模块和基板 ， 层 间和层 内通讯链路冗余 的工业 以 太网交换机 ， 其端 口备用要达到大于 3 0 ％ ， 系统通 讯负荷率要小于 2 0 ％。 2 网络服务器选用具有电源冗余 、 双机热备 、 故障切换等功能 ， 持续运行率达 9 9 ． 9 ％的工业级 网 络服务器。 3 网络传输介质。推荐采用 5类双绞线和光 纤 2种通讯介质 ， 以保证网络的可靠性和安全性 。 3 ． 4工业 以太 网 网络 通讯 速度 网络传输速度是决定辅网性能的关键因素 ， 作 者经过对数据量 的分析认 为 ， 1 0 0 M和1 0 0 0 M都可 图 2冗余星形拓扑结构 第 2期 肖长歌 ， 等 大型火电机组辅助车间集中监控 网络方案与配置 4 9 以满足辅助车间集中监控 网络平台的要求。鉴于影 响 目前辅网系统 的主要因素 ， 为 了提高网络 系统 的 传输性能和实时l生， 减少网络拥堵 ， 该工程设计推荐 中、 下级 网络数据量较小采用 1 0 0 M b i t ／ s 工业 以太 网、 骨干网传输数据量较大采用 1 0 0 0 Mb i t ／ s 工业 以 太 网及相应 网络设备 。 3 ． 5 控制系统的选择原则 为解决各辅助车间的控制系统的软件和硬件不 统一造成的不兼容问题 ， 本文 提出统一各辅助车间 的控制系统 、 监控和组态软件严格统一的原则 。 4 辅助车 间集中监控 网络系统方案及配置 4 ． 1 系统方案及配置 经过对上述 内容的分析 比较 ， 确定 了该工程辅 工程师站 、 服务器 、 网络主交换机 、 通讯系统及各子 控制系统的 P L C装置构成。 2 网络通讯构架。网络拓扑结构采用可靠性 高的双冗余的星形结构。中心交换机与各控制点的 2层交换机通过 1 0 0 0 M b i t ／ s 冗余光纤 以太网构成网 络骨干。2层 网络交换机与各子控制点监控系统采 用 1 0 0 M b i t ／ s 冗余工业 以太 网互联。辅 网与全厂信 息监控系统采用 1 0 0 0 M b i t ／ s 光 口实现单向通讯 。 3 各辅 助车 间及暖通 控制 系统均 采用美 国 A B C o n t r o l L o g i x系列的双 C P U冗余热备 P L C， 网络 交换机均采用德国赫斯曼 M系列冗余交换机。 4 ． 1 ． 2 系统软件配置 Wi n d o w s 2 0 0 0 P r o f e s s i o n a l 上位机软件 ， 统一版 本的 R S V i e w监控软件 ， 统一版本的 L o g i x 5 0 0 0编程 助车间集中监控网络系统结构方案。 组态软件 。 4 ． 1 ． 1 系统硬件配置方案 辅助车间集 中监控 网络系统方案配 置见 表 l ， 1 辅助车 间集 中监控 网络系统 由操作员站 、 其网络结构拓扑示意图如图 3所示 。 表 1 辅助车 间集 中监控 网络系统方案 注 辅网集控 ， C N S； 采 暖通风 ， V T S ； 锅炉补给水 ， D T S ； 凝结水精处理 ， C P S ； 补充水泵房 ， A WS ； 制氢站 ， H P S ； 除灰 ， A H S ； 电除尘 ， E D C； 输煤系统 ， C H S 。 4 ． 2系统方案特点 该方案根据各辅助车间控制系统的规划和现场 布置 ， 采用 了目前可靠成熟先进的网络技术和设备， 以最优化的配置 ， 保证 了网络的高可靠性 。 4 ． 2 ． 1 网络结构特点 1 星形对等结 构 ， 采用 屏蔽双 绞线 S T P 或 光纤 。 2 采用全双工点对点通讯方式 ， 传输不再受 到 C S MA ／ C D限制 ， 具有 良好的实时性。 3 中央节点 是交换机 ， 能消 除因站点增加所 造成的网络瓶颈现象 。 4 交换机端 口对应连接 网络站点 ， 各 站点独 享 1 0 0 Mb i t ／ s 或 1 0 0 0 Mb i t ／ s网络带宽。 5 网络具有 良好 的扩展 性 ， 可以方便地 将其 他新增系统通过核心交换机纳入辅网。 6 符合标准 I E E E 8 0 2 ． 3以太 网标准 ， 支持光 纤／ 双绞线连接和 T C P ／ I P的工业级硬件 。 4 ． 2 ． 2 先进的性能指标 通讯总线 负 荷率 ， ≤2 0 ％ ； 控 制器 负 荷率 ， ≤ 4 0 ％ 最忙时 ； 操作员站负荷率 ， ≤4 O ％ 最忙时 ； 存储器 占用容量 ， 内存 ≤5 0 ％ ， 外存 ≤4 0 ％ ； 平均响 应时 间 ， 2 S 。 4 ． 2 ． 3 较低 的运行成本 根据该设计方案 和其他 电厂辅助车 间控制方 式 ， 其投资及运行成本比较见表 2 。 表 2 投资及运行成本 万 元 5 0 华 电技 术 第 3 2卷 补 水 泵 房 锅 炉 补 给 水 凝 结 水 输 煤 除 电 灰 除 除 尘 渣 ① ． 1 0 0 0 Mb i t ／ s 单模光口② l 0 0 0M b i t／ s 电口；③ l O 0 Mb i t ／ s 电 口④． 1 0 0 M b i t ／s 多模光 口 ⑤ ． 1 0 0 Mb i t ／ s 单模光 口 图 3 网络结构拓 扑示意图 投资及运行成本 分析结果表明 ， 该工程辅助车 参考文献 间集中监控 网络系统方案在 电厂全寿期 内， 可 以明 显地减人增效 ， 降低运行成本。 5 结论 现场实际运行结果 表明， 该工程辅 网设计技术 方案合理 ， 解决 了诸如 软硬件不兼容 、 网络拥挤缓 慢、 控制延迟等 问题 ， 现场运行效果 及试 验性能 良 好 ， 不仅提高了整个辅助车问的 自动化水平 ， 进而提 高了全厂的 自动化水平和运行管理水平， 而且 实现 了减人增效、 降低了运行成本 ， 推动了辅助车间集中 监控 网络系统在电厂 的应用。 上接 第4 5页 [ 2 ] 廖大鹏， 尹民权．T L T动叶可调轴流式风机机械故障分 析[ J ] ． 华电技术 ， 2 0 0 8 ， 3 0 9 3 9 4 2 ． [ 3 ] 华东六省一市电机工程 电力 学会． 锅炉设备及其系统 [ M] ． 2版．北京 中国电力 出版社 ， 2 0 0 6 3 5 7 ． B [ 1 ] 王星 ， 虞茂盛 ， 叶春 ， 等． 火力 发 电厂辅助 车 间集 中监控 系统 的设计与实现 [ J ] ． 动力工程 ， 2 0 0 4 ， 2 4 1 6 4 6 7 ． [ 2 ] 罗颖坚． 浅析台山发电厂辅助车间集中控制网[ J ] ． 广东 电力 ， 2 0 0 6 ， 1 9 2 5 5 5 8 ． [ 3 ] 杜永春 ， 徐米清． 基 于工业 以太 网的发 电厂辅 助车 间集 控系统[ J ] ． 浙江电力， 2 0 0 2 4 2 8 3 0 ． [ 4 ] 林宏． 工业控制中以太网技术应用研究[ D] ． 福州 福州 大学 ， 2 0 0 5 ． 编 辑 王 书平 作者简 介 肖长 歌 1 9 7 9 一 ， 男 ， 山东 胶南 人 ， 工程 师 ， 工 学硕 士 ， 从事核电、 火电厂仪表与控制系统设计与研究工作。 编 辑 白银 雷 作者 简介 钱红祥 1 9 7 1 一 ， 男， 湖北孝感人， 工程师， 从事锅炉设 备检修及技术管理方面的工作。 制 氢 站 净 水 室 工 业 水 加 药 综 合 水 泵 房 含 油 含 煤 污 水 工 业 废 水