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GE自动化解决方案在燃气-蒸汽联合循环电厂中的应用


GE Fanuc 自动化解决方案在燃气-蒸汽联合循环电厂中的应用 摘要:
本文主要介绍 GE Fanuc 自动化解决方案的软、 硬件产品: 自动控制器 (系列 90-70、 系列 90-30、 VersaMax、 PACSystems RX7i、PACSystems RX3i)、组态软件(VersaPro、Machine Edition、OpenProcess)、HMI

/SCADA 监控软件(Proficy CIMPLICITY、Proficy iFIX)、实时历史数据库软件(Proficy Historian)及数据分 析和 Web 发布软件(Proficy Info Portal)在燃气-蒸汽联合循环电厂中从现场控制、数据采集、历史存 储、数据分析到最终 Web 发布的应用情况。

引言:
济钢燃气-蒸汽联合循环电厂是世界上第一代烧低热值混合煤气的燃机电厂,主要利用现阶段绝大部 分钢铁企业中放散掉的富余煤气进行发电。该联合循环发电项目是济钢减少污染、能源再利用、降低生产 成本的大胆探索与尝试,在钢铁行业的煤气平衡和利用、降低环境污染、提高资源利用率等方面具有积极 的带动作用,是国家大力提倡发展循环经济、建设节约型社会的标志性项目。

概述:
该项目的工艺流程是将炼钢、 炼铁产生的 高炉煤气与焦化产生的焦炉煤气, 分别经过除 尘、净化和脱萘、电捕焦以及脱水处理之后, 图1 按一定比例混合成低热值的煤气, 经煤气压缩 机加压到一定压力和温度, 送给燃气轮机燃烧 膨胀做功带动发电机进行第一次发电, 由燃气 轮机排出的高温烟气再经余热锅炉产生高温、 高压的蒸汽带动汽轮发电机进行二次发电, 从 而实现联合循环(图 1) 。整个联合循环电厂 的一期工程共有 2 套机组,由 16.5 万m3高炉 煤气柜、高炉煤气净化、焦炉煤气净化、2 台 煤气混合站、2 台煤气压缩机、2 台燃气轮发 电机、2 台余热锅炉、2 台蒸汽轮发电机、厂 用电系统、GIS系统、公用系统和SOE系统几 大部分组成。 济钢燃气-蒸汽联合循环电厂,是济钢能源集中管理的一个重要组成部分。作为一个新建项目,无论 是在自动化控制,还是生产调度管理上,都需要有一套先进的自动化解决方案来与之配套,更好地保证发 电系统的安全稳定运行: 在自动化控制方面,整个项目涉及的设备众多,每个设备都有其各自不同的控制要求,因此,在控制 系统的选择上绝对不能一概而论,如何根据各个系统自身的特点选择适合自己的控制器,花最少的钱,达 到最佳的控制性能,是整个发电项目控制系统最核心的部分,也是需要考虑最多的部分;在确定了合适的 控制器之后,紧接着面临的就是如何在所选用的控制器上满足设备的控制要求,如煤气压缩机和锅炉汽机 等大型设备的安全控制及混合站系统的高精度控制等,不仅要有高性能的冗余热备功能,还必须有先进的 控制手段来实现设备的自动控制;在实现了单一系统的控制基础上,面对厂区如此众多的设备,如何将全 厂的设备整合成一个完整的系统,实现分布式集中控制,这对整个的网络结构、现场总线以及不同系统间 的相互通讯等都是一个大的考验;在整个发电系统大连锁关系确定之后,当机组连锁跳机时,如何快速、 准确地判断引起跳机的事件时间顺序及连锁条件,查明跳机原因,也是控制系统职责之一。

图2

SOE系统 90-30

解决方案:

PWR CPU364 ETH SER300 SER300 MQG_Collector MQG_RIF

高炉煤 16.5万高炉气柜 气净化 VersaMax 90-30

ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

一.控制系统解决方案:
16.5气柜操作站 煤气净化操作站 混合站操作站
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

GTS_Collector GTS_RIF

ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

1#煤气 混合 90-70 焦炉煤 气净化 90-30
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

CPU05 PWR102B ETH MDL650C MDL650C MDL650C MDL750B PWR CPU GBC GBC ETH MQJH_Collector MQJH_RIF PWR CPU GBC GBC ETH

PWR CPU GBC GBC ETH PWR CPU GBC GBC ETH
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

MIS系统

防火墙

MIX_Collector MIX_RIF

1#煤压机 90-70

2#煤压机 90-70

2#煤气 混合 90-70 交换机C

ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

交换机A
数据库服务器
MYJ_Collector MYJ_RIF

IHServer iFix

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

历史趋势站

1#锅炉 汽机 90-70

2#锅炉 汽机 90-70

IAServer IA_RIF

Web发布服务器

GLQJ_Collector GLQJ_RIF

交换机B

R S Controller Controller P T Controller Protective
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

煤压机操作站 燃机操作站 锅炉汽机操作站厂用电系统操作站公用系统操作站 GIS操作站

1#燃机 MarkV
C Common PD Power Distribution CD QD1 Common Controller Digital I/O Digital I/O PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH PWR CPU GBC GBC ETH
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

交换机D
CYD_Collector CYD_RIF

无线发射器

无线网桥

GYCT_Collector GYCT_RIF

厂用电系 统 PAC RX3i

公用系统 PAC RX7i

R S Controller Controller P T Controller Protective
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

2#燃机 MarkV
C Common PD Power Distribution CD QD1 Common Controller Digital I/O Digital I/O PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CGR BTM RCM BEM BEM ETH ETH

PWR CPU GBC GBC ETH

GIS_Collector GIS_RIF

GIS系统 90-30
ERM002 PWR102B ALG260A ALG260A ALG260A ALG430C

PWR CPU GBC GBC ETH PWR CPU GBC GBC ETH

济钢燃气-蒸汽联合循环发电项目,工艺流程复杂,涉及的系统分散,而且对控制的精度和稳定性要求 很高,因此必须选用高性能的控制器来完成其控制目标,这对控制系统来说是一个很大的挑战。GE Fanuc 的自动控制器,采用先进的控制技术,其运算速度和稳定性在同类产品中处于领先水平,而且针对不同的 行业、不同的工艺、不同的设备 GE Fanuc 提供一整套、多个系列的控制器,用户可以根据自己的需要,有 针对性地选择适合自己的控制器,在实现最佳控制性能的前提下,为用户节约成本。 1.VersaMax 小型控制器:简单易用、可靠性高、价格经济的特点使其在许多小型控制设备上得到了 广泛的应用。它配置灵活,既可以作为远程分布式 I/O 使用,也可以作为独立的 PLC 使用,还可以作为分 布式控制站使用。 VersaMax I/O(图 3)采用模块化设计,每个站可支持 8 个 I/O 图3 模块,不带扩展最多 256 个点,模块支持带电插拔,自动地址分 配,设定总线地址通过旋转地址开关,无须特殊工具组态。 VersaMax 为用户提供广泛的开关量(16 种开入、12 种开出、12 为了保证济钢发电系统安全、稳定、高效地运行,出于对自动化控制和生产调度管理两个方面的考虑, 在实际调研了大量信息及数据之后,根据现场各系统的实际情况,结合 GE Fanuc 自动化软、硬件产品的特 点,我们对整个联合循环发电项目提出如下的一套解决方案(图 2) ,以提高整个发电项目的自动化水平:

在生产调度管理方面,现在国内大多数电厂都已具备二级网络的厂级信息监控系统(SIS) ,济钢联合 循环电厂在实现对现场生产设备进行实时监控的基础上,如何更好地将全厂生产数据集中,并充分利用, 真正实现设备运行状况分析、调度决策制定、生产结构优化、机组性能提高、全厂生产数据和监控的互联、 互通及 Web 信息对外发布等功能, 一套适合济钢联合循环电厂自己特点的厂级信息监控解决方案必不可少。

种开入/开出混合模块) 、模拟量(9 种模入、6 种模出、3 种模入/模出) 、RTD、热电偶、高速计数器输入、 脉宽调制输出等模块,最高支持 12&16 位分辨率,接线方 式可选,安装快捷方便。 图4 VersaMax PLC(图 4)带有强大的处理器(0.8ms 每 1K 布尔指令、 带有以太网接口的 Ethernet CPU 并支持以太网广 播 通 讯 Ethernet Global Data) 、 多 种 网 络 接 口 单 元 (DeviceNet、Profibus-DP、Genius Bus、Ethernet) 、分布式 I/O 支持扩展(本地和远程 I/O 最多可达 4096 个) 。 3 济钢联合循环发电项目中的 16.5 万m 高炉煤气柜系统 主要完成对气柜进出口闸阀、眼镜阀、蝶阀等阀门的开关停 操作、供油泵的启停控制以及对柜位、油温、水封池液位等的监视。该系统中主要是开关量信号,涉及点 数较少,且只实现简单的开关控制,没有模拟量调节回路,属于典型的小型PLC控制系统,采用VersaMax 小型控制器完全能够胜任该系统的控制要求,既经济,又安全、稳定。 2.系列 90-30 PLC 中型控制器:功能强大的 CPU、广泛的 I/O 模块、多现场总线支持、更强的分布性、 双机热备功能,构成了 GE Fanuc 系列 90-30 PLC 控制器。在既考虑降低成本,又要求强大功能的工程项目 中,系列 90-30 PLC 作为中型自动化控制器无疑最能体现其优越性。 系列 90-30 PLC(图 5)采用高档 CPU 并配有浮点运算功 能,内存足够大,开关量的映象区与模拟量的映象区分开、互 图5 不影响,独立、专用的布尔处理器, 能快速处理逻辑运算,多 种编程语言可选,内置 PID,SER 指令,并支持 C 语言子程 序。超过 100 种 I/O 模块类型供选择,开关量、模拟量、热电 偶模块、RTD 模块、张力计模块、运动控制模块、电力行业 特殊模块等, 并支持 SNP 专用串行协议、 RTU Modbus 主和从 协议、Genius Bus 等多种总线协议和以太网 TCP/IP、对等通讯等多种通讯方式,Max-On 双机热备软件保证 了两台 PLC 之间的热备切换,在一台 PLC 故障时可以自动切换到另一台运行,从而保证生产运行的不间断 (图 6) 。 济钢联合循环发电项目中的高炉煤气净化、 焦炉 煤气净化两大系统主要是对两种煤气进行除尘、去 图6 焦、脱水等净化处理。在该系统中,每台机组都有 大批的高压电气开关、电动阀门、旋转电机等设备, 并且需要实时控制净化水池的液位,满足水清洗的 需要,同时煤气含氧量的控制、萘清除的效果都需 要进行控制。整个系统所包括的设备相对较多,且 高炉煤气净化中的电除尘设备属高电压设备,对煤 气中的含氧量有严格的要求,如果氧含量控制不好 而超标,就极有可能会引发爆炸,造成安全事故, 同时,这两大系统中的煤气均属于强污染的有毒、 有害气体,煤气系统的安全稳定必须要得到保证。 S90-30 强大的功能及其双机热备切换的特性,使其 在对危险设备的控制方面表现出不同寻常的可靠性和稳定性。 除此之外,系列 90-30 PLC 还可以与特殊模 块―顺序事件记录模块(SER300 和 CDC300)构成 图 7 (SOE 构架图) ms 级的 SOE(顺序事件记录)系统(图 7) ,用来 记录生产过程中事件发生的先后次序,以帮助分 析机组跳车时的原因。每个 SER300 可对 256 个 DI 进行事件记录,1ms 的分辨率,每个 CDC300 可记录多达 1000 个带时标事件,两者之间通过

Fast Massage 和 Smart Message 进行数据交换。 TIM100 上则有 GPS 同步信号接口, 每秒钟发一次同步信息, 使网络上 SER300 时钟同步,精度可达 100 微秒。济钢联合循环发电项目的组成系统复杂,导致跳机的因 素众多,要在最短的时间内查明故障原因,一套高速有效的 SOE 系统必不可少。S90-30 和 SER300 模块的 组合实现了此功能,为故障的分析和排查提供了真实、可靠的依据。 3.S90-70 系列大型控制器:高性能的处理器、先进的操作系统、极高的控制精度、开放的总线结构、 两次数据同步的冗余机制,加上强大的分布式控制结构,使 S90-70 控制 器 (图 8) 成为名副其实的大型实时控制系统。 它支持用户内存最多达 6M 字节,动态分配模拟量和寄存器数量,提供 Flash Memory 存储用户逻辑 程序和系统程序, 并且支持硬件中断和开放的总线结构(VME 总线)。 内部 操作系统升级方便, 并提供四级密码和 OEM 口令来限制访问 CPU 的权限。 图8 双机热备冗余(图 9)采用两台 PLC 之间两次数据同步的机制(图 10) , 对输入信号、用户应用程序、输出信号进行两次刷新,真正确保了热备冗 余和无扰切换的成功。 济钢联合循环发电项目中,煤气混合系统和煤气压 图9 缩机系统是整个发电工艺中控制的核心部分,也是两大 控制难点,煤气混合负责将经过净化处理后的高炉煤气 和焦炉煤气按比例混合成热值相对恒定的混合煤气,煤 气压缩机则将混合煤气加压到恒定压力,然后供给燃气 轮发电机进行做功发电。燃气轮发电机对热值的波动十 分敏感,要求的热值调节精度必须控制在±5%以内,而 对混合煤气 的压力则要 图 10 求在 2.35± 0.5Mpa 以内,且机组不能进入喘振,由于煤气系统是一个时刻 都在波动的系统,因而,要达到如此高的控制精度,对控制系 统是一个严格的考验。实践表明,S90-70 控制器不仅出色地实 现了热值和压力的自动调节,而且其控制精度和对外界煤气管 网波动的抗干扰能力都比要求的高,热值波动被控制在±3%以 内,压力波动在±0.3Mpa 以内,机组安全稳定运行,效果十分 理想。 另外, 对于锅炉汽机系统中锅炉液位的三冲量调节, S90-70 控制器同样表现出优于其它同类控制器的性能,锅炉实现了自 动智能补水,充分体现出其对复杂控制的驾驭能力。 4.PACSystems 过程自动化控制器:作为 GE Fanuc 新一代的过程自动化控制器,它继续采用开放的平 台—标准 VME-64 总线、17 槽 VME 机架,同时支持现有的扩展机架、系列 90-70 PLC 模块,、VMIC 模块 和第三方的 VME 模块。处理器采用标准的 Pentium III 300MHz 和 700MHz CPU,底板速度提高到 S90-70 的 4 倍,使用“影像内存技术”的 CMX 网络可以达到 2.1G 的通讯速率,是目前自动控制领域中最快的通 讯网络。PAC 在操作系统之上设计了一个通用的、适合于多平台的(包括硬件平台和操作系统平台)、便于移 植的、轻便的控制引擎(control engine),集成了包括逻辑控制、运动控制、过程控制和人机界面在内的多领 域解决方案,从而保证使用 PAC 系统的用户可以使其编制的应用程序获得最大的应用收益,并且还可以方 便地优化其自动化平台,从而不需重新设计整个系统,就可以不断获得越升的系统性能。 GE Fanuc公司的PACSystems产品线由以下控制器组成, 它们每一个都 提供了不同的应用优点: 图 11 ①.PACSystems RX3i(图 11) :标配 Intel Pentium III 300 处理器, 应用标准的工业 PCI 总线标准, 真正支持热插拔使用。 使用 PCI 总线底板 来支持高速 PCI 数据传输率, 支持标准底板使第三方可以方便的开发 I/O、 通信、动作控制、可视和其它模块。RX3i 底板也可匹配 90?-30 系列 I/O 模块。

济钢联合循环发电项目的厂用电系统,是整个发电厂内部供配电的监控中枢,主要完成对10KV高压、 400V低压及UPS不间断电源等供配电设备的监控以及与发电系统中其它各系统之间的通讯联络,系统中绝 大部分是高、低压配电柜内开关量的控制点和反馈点,部分是电压、电流、功率等模拟量的监视信号,其 余则是与其他控制器之间的EGD(Ethernet Global Data )通讯联络。整个系统涉及用电设备广、点数多、 系统复杂、安全级别高,并要求对现场设备能够做出迅速、及时、准确的响应,这对控制系统的速度、实 时性和稳定性提出了更高的要求,RX3i则完全具备以上特点,性能出色、经济实用且易于扩展升级,使其 成为厂用电控制系统的最佳选择。 ②.PACSystems RX7i(图 12) :标配 Intel Pentium III 700 处理器, 拥有 4 倍于已有 PLC 底板的速度和 10MB 的可用来编程和文件存储的内 存,基于 VME64 的架构支持各种标准的 VME 模块(包括 90?-70 系列 I/O 和多 CPU 结构,可以进行并行运算处理) ,业界领先的嵌入式系统技 术,内置 PMC 子板的 10/100Mhz 以太网卡,并且通过光纤影像内存技术 图 12 支持冗余系统。 济钢联合循环发电项目的公用系统,囊括了整个发电工程中的所有公共保障系统,包括氮气供应、燃油 供应、冷却塔及循环水等几大部分,各子系统分布于厂区内的不同位置,而要实现统一的监控必须将分散 于现场的各个子系统连接到一块,并且实现多系统的集中控制。在这方面,RX7i 可谓具有先天的优势,高 效的处理速度、强大的运算能力、分布式的总线结构、灵活的联网特性使之足以胜任多系统的分散控制, 为大面积厂区内的集中控制提供了可靠的途径。

二.组态软件解决方案:
一个好的控制系统, 除了拥有先进的控制器之外, 一个功能强大、 易于使用的组态软件也是相当重要的, 它直接影响用户使用控制器的效率,并且还会影响到控制系统的运行性能。GE Fanuc 在提供先进的控制器 基础上,从用户的角度出发,为用户提供了适合自己实际应用的组态软件,用户可以根据自己系统的组成 结构、硬件情况选用符合自己需要的且成本低廉的组态软件: 1.VersaPro(微小型PLC的组态软件) :对于VersaMax等微小型PLC控制器,GE Fanuc提供了简单但功 能强大的组态软件VersaPro(图 13) ,可以使用户以最低的成本、 最快的开发速度完成项目的开发和调试。VersaPro 提供了梯形图 RLD、语句指令IL、SFC、C语言等编程语言,并具有梯形图和语 句指令相互转换的功能,已将Motion控制编程和PLC控制编程集 成在一起。在对PLC进行组态时,助记符(指令)提示输入、确定变 量地址、即拖即放、多窗口编程、编程语言相互切换、程序检错、 变量监视表等功能给用户组态和编程带来了极大的方便。济钢联 合循环发电项目中的 16.5 万m3高炉煤气柜控制系统的组态及编程 图 13 就是应用该软件实现,灵活、方便、快捷。 2.Max-On(90-30 热备组态软件) :针对 90-30 控制 器,GE Fanuc 提供了 Max-On 热备软件(图 14)来实现 两个控制器之间的热备切换。Max-On 是一个标准化的热 备软件,无须特殊的编程考虑,一个子程序被安装在梯形 图逻辑的开始,不需干扰输入和输出,每个扫描周期执行 检测,系统应用数据自动同步,自动时钟同步,并实时监 测 CPU 离线、 系统总线错误、 丢失 I/O 块、 I/O 图 14 总线失败、 模拟 量输入超范围等信息(图 15) 。主 CPU 既可以采用固定的主 A 或 B, 也可以采用浮主或最后一个冷启动为主, 并且对于双总线可有 重叠的主,通过用户程序可非常容易地进行主从的切换。济钢联 合循环发电项目中的高炉煤气净化和焦炉煤气净化两大控制系统 图 15

的主从 90-30 控制器的热备冗余组态即采用了 Max-On 软件, 有效地保证了该两大煤气系统的安全、 稳定运 行。 3.Machine Edition(通用集成组态软件):CIMPLICITY ME(图 16)是一个可以在统一的工作平台上同时开发人机界面、运动控制 图 17 以及多目标逻辑控制的新一代软件,它可以对GE Fanuc所有的控制 器产品进行编程、 组态和诊断, 并支持Logic Developer – PLC、 Logic Developer – PC、Logic Developer – State、Motion Developer、View Station不同的组态,为机器级的编程、监控和数据采集和故障分析 提供了一个统一的、集成的开发环境(图17) 。ME作为一个高等级 的组态编 图 16 程工具,在集成VersaPro所有强大功能的基础上, 增加对大、 中型PLC控制器的冗余组态功能, 并支 持GE Fanuc最新的PAC System控制器。新版的 Machine Edition增加了对FBD编程语言的支持, 用 户能利用PACSystems块状架构和符号变量功能创 建应用功能块库,并允许用户自定义功能块以备 今后再使用,同时还加快了应用程序的调配。统 一的用户界面(用于配置、编程、调试和维护) 、 统一的数据库 (交叉参考、 变量表等) 、 符号编程、 标记式开发语言、即拖即放功能、Test修改编辑模 式、强大的在线帮助窗口、可重复使用的预配置 指令和图形目标的应用库工具箱、用于改善在线故障分析的测试编辑环境, “版本控制、安全访问、稽查跟 踪”等功能的集成,使其成为真正意义上的综合开发工具。济钢联合循环发电项目中的煤气混合、煤气压 缩机、余热锅炉、蒸汽轮发电机、厂用电、公用系统和SOE等系统的PLC控制部分组态和编程均由其完成, 其方便、快速、高效的特点,保证了工程开发和调试的顺利进行。 4.Open Process(过程自动化的开放系统) :OpenProcess 是为解决过程的连续控制策略和可视化操作 而设计的一整套集成的混合控制系统(图 18)。它提供了包括功能设计、编程组态、文档管理、调试维护在 内的一套完整的功能包。 其先进的控制策略功能能够和典型的 DCS 系统相媲美, 完整的过程可视化工具包, 可完成控制器组态、程序编辑及编译、功能块图表、CAD 方式的控制策略设计和组态、I/O 定义、程序在 线下装、控制变量参数整定、功能报表生成、人机界面(HMI)开发和运行等。OpenProcess 不仅兼容了 CIMPLICITY HMI 许 多 优 秀 的 特 点 , 而 且 与 CIMPLICITY HMI 完美集成。 其 Designer 控制策略软件, 使用 SAMA 图风格的功能块, 使得按 P&ID 图编写逻辑 变得非常容易,标签变量定义,且自动传递至 Plant Edition HMI。用户通过简单的步骤就可以完成控制策 略、HMI 数据库、操作控制面板的组态,所有设计、组 态、接线图、HMI 的图形及维护文档自动生成,降低了 系统开发的成本。在济钢联合循环发电项目中,煤气混 合站的压力、 流量、 热值的自动调节在使用 OpenProcess 控制策略进行调节之后, 实现了热值波动控制在±3%以 内,达到了燃气轮机对热值稳定的要求,保证了发电系 图 18 统的稳产;煤气压缩机系统在采用 OpenProcess 控制策 略之后,有效地控制了供给燃气轮机的煤气的压力,使其基本稳定在 2.35Mpa,并且有效地防止了机组进 入喘振的机率,保证了机组的安全运行;锅炉汽机系统的三冲量调节在使用新的控制策略之后运行平稳, 实现了锅炉系统的自动智能补水,有效控制了锅炉液位,保证了系统安全高效地运行。

三.厂级信息监控系统(SIS)解决方案:

作为一套完整的自动化解决方案, 不仅要能实现设备层的控制和管理, 对于应用层的支持和管理也是十 分重要的。一个生产部门,要真正解放生产力、减少流通环节、提高生产运行效率,必须有一套高效的厂 级信息监控系统(SIS) ,从现场设备的运行监控,到生产数据的实时采集、统一存储,再到数据的综合分 析、绩效评估,最后到信息的对外发布,形成一个完整的体系。济钢燃气-蒸汽联合循环发电项目作为一 个创新性的工程,与高技术含量设备相对应,对提高发电系统的自动化水平而言,一套合理、实用、高效 的厂级信息监控系统是十分必要的。 作为自动控制行业领先者的 GE Fanuc,为用户提供了一套成熟、先进的厂级自动化系统解决方案。其 主要包括人机接口 HMI/SCADA 产品 CIMPLICITY 和 iFIX、厂级实时历史数据库产品 Proficy Historian 以 及综合数据分析和 Web 信息发布产品 Proficy Info Portal。用户可以根据自己的需要,灵活地选择适合自己 的产品,组建属于自己的厂级信息监控系统。在对济钢联合循环发电项目的实际情况进行分析之后,我们 采用以下几个部分来构建整个厂级信息监控系统: 1.HMI 监控机:实时监视现场生产设备的运行状况并根据工况作出调整是现代自动化控制的一个基本 功能,HMI 为运行人员提供了方便快捷的操作途径,帮助运行人员及时了解现场设备的运行状况,根据生 产的需要实现不同的操作。 ①.GE Fanuc 的 Proficy CIMPLICITY 上位监控 软件 (图 19) 可与 100 多个厂家的 200 多种 PLC、 DCS 控制设备通讯,通讯驱动程序可以是内置、 DDE 、 Applicom、OPC 等,并实现智能 I/O、CNC 通讯。它 提供包括数值显示、文本显示、对象颜色变化、棒状 图、旋转、平移、变量时间趋势图和 XY 画笔等丰富 的数据动态显示功能。 其典型的 Server 与 Viewer 网络 结构,由 Server 采集控制器的数据并广播给 Viewer, Server 与 Viewer 之间使用 TCP/UDP 协议广播数据点 并接受 Viewer 的数据写请求。 CIMPLICITY 的冗余配 图 19 置方式使其既可以从主 PLC 中读取数据,也可以从从 PLC 中读取数据, 当主 PLC 停止工作时, 其自动切换到从 PLC 通讯, 无需编程, 保证了监控的连续可靠性。 在该系统中,高炉煤气净化系统、焦炉煤气净化系统、煤气压缩机系统、燃气轮发电机系统、余热锅炉系 统、蒸汽轮发电机系统、厂用电系统、公用系统和 SOE 系统均采用 CIMPLICITY y 来作为上位监控软件。 ②.GE Fanuc的Proficy iFIX上位监控软件 (图 21)作为原Intellution DynamicsTM工业自 动化软件解决方案家族中的 HMI/SCADA 解决 方案,强大的VBA脚本功能和灵活易学的特点, 使得其在国内外有着广泛的用户群。 其真正的分 布式、客户/服务器结构包括可灵活构造的服务 器 (SCADA Server) 和客户端 (iClient 、 iClientTS 和 iWebServer) ,无论是Intellution客户端应用, 还是第三方或用户自定义应用均可读取SCADA Server实时数据,实现实时动态画面、趋势、报 表、批次控制、MES等应用。这些应用既可以与 SCADA Server运行在同一台计算机;也可通过 图 20 Intranet、Internet 分布在网络中不同的Server或 Client节点上运行,十分适合多节点系统的应用。无论是 Server和Client 功能运行在单一计算机,实现简单 的单机人机界面 (HMI),还是网络复杂的分布式多Server和多Client数据采集和控制系统,iFIX都表现出优 异的性能。济钢联合循环发电项目中,16.5 万m3高炉煤气柜系统由于既要配备给燃气供应厂监控又要给联 合循环发电系统监视,故而采用以燃气供应厂为Server,联合循环发电系统作为Client的模式来进行配置, 既实现了燃气供应系统调度的需要,同时又满足了联合循环发电系统监视的需要; GIS 系统也采用一个 Server,多个Client节点的模式,使得多套机组的不同运行人员可以同时监视属于自己范围内的不同设备运

行情况。采用这种模式,既降低了成本,又灵活满足了不同系统的需要,可谓一举两得。 2.数据采集器:作为整个厂级信息监控系统的最前端,数据采集是一切数据来源的根本,其采集的准 确度、分辨率、实时性是对数据进行归纳、处理、分析的基础,在整个 SIS 系统中是至关重要的一个环节。 GE Fanuc Proficy 为我们提供了方便、快捷、高效的数据采集器来实现实时数据和历史数据的采集: ①.Proficy Historian 历史数据库采集器:作为大型实时历史数据 存储软件的 Proficy Historian 提供有多种采集器:Calculation Collector、 File Collector、Fix32 Collector、iFIX Collector、OPC Collector、Server to Server Collector、Simulation Collector、CIMPLICITY Collector 等(图 22) 。这些采集器基本上能够满足对不同厂商上位监控软件数据采集的 需要,使用户可以很容易地把分散于不同 DCS 系统中的数据采集到一 个数据库中。在济钢联合循环发电项目中,CIMPLICITY 和 iFIX 都提 供 OPC 功能,我们既可以采用通用的 OPC Collector 来进行数据采集, 也可以用专用数据采集器进行数据采集。针对 CIMPLICITY 监控软件, 我们采用专门用于 Proficy Historian 从 CIMPLICITY 端进行数据采集的 CIMPLICITY Collector 数据采集器,在各个 CIMPLICITY HMI 监控 站 上 安 装 CIMPLICITY Collector , 并 指 定 连 接 到 安 装 有 Proficy Historian 的“IHServer”服务器,在每台 CIMPLICITY HMI 监控站工 图 21 程项目的 Project→Properties→General→Options 中选中“IH Collector” , 使采集器随工程的启动一并启动,从而将 CIMPLICITY 端采集到的数 据传送到统一的 Proficy Historian 数据库中;针对 iFIX SCADA 监控软件,我们采用其提供的 iFIX Collector 数据采集器,并在 iFIX 的启动项目中加入 iFIX Collector 的引导,从而将所需数据采集到统一的 Proficy Historian 数据库服务器“IHServer”中。 ②. Proficy Info Portal 实时数据采集器: 为给生产分析和 Web 发布提供实时更新的数据源, Proficy Info Portal 提供 3 种实时数据采集器(CIMPLICITY HMI、FIX 和 OPC) 、多种历史数据采集器(SQL、Historian 等)以及报警、质量、关系型等数据源(图 23) , 这些数据源既满足了实时发布数据的需要,同时 也为综合数据分析提供了依据。在济钢联合循环 发电项目中, 针对 CIMPLICITY 的实时数据采集, 我们在 CIMPLICITY HMI 数据源端配置用于 Info Portal 实时数据采集的 RIF 控件, 在 Info Portal 服务器端设置与 RIF 数据采集端相匹配的通讯端 口,从而使 Info Portal 可以实时地读取 CIMPLICITY HMI 上的数据;而针对 iFIX,我 图 22 们建立需要采集数据的 Fix Node,从相应的节点 上采集该节点的实时数据;最后,在历史数据源部分添加 Proficy Historian 历史数据库“IHServer”的连接, 从而使 Info Portal 可以读取 Historian 数据库中的历史数据,然后通过内置的工具集实现综合数据的分析功 能。 3.历史数据服务器:作为全厂生产数据集中存储和管理的核心,历史数据库系统负责从现场不同系统 的数据采集器中获取数据,经过运算、压缩等处理后存储到指定服务器中,并响应其他客户机、Web 服务 器等数据请求端所发出的读写命令,为其提供所需数 据, 并为综合数据分析和实时 Web 发布提供数据支持。 GE Fanuc 的 Proficy Historian 作为新一代的企业 级实时历史数据库平台,可在极高的速度下进行数据 的采集、归档并发布大量实时的现场过程信息,不论 在性能、实用性及功能上都代表了企业级历史数据采 集和管理的先进水平。其真正的分布式容错架构,利 用先存储后转发、自动连接、在线备份、采集器组态

图 23

信息缓存技术,确保 Historian 数据库中的生产数据是连续、非中断的。高采集速率使得 Historian 可以在一 台服务器上同时采集 100,000 个数据点,每秒存储和检索超过 20,000 个事件,从而在不牺牲速度及性能前 提下,采集和检索大量企业级实时、历史数据。其精确的时间标签分辨率,所有采集器自动与服务器保持 时钟同步, 即使各 PC 机时间不同, 仍能方便、 快捷地创建基于“事件时序”的分析报告。 同时, Proficy Historian 提供广泛的数据分析工具,并完全集成其它 Intellution Dynamics 的解决方案:iFIX(HMI/SCADA 过程监视 及控制软件) 、iDownTime(设备及生产线停机管理专家系统) 、Proficy info Portal(基于 Web 的趋势和分析 解决方案) 、Excel 加载宏等。开放的 ERP 应用接口,通过使用 OLE DB 供应者或软件开发工具包(SDK)及 多种客户端、客户自定义应用程序访问 Proficy Historian 数据,开发智能型企业应用,优化供应链管理(图 25) 。济钢联合循环发电项目,采用一台 Dell 4600 Intel Xeon 服务器作为历史数据服务器,安装 Proficy Historian 软件的服务器组件“ Historian Server ” 、管理工具“ Historian Administrator ” 、 Web 管理组件 “Administrator Web Site” 、所需采集器组件“Calculation Collector” 、 “File Collector” 、 “Server to Server Collector” 、 “CIMPLICITY Collector” 、 “iFIX Collector” 、 “OPC Collector” 等、 报表制作组件 “Historian Excel Add-in”和 OLE 数据库组件“OLEDB Driver” ,并指定该数据服务器名为“IHServer” ,搜索各数据采集站 上的“Collectors” ,并向数据库中添加所需要的采集点标签、设置合理的采集周期、归档文件管理及优化实 时历史数据库。 5.综合数据分析及 Web 发布服务器:作为厂级监控系统的最高层,全厂生产数据的综合分析和利用是 整个系统的核心所在,信息的对外发布、高层决策的方案制订、生产结构的优化等都必须依赖于数据的综 合分析。 GE Fanuc 的 Proficy Info Portal 是一个基于 Web 的生产数据可视化分析工具,它可以实时地从现场采 集端采集数据, 也可以通过提供一个新的 Historian 客户端来连接 Proficy Historian 和第三方的技术并从其上 检索数据,经处理后再将数据传送给客户端显示。而 Info Portal 的客户端无须安装其他软件,只需 IE 浏览 器即可实现浏览,是真正意义上的瘦客户端(图) 。Info Portal 作为 Historian 的高级分析工具,它能通过内 置的多种分析处理工具, 经过优化评估, 有效地 显示关键绩效指标(Key Performance Indicators) 及生产过程中的其他计量指标, 提高企业持续不 断地改善产品性能的能力。 用户根据现场生产实 际情况有针对性地定制显示界面, 加之基于时间 和基于事件两种趋势以及 X-Y 散点图表的比较 分析数据能力, 使得数据分析和性能分析的实现 变得十分容易。 在与外部程序的接口方面, 不但 可 以 与 企 业 级 实 时 历 史 数 据 平 台 Proficy Historian 无 缝 集 成 , 其 嵌 入 式 Web 浏 览 器 ActiveX 技术使其还可与 GE Fanuc 解决方案其 他产品 HMI/SCADA 软件 iFIX,生产设备故障 图 24 诊断专家系统 iDownTimeTM 等无缝集成, 给用 户带来极大方便。济钢的联合循环发电项目,采用一台专门的 Dell 4600 Intel Xeon 服务器作为 Web 发布服 务器,并安装 Microsoft IIS 5.0、Java 虚拟机和 Proficy Info Portal 软件。为采集 Web 发布所需的实时数据, 在此服务器上为各个系统配置一个数据采集端口,并与现场各操作员站上的 RIF 数据采集器相匹配,通过 事先分配好的 ID Port 端口号,将各采集站上的生产数据实时地采集到 Info Portal 端;通过在 Info Portal 上 建立与 Historian 历史数据库“HIServer”的连接,从 Proficy Historian 历史数据库中得到历史数据。对得到 的实时和历史数据:一方面根据整个发电项目的工 艺流程,将现场设备的运行状况做成画面实时地对 外发布;另一方面运用 Info Portal 的综合分析工具, 经过加工处理之后,形成不同的曲线和评估结果, 以直观的方式提供给生产调度决策层,帮助了解机 组性能,对比不同阶段和工况下的机组效率,从而 做出合理的生产调度决策,优化生产结构。

图 25

6.现场趋势查询站:生产运行过程中,现场操作人员了解机组运行的趋势是十分重要的,既有利于及 时发现机组潜在的危险、调整工艺参数,又能够帮助提高机组的出力及稳定运行,故而一套方便、合理的 趋势查询站是十分必要的。Proficy iFIX 不仅是功能强大、高效的 HMI/SCADA,其独特的趋势显示功能块 加上 VBA 强大的支持,使得 iFIX 的图表对象 (Chart Object)可以将历史数据和实时数据集成于同一张图表 内,并允许添加不同的笔,为每支笔分配多个时间段,方便用户根据自己的需要查询所需的趋势,而使用 其表组向导(Chart Group Wizards) 功能则可以生成多种历史图表。济钢联合循环发电项目中,采用 iFIX 连 接到 Historian 数据库的方式,从 IHServer 数据库服务器上调用历史数据,再通过 VBA 编程控制,从而实 现不同组合条件的趋势查询功能(图 26) 。 7. 浏览客户端: Proficy Info Portal 的 Web 信息发布功 能(图 27) ,使用户通过 Ethernet 可以很方便地在任意一 台装有 IE 浏览器的机器上只需键入 Proficy Info Portal 服 务器的地址:http://IAServer/ProficyPortal/Default.htm,输 入自己的浏览权限,即可随时、随地了解机组当前的生产 运行状况,极大地提高了整个电厂的办公效率。 通过以上解决方案的实施,济钢联合循环发电项目的 厂级信息监控系统实现了现场设备的监控、生产数据的采 集和存储、工艺参数及发电指标的查询、子设备工艺流程 的监控、 历史数据及趋势查询、 综合数据分析及绩效评估、 图 26 Web 信息对外发布等功能。

应用总结:
通过采用 GE Fanuc 的软、硬件自动化解决方案,济钢燃气-蒸汽联合循环发电项目的运行设备和自动 化水平都得到了显著提升: z 机组的安全稳定运行:高性能的控制器,加上系统冗余,使得机组的安全性和稳定性得到了保证, 虽然是大型旋转设备以及处在煤气危险区域,但机组从 2004 年 12 月投入运行以来未出现因控制系 统故障而导致的安全问题。 z 良好的控制精度和控制效果:强大的处理器,加上成熟、先进的控制策略,控制性能和控制精度达 到甚至超出了预期的目标, 完全满足了发电工艺调节的要求, 保证了生产的稳定, 减少了跳机时间, 整体效益显著提高。 z 维护成本的降低:经济实用的控制系统,加上高可靠性,使得维护人员的工作量降低,设备维护成 本也降低。 z 生产效率的提高:SIS 系统投用之后,使得现场的生产数据得到了充分利用,经过综合分析之后, 为决策层提供了决策依据、优化了生产结构,解放了生产力,机组性能大幅提高。 z 办公效率的提高:SIS 系统的投用,增强了企业的信息化,减少中间的流通环节,提高了工作效率。 作为济钢节能降耗、大力发展循环经济亮点的燃气-蒸汽联合循环发电项目,之所以能安全、经济、稳 定地运行,在很大程度上与其采用了先进的控制系统和自动化解决方案是分不开的。该项目也是 GE Fanuc 在大型联合循环电厂从现场控制器到上层厂级信息监控应用的成功案例,非常具有借鉴意义,并值得推广。 (济钢能源动力厂 姚利)


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