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HIACS-5000M系统介绍


HIACS-5000M SYSTEM

最适合电站控制工程的 DCS 系统

2003





一.概述 ............................................................................... 3 二.H

IACS-5000M 的技术说明 .............................................................. 4 1.系统结构 ............................................................................ 4 1.1 系统结构的说明 ....................................................................... 4 1.2 机组控制级网络 ...................................................................... 4 1.3 外部设备网络 ......................................................................... 5 1.4 公共级网络 ........................................................................... 5 2. 机组控制级网络 ..................................................................... 5 2.1 网络的技术特性 ....................................................................... 5 2.2 通讯协议 ............................................................................. 7 2.3 令牌网与以太网的比较 ................................................................. 8 2.4 通讯网络抗干扰及可靠性措施 ........................................................... 9 2.5 网络光缆敷设时的注意事项 ............................................................. 9 2.6 网络安全对策 ........................................................................ 10 2.7 DCS 开放性及对外通讯接口 ........................................................... 11 3.HIACS-5000M 分散控制系统的基本控制器 ................................................ 12 3.1 高可靠性 ............................................................................ 13 3.2 快速性 .............................................................................. 13 3.3 冗余配置及无扰动切换 ................................................................ 13 3.4 控制器技术特性 ...................................................................... 13 3.5 控制器的双重化及三重化技术 .......................................................... 16 4.I/O 模件技术特性 .................................................................... 17 4.1 常用 I/O 模板介绍 ................................................................... 17 4.2 系统防抖动技术 ...................................................................... 18 4.3 4.4 SOE 模板的分辨率及校时方式 ......................................................... 18 智能模拟量指令信号输出模板及双重化配置 ............................................ 19

三.人机接口 .......................................................................... 21 1.1 离线功能 ........................................................................... 22 1.2 在线功能 ........................................................................... 22 2.历史数据站 ......................................................................... 24 2.1 历史数据站的功能 .................................................................... 24 2.1 历史数据的保存时间 .................................................................. 24 3.工程师工作站 ....................................................................... 25 四.电源及接地系统 .................................................................... 26 1.DCS 电源系统 ........................................................................ 26 2.HIACS 系统的抗干扰技术及接地系统设计 ................................................ 27 五.日立典型的控制策略 ................................................................ 28 1.机炉协调控制策略概述................................................................ 28 2.并行前馈的控制策略 ................................................................. 28
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3.动态加速的控制策略.................................................................. 30 3.1 基本思想 ............................................................................ 30 3.2 BIR 信号的建立 ...................................................................... 31 3.3 BIR 信号的作用 ...................................................................... 31 4.智能报警软件 ....................................................................... 31

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一.概述

现代化的重要内涵和标志是自动化。 大容量、高参数、大电网、高电压、高自动化水平构成了现在电力工业的根本特征,先进的控制技术 越来越成为保证生产安全、提高生产率和经济效益、保证电能质量、降低环境污染、实现现代化的企业管 理、提高企业自身市场竞争力的不可或缺的条件。从这样的层面上看,电站控制技术的水平代表了电站的 生产力水平的高低。 日立,作为全球为数不多的全能制造厂家,不仅设计、生产用于电站控制的专用分散控制系统,同时 也设计、生产电站用的锅炉、汽轮机、发电机等三大主机设备,因此在电站控制领域,日立具有得天独厚 的技术条件,作为世界知名的超大型企业,日立在电站控制领域也同样禀承一贯的企业理念:做未来先驱 (Inspire the Next),永远走在控制系统技术的最前列。 选择了日立的分散控制系统(DCS),您就拥有了最优质的 DCS 产品,您就获得了终身周到的技术服务, 同样获得了与先进技术为伴、永远可以拥有最先进技术和产品的机会。

数字化是二十一世纪对电站控制提出的要求,为了更好地适应新时期、新形势的需要,日立在二十世 纪末期推出了世界先进水平的大型电厂控制工程自动化设备:HIACS-5000M 系统,HIACS-5000M 系统是 HIACS(HITACHI Integrated Autonomous Control System)集散型控制系统的最新版本,是日立公司总结 近二十年大型发电机组控制系统的设计,生产和应用经验而最新推出的,已成功地应用于 200MW,300MW, 600MW 最大至单机容量 1000MW 的燃煤,燃油,水力、核电发电机组,以及 1660MW 燃气蒸气复合循环发电 机组的控制系统。

该系统具备如下技术特点: ? 是针对电站特点专门设计的、最适合电站控制需要的自治分散控制系统; ? 是统一(UNI-CONCEPT)的系统,控制功能可覆盖大型机组的调节、顺控、保护等所有功能; ? 是方便与第三方设备连接的开放系统,消灭信息孤岛,实现电站的综合自动化; ? 全中文化的组态、监视、操作、维护界面,方便使用; ? 采用确定性的工业控制级网络:FDDI 光纤分布式数据接口,最适合大型机组控制系统的快速、可靠、 地理分散的要求; ? 采用 32 位 RISC 处理器构成最适合大规模工业控制的控制器,速度快、可靠性高、功能强大、冗余切 换时间不超过 1 毫秒; ? 全分散、全冗余的电源系统结构及可靠的接地系统,使 DCS 系统更加安全可靠

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二.HIACS-5000M 的技术说明

1.系统结构
DCS 系统的结构应能最贴切地反映机组的特点及对 DCS 系统网络的要求,在多台机组公用一个公共系 统时,DCS 控制系统的结构应反映出机组的监视、运行操作的特点。因此 HIACS-5000M 系统的标准网络设 计成如下图所示结构:

1.1 系统结构的说明
? 基本控制器为 R600 系列控制器,它是 DCS 系统的关键组成部分,承担受控装置闭环、开环控制任务, 同时也承担了联锁保护任务,是 HIACS-5000M 系统中完成控制保护任务的基本计算单元; ? 冗余配置的高速光纤通讯网络,连接了全部基本控制器及上面人-机界面系统; ? 操作员工作站(POC) 、工程师工作站(EWS) 、历史数据站(HDS) 、通讯接口站(CIS)等挂于高速光 纤网络上,构成机组级人-机界面系统。 ? 需要制表打印输出的数据,由操作员工作站(POC) 、工程师工作站(EWS) 、历史数据站(HDS)传送 到外设网络上,由打印机(PRNT)输出。 ? 公共系统上可配置操作员站,也可不配操作员站,由单元机组上的操作员站对公共系统实施控制,但 不允许同时操作,因此系统设计了两种操作方式:人为干预方式决定对公共系统的操作权限和自动切 换方式决定操作权限。 该系统的总体结构,设计思路清淅,技术指标选择合理,工作负荷均衡,无负荷集中环节,无集中性危险 点,适应高速控制及高可靠性要求。而且适应控制设备地理分散布置的设计方案,具有当今世界的国际先 进水平。

1.2

机组控制级网络

? 采用环形网通讯规约 众所周知,令牌网特别适用于大容量、多站点、高实时性的通讯场合。当机组发生故障,网上通讯负荷上 升时,实时响应特性平稳,并不因通讯负荷的上升而失控。当出现重通讯负荷工况时,令牌网的实时响应 特性是可设计和可控制的。这是选用令牌网通讯规约的最大优点。
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? 采用高速光纤网络 利用光纤的优良品质,将通讯速率提升到 100Mbps,满足了大容量通讯的技术要求。 ? 适应地理分散的技术需要,长站间距离及网络总长 随着 DCS 使用水平的深入发展,控制站地理分散布置设计已经提出要求。μΣNetwork-100 网络,站间距 离达到 2KM(无中继) ;网络总长右为 100KM。这种长距离网络特性,适应了技术发展的要求。

1.3 外部设备网络
? ? 为了打印各种报表,专门设置了外部设备网络 100M 以太网。 这样的设计有以下优点: 外设网络与控制级网络并行工作,互不干扰,实现数据的合理分流,有利于提高总体实时响应特性。 采用网络打印机,使打印机完全处于相互平等的位置,有利于相互之间的功能切换和备用,实现打印 资源共享

1.4 公共级网络
公共级网络采用两台机组双向耦合、机组操作的工作方式,1#和 2#机组都可以监视公用系统的设备 状态。但是只有一个机组的指令对公用系统有效。正常情况下,由值长站来选择由 1#机组或 2#机组操 作站对公共系统的操作权,机组网络故障的情况下,自动切换,由另一套正常的机组控制系统进行控制操 作。切换逻辑装载在公用系统控制器里,保证了控制指令执行权的唯一性。冗余公用系统控制器配有冗余 的通讯模板,两台机组级网络的耦合通讯是独立完成的,不会出现两套 DCS 系统间的数据耦合。 以下为对公用系统的操作联锁逻辑示意图 1号授权 非 1号条件具 备 非 或 与 1号操作

非 2号条件具 备 2号授权 与 非 或

2号操作

2. 机组控制级网络

2.1 网络的技术特性
HIACS-5000M 系统通讯网络为μΣNETWORK -100,其主要特点如下: 高性能 大规模控制系统网络传送速度为 100Mbps,通讯介质为光纤,最大电缆长度为 100km,采用高实时性 的令牌访问方式,最适合于大规模实时控制系统。 ?
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?

高可靠性网络
外环 内 环 站 2

站 3 站 1

站 4



令牌传递方向

传输介质为光纤,可有效避免电磁干扰;传输介质采用环型结构并冗余同时结合“回绕”技术,最大 限度地降低了由于线路损坏对系统造成的影响。 ① 双重化环行网结构,内环的令牌(Tokes)传输方向是逆时针方向,外环路令牌为顺时针方向,令牌 环行一周,每个站获得一次发信权。如图所示。一般情况下,外环为主网环路,内环为热备份网络。 ② 当主网(外环)故障时(如网络折断)如图所示。主网停止运行,备份网投入运行,不影响数据传输。 ③ 当内环故障时,站间数据依靠外环传输系统仍可正常工作。 ④ 当某站故障时,如站 3 故障,可将故障站旁路掉,令牌从外送到站 2 处,再从站 2 自内环返回到 站 1,并传送到站 4 处,从站 4 自外环返回站 1。令牌仍可传送,系统可继续运行,此功能称为环路 返回(Loop-Back)功能。 ? 稳定的实时响应: ① 令牌网的最大优点是数据传输的稳定实时响应。在重负荷工况下以太网(Ethernet)的通讯竞争激 烈、碰撞增多,难于得到发送权,从而使数据传输阻塞,实时响应急速下降。 ② 令牌网没有这一缺点,即使在重负荷工况下,令牌网的环行周期仍然是可设计和可控制的,在 128 个挂站的情况下。精心设计的硬件和软件。仍可保证令牌环行周期在 10ms 之内。因此可以设定的令 牌周期为>10ms。例如:50ms、100ms,这就意味着每个站每秒可获得 10~20 次发送权,每个控制站 每秒将可发送 20K~30Kbyte 数据量, 对一个控制站来说, 不可能达到这样的数据传输量, 因此μ∑-100 Network 的通讯能力十分强大。 ? 具有自动周期传送功能 可以按一定的周期(1~1000ms,可设定)自动广播发送用户指定的数据,最大数据量为 256KB(相当于 12 万 8 千个模拟量点或 200 余万个数字量点)。 μ∑Network-100 控制级网络技术参数如下表: 项 目 说 明 控制器 操作员工作站 连接的设备 历史数据站 工程师工作站 通讯接口站 拓扑结构 双冗余环网 通讯介质 光纤 通信速度 100Mbps 站间距离:最大 2km(缺省配置) 通信距离 环网总长:最大 100km 最大站数 255 访问方式 令牌 选点通信 远程 CPU 控制通信 信息包通信 通信种类 周期传送 控制器发送周期:1~1000ms 操作员工作站、历史工作站、工程师工作站发送周期:100~1000ms 可靠性 传输线路双冗余“回绕”(Loop back)功能
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可用性 可维护性 网络管理功能

周期收集网络状态信息,进行诊断和报警 网络故障时自动收集并保存故障数据 SMT(Station Management) Ver6.2 故障管理:站点加入/退出管理、故障记录信息收集 网络构成管理:站点图的生成

2.2 通讯协议
H-5000M 系统通讯主干网是采用 FDDI(fiber distributed data interface)标准,是一种高性能的 光纤令牌环状网。它的速率为 100Mbps,跨越的距离可达 200km,最多可连接 1000 个站点。通讯介质采用 的是多模光纤,其传输数据的准确率极高,传送 2.5*1010bit 误码率远低于 1bit。 FDDI 是以 802.5 协议为模板,其数据典型桢格式如下: 字节 ≥8 先导字段 2或6 目的地址 2或6 源地址 无限制 4 校验和 1 1

??
数据

??
桢控制 开始界符 各种类型通信说明 ? 选点通信(通信协议:UDP/IP) 选点通信是广播通信的一种特殊情况。广播通信是由一个站点发送,网上所有站点都能接收的方式,而选 点通信则是一个站点发送,网上若干个指定站点接收的方式,简称为 1:N 通信,其发送与接收站点的对 应关系可组态设定。 ? 远程 CPU 控制通信(通信协议:UDP/IP) 远程 CPU 控制通信是一种点对点通信,可使用不同的命令对控制器进行操作,这些操作包括复位控制器, 程序装载/卸载,存贮器读/写等。 ? ? 信息包通信(通信协议:TCP/IP)(外层打印网) 周期传送(UDP/IP) 信息包是一种点对点通信,其作用是将一个专用数据包发给指定的站点。 周期传送是定期广播通信,各个站点根据预先定义的周期将预先定义的数据点广播发送,每个站点都可以 及时地得到其它站点的数据。 其工作原理见下图。
CPU1 CPU2 CPUn
只能向自己的写入区写数 据可以读整个区域的数据

结束界符 桢状态

CPU1的 写入区 CPU2的 写入区 CPUn的 写入区
将自己写入区的 数据周期发送 站点上的转写 存储器

μ Σ NETWORK-100
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信息包的格式 信息包由源地址,信息码、信息计数、目的地址、信息数据、CRC 校验码组成。 下表给出说明: 内 容 符 号 Code Count 说 明 源 地 址 信 息 码 信息计数 目的地址 信息数据 校 验 码 Source Address Message Message 发送信息的站点地址 标明信息类型 发送信息的个数 接收站点地址 信息内容 以上部分的循环冗余校验码

Destination Address Data CRC

2.3 令牌网与以太网的比较
在市场竞争日趋激烈的形式下,日立之所以坚持使用令牌网,是因为日立打造电站专用控制系统的理 念使然,我们从一下的技术对比中可看到:令牌网络最适合大型机组的 DCS 系统。 令牌网 规约 IEEE802.4 IEEE802.5 以太网 IEEE802.3

上网方法

令牌(Token)传到某站,自动升为 发送站,其它为接收站。 令牌顺序传递

某站上网发送数据分三阶段完成。 载波侦听 碰撞检测 通讯竞争(详细说明见程序柜图)

特点

确定性 实时响应与网上负荷关系不明显。
T1

随机性 实时响应与网上负荷关系密切,重负荷 下具有阻塞现象。
T2

L:负荷率

L:负荷率

完成 通讯 任务 的响 应时 间

L

L L0

?T1 可以设计,可以确定, 为确定性

?T2 与置信度概率水平相关,是一种数学期望 值。

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应 用 特 点

理论和实践均表明,存在临界负荷值 Lo,Lo 在 18%~30%之间(依置信度概率水平决定)当 网上负荷?Lo 时,网上发生阻塞,完成某一个 适用要求于重负荷下,实时 通讯任务的平均期望时间?T2 迅速上升,实时 性要求高的场合。 性严重下降。 适用于大机组控制级网络。 适用于网上负荷较低的场合,如: —挂站数小 —通讯数据少、负荷低

以太网单站通讯任务处理过程(通讯竞争)
重新竞争上网

发送数据准备好 重新侦听 Loop1 延迟△Ti 忙 载波侦听

通 讯 竞 争 延迟△Ti

网上是否忙? Loop2 不忙

升为通讯站

发送任务 被破坏

发送数据

发生碰撞

是否发生碰撞

碰撞检测

完成通讯任务

2.4 通讯网络抗干扰及可靠性措施
本系统采用如下措施,消除数据传送过程中的误差和抵抗外部杂散干扰: 数据传输网络采用光纤传输介质,隔离全部电磁干扰。保证了信道的可靠性和稳定性。 采用高可靠光/电转换接口电路设计,保证了传输速率,阻抗匹配和信道的可靠性。 采用双重化智能通讯接口电路,为热运行冗余结构,互为配份。 采用严格,完备的循环冗余校验代数编码方法,此种算法由专门的 IC 电路硬件实现。此种编码方法,既 保证了编码/解码的快速性,又保证了编码/解码的可靠性。任何位元的传输错误,由方法本身的完备性, 均可校验出来,不会漏检。 对校验出的传输误差,设有重发技术,确保了获得数据的正确性。 由于信道本身的高可靠性及高稳定性,辅以编码/解码的完备性及重发技术,通讯传输的可靠性得到了完 美的保证。

2.5 网络光缆敷设时的注意事项
在施工过程中应注意光缆的弯曲半径不得小于施工规定,光缆不允许出现过度弯曲。 布放架空光缆应通过滑轮牵引,架空光缆避免与建筑物、树木及其它设施摩擦,避免拖地或与其它锐硬物
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摩擦而损伤光缆外皮,必要时应安装保护措施。严禁光缆跳出滑轮后强行牵引,以防光缆被压扁损坏。 在光缆线路设计时应尽量避开易燃建筑物群,如无法避免,光缆应采取防火保护措施。 数据通讯总线敷设时,其走向应避免与动力电缆平行贴近和防止电焊火花、机械损伤。 在距离较长的光缆布放施工中,如需倒盘,光缆必须遵遁“8”字盘放。使其光缆完全处于扭状态。

2.6 网络安全对策
2.6.1 系统安全性保证 H-5000M 系统通讯主干网是用 FDDI 方式, 它是一种高性能的冗余光纤令牌环状网, FDDI 的协议为 802.5 国际标准协议,其数据桢格式为 IEEE802.5 数据桢格式。具有自动诊断、故障脱网、自恢复等先进技术。 高性能,大规模控制系统网络传送速度为 100Mbps,通讯介质为光纤,最大电缆长度为 100km,采用 高实时性的令牌访问方式, 最适合于大规模实时控制系统; 具有自动周期传送功能。 可以按一定的周期 (1~ 1000ms,可设定)自动广播发送用户指定的数据,最大数据量为 256KB(相当于 12 万 8 千个模拟量点或 200 余万个数字量点) 。满足了系统对通讯速率的要求。 系统不安全因素分内部因素及外部因素,内部因素主要是靠系统内部网络、站点故障时的对策消除, 本系统μΣNETWORK-100 在正常情况下双网冗余运行, 并具备完善的网络故障诊断(CRC 校验、 应答校验等) 功能,一路传送线路故障时,另一路维持系统网络运行,一个站点故障时会在故障点相邻站点处进行“回 绕” ,使通信能继续进行;对外部因素而言,本系统通讯介质为光纤,因此不存在电磁干扰的可能,从防 病毒及黑客攻击方面,本系统更是经过了周密的考虑: ⑴ 本系统为电站控制工程专用系统。从总体设计上充分考虑了安全性、可靠性及快速性控制级网络 为μ∑—Network FDDI 光纤令牌网络,不采用以太(Ethernet)网络与外部连接,从规约上与外部隔离控 制器(CTL)采用专用操作系统(PMS),无硬盘、无软盘,外部数据仅能利用工程师工作站(EWS)下载及 μ∑—Network 传输。无其他外部信息通道,也不接受其他外部信息。 上述总体设计,保证了信息的安全性。HIACS 系统自 90 年代以来,已有近 200 台套投入运行,从未发 生病毒问题。 ⑵ 本系统与外部系统通讯有下列三种情况: 情况一:通过通讯接口站(CIS)与 PLC 装置、智能采集前端等其它现场系统的连接; 情况二:通过通讯接口站(CIS)与 SIS 系统通讯; 情况三:与厂级 MIS 网络的通讯; 对于上述三种情况,我方采取的针对措施如下: 情况一:此类外部装置均为设备级控制装置,与 SIS 网及厂级 MIS 网隔离,当然更与 Internet 等隔 离,无病毒感染问题。 情况二:①当用户要求机组与 SIS 系统的通讯是单向的,即只向 SIS 系统发送数据时,路由器设定为 单向通讯,仅从 DCS 向外发送数据,拒绝接受外部进入数据。此种方法可有效的阻止外来数据对 DCS 系统 的侵害,我方建议用户采用此种方式。 ②当用户要求机组与 SIS 系统为双向通讯时, 通讯接口站与 SIS 系统连接间, 以及 SIS 系统与 internet 网的连接方式如下: SIS 系统 主服务器

路由器

Web 服务器

通讯 接口站 SIS 系统

硬件 防火墙

DCS 系统

电力系统专用网 / Internet

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DCS 系统的网络威胁主要来自电力系统专用网或 internet 网,SIS 系统侧的 Web 服务器与外界连接时 不但要在其自身安装高性能的杀毒软件和软件防火墙,更要配置高性能的硬件防火墙,防火墙具有各种病 毒过滤功能及防黑客功能,如 Facket filter Application Gateway 及 Multilayer Stateful Inspection 等安全功能。 在 SIS 系统调试过程中,SIS 系统主服务器有可能会感染病毒,所以在主服务器安装杀毒软件,进行 实时监控。 通讯接口站与 SIS 系统的通讯虽然是双向的,系统配置了带有防火墙的路由器,防止外部病毒入侵执 行实时控制任务的 DCS 系统。路由器采用存取控制可定义方式。定义访问及服务对象参数,即可设定为指 定某一协议或端口允许某种数据通过,当参数不匹配时,没有认证的 IP 地址及端口一律禁止访问及服务, 有效的阻止了外部的恶意访问和攻击。 情况三:DCS 系统数据直接送至 MIS 系统(用户不设置 SIS 系统)

通讯接口站

路由器

MIS 系统

由通讯接口站通过路由器向 MIS 系统发送数据, 因为路由器设定是单向的, 所以不会有外来数据对 DCS 系统进行侵害。 上述措施综合使用,保证了系统的总体安全性。至今未发生不安全故障现象。 2.6.2 带有防火墙的路由器 我公司 HIACS -5000M 系列系统为局域网结构,只通过 MIS/SIS 等外部系统与其它网络系统进行通讯 连接,为保证 HIACS -5000M 系统不受到外部网络系统的病毒和黑客侵扰,我们在 HIACS -5000M 系统与外 部网络系统之间安装路由器来设置防火墙,通过路由器进行连接数据通信。 HIACS- 5000M 系统与外部网络系统之间连接的路由器,我公司确定使用 Allied telesyn 公司的系列路由 器,Allied telesyn 路由器具有 Stateful Inspection 防火墙检测的功能。 防火墙是禁止在互联网和专用局域网之间进行未授权防问的安全方案的集成。 使用防火墙技术, 可禁止 LAN 各部门间的内部未授权访问。Stateful Inspection 防火墙检测技术是当前防黑客侵入的最有效的技术。 此防火墙检测技术还具有动态的数据包过滤功能(CBAC) ,利用此项功能检测模块可从网络层到应用层的 数据包中读取数据。防火墙检测技术在允许某个连接完毕前,禁止所有 TCP 连接。Stateful Inspection 防火墙检测确保所有的端口在不用时关闭,并由端口扫描软件监控阻挡恶意攻击。 除非有特殊指定,否则所有外部访问都被拒绝,所有的内部访问都被允许。具有限制内部访问互联网的功 能。只须通过一个打开端口的安全性能,就可保证用户会话的持续性。具有开启/关闭生成 ICMP 消息的功 能(例如:闭:Trace Route 和 Ping) ,使黑客不能通过 Trace Route 和 Ping 的响应发现正在连接网络的 主机。 基于 Allied telesyn 路由器的 Stateful Inspection 防火墙功能,在 HIACS- 5000M 系统与外部网络系统 之间安装 Allied telesyn 路由器可以安全地保护我公司的 HIACS- 5000M 系列系统在通过 MIS/SIS 系统与 外部其它网络系统进行数据通信时不会受到病毒和黑客侵扰

2.7

DCS 开放性及对外通讯接口

HIACS-5000M 系统与其它系统/设备之间的通讯与数据交换主要通过通讯接口站予以实现。它是基于 Window XP 平台的应用软件,可选配有以太网(用于 TCP/IP 通讯),各串口卡(用于与多个串口通讯),它支 持多种协议(包括支持以太网 TCP/IP 协议,MODBUS/MODBUSPLUS 协议、AB 公司 DF1 协议、Mark Ⅴ/Ⅵ GSM 协议、输力强公司 S-NET 等近十种),可同时与多个厂家的控制系统接口,并可扩展,每一个通讯接口站 可同时与最多 8 路控制系统通讯,通讯的数据类型可以是 AI、AO、DI、DO,也可以是 event、alarm/SOE 数据或其它信息,另外,根据需要,通讯接口站可以监视对方网络状态。 DCS 系统对外通讯接口一般有两类,一类是连接锅炉吹灰程控系统,输煤程控系统、水处理程控系统 等辅助系统,另一类是连接 MIS、SIS 等系统。在连接辅助系统时,DCS 处于上位机的位置,在连接 MIS、 SIS 时,DCS 处于下位机的位置。HIACS-5000M 系统针对两类通讯的不同性质,采用了不同的解决方案。
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2.7.1 HIACS-5000M 系统与辅助系统的通讯 根据日立公司多年的工程经验,DCS 系统与辅助系统通讯有如下特点: 辅助系统数量较多,各电厂对哪些辅助系统需要与 DCS 通讯的要求不同 通讯协议种类较多,在 DCS 招投标阶段无法确定通讯协议,往往到了设计联络会时才能确定。 针对上述特点,HIACS-5000M 系统设计了专用的通讯接口站。结构如下图所示:

HIACS-5000M 系统的通讯接口站,将μΣNetwork -100 通讯程序和数据库设计成一个标准平台,运行 通用接口软件。这时 DCS 系统就可与其它具有标准协议的外部系统交换信息。各种辅助系统的不同通讯程 序作为可选软件模块,这些可选的软件模块可以针对不同的通讯协议进行设计的。在实际使用时只要根据 电厂的需要将不同的软件模块连接到标准平台上即可,就象搭积木一样。 通讯接口的技术数据如下: ? 每套 DCS 系统通讯接口站数量: 依工程需要确定 ? 通讯接口类型:RS232C,RS-422,RS-485,ETHERNET ? 已连接过的通讯协议或设备: Modbus AB 公司的 DF-1 输力强公司的 S-NET 欧姆龙公司的 C200H (PLC) 三菱公司的 AJ71C24 (PLC) TCP/IP GE 等 还可根据用户的特殊设备或协议开发新的通讯软件模块 2.7.2 DCS 系统和 DEH 系统接口 在 DCS 系统与 DEH 系统为一体化配置时。可将 DEH 的控制器作为机组 DCS 的站点挂到机组控制级网络上, 实现一体化控制系统结构,这样的系统网络结构更简洁、系统的可靠性得到提高。硬件系统和软件系统为 统一的系统,可实现 MMI、EWS 的共用,减少用户的培训精力和运行维护的劳动力,可实现备品、备件的 共用,且实现输入信号的共用(减少传感器)。 另外,在 DEH 与 DCS 非一体化配置时,可提供通讯接口站的形式(1.10.1)实现连接。

3.HIACS-5000M 分散控制系统的基本控制器
R600 系列控制器(CTL),是 HIACS 系统的基本控制单元,执行工艺过程装置或设备群组级的实时控制、 联锁保护功能。本控制器的技术特性,相当大程度地决定了 HIACS 系统的技术特性。HIACS 系统对控制器 的技术要求如下: ? 高可靠性; ? 快速性:快速控制、快速保护;
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冗余配置和无扰动切换;

3.1 高可靠性
R600 系列控制器采用严格的日本工业技术标准设计, 经过各类例行试验的考核及现场常年连续运行的 验证,具有抗干扰能力强,稳定可靠的特点; 每个元件及器件, 均经过了严格的工艺筛选, 凡不符合参数标准的器件, 均不会使用在 HIACS 系统 R600 系列控制器中。 R600 系列采用了先进的设计方法,使得线路合理、结构紧凑、抗扰动力强。 选用九十年代新的先进的表面贴装器件,具有集成度高、功能强大功耗小、可靠性高的特点,进一步 增强了控制器的可靠性。

3.2 快速性
快速性是 DCS 控制器的另一核心指标。 在满足可靠性的基础上执行应用程序、 一定要速度快、 效率高, 才能达到快控制、快保护的效果,才具有可控性(Controllability)。为了提高 R600CH 的快速性,采取了 如下措施: 采用功能强大的 RISC 芯片处理器。 RISC 芯片是九十年代发展起来的快速芯片技术,具有功能强大、处理速度快的特点。在其它条件相同 的情况下,RISC 芯片处理速度约为常规芯片的 3 倍以上。 I/O 模板总线,采用高速并行总线结构,极大地提高了 I/O 模板与控制器间的实时数据交换速率; 控制器实时管理软件(PMS) 管理软件的调度效率,是应用程序快速执行的另一关键,必需采用高效率实时管理软件。 通用机软件的优点是通用性,但是由于不是针对机组控制专门设计的,因此效率低,实时性差是不可 避免的; 日立公司针对电站工程,功能组级控制器,专门开发了实时管理系统软件 PMS。从软件实时调度方面 保证了控制器的快速可控特性。 PMS 的另一优点是内存(PMS)效率高,不产生内存垃圾,PMS 仅存储在 ROM 区,RAM 区全部为用户使用 区。

3.3 冗余配置及无扰动切换
控制器双重化及无扰动切换, 是机组控制器必须应对的基本问题, 必须从硬件、 软件两方面进行对策。 R600CH 专门设计了主-从控制器之间的数据交换总线(TieBackBus), 从控制器实时跟踪主控制器的动 态数据,主-从控制器的程序数据和动态数据完全一致,是无扰动切换的根本保证。 TieBack 总线结构,并配合专门的软件程序,确保了从控制器实时自动与主控制器数据一致化,无需 人工干预。控制器切换时间为 1 毫秒。

3.4 控制器技术特性
3.4.1 基本控制器概述 R600CH 是 HIACS-5000M 系统的新一代控制器。主要技术特性如表一所示。继承 HIACS-5000M 系统控制 器的设计思想,控制的快速性和长期安全可靠性,是日立公司的一贯设计思想。 CPU 模板中,采用 RISC 技术的新型中央处理器,内部数据宽度 64bit,用户程序内存区为 32MB,具有 运算处理速度快和可靠的特点。 CPU 模板,直接与μ∑Network-100 网连接,信号传输速度 125Mbaud 采用了双环光纤网络。 R600CH 采用了工业无源高速并行背板总线(R600CH 总线)。作为 CPU 模板与 I/O 模板之间的数据交换 总线,并行总线结构实现了 I/O 模板与 CPU 模板之间的快速数据传输,从而极大地缩短了控制周期,提高 了可控性。 为了提高应用软件的执行效率和可靠性。R600CH 采用了高效、高可靠的 R600CH 操作系统软件。使得 应用程序软件执行得更快、更可靠。

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3.4.2 控制器的构成 专门设计制造的 CPU 模件板,考虑了电站控制工程中的各种需要,结构如下图所示。

μ Σ -100网络

M P U

带 EC C 的 DR AM

网络接口

网络接口

带 EC C 的 DR AM

M P U

内部 64 bit 总线

64 bit 总线

ROM

I/O 接口

Tie-Back 接口

TieBack 接口

I/O 接口

R O M

WDT

WDT

I/O 总线

图 R600CH 双重化结构 CPU 控制器内部配置有 64bit 高速并行总线。带有故障检测校正功能(ECC-Error Check and Correct) 的 DRAM 区,配置了 32MB 用户应用程序及数据区,并且可以进行存储区错误的检查和改正。设置了外部电 池,当系统供电丢失时,确保 RAM 存储数据不丢失。 系统程序(PMS),放在 ROM 区,容量为 512KB。 在控制器模板双重化配置下,为了实现主-从控制器高速实时状态下的动态数据一致,设有主—从控 制器之间数据交换的专用总线 Tie-Back 接口,使得主—从控制器板状态数据,在每个控制周期都可保持 完全一致,确保了切换中无扰动。此类跟踪数据,自动、周期地通过专用接口交换,不会影响 I/O 总线的 操作和快速访问,进一步提高了控制器的处理能力和快速性。 控制器模板的前面板上设有运行指示灯三个,表示“运行-Run” “热备用-STBY”及“故障-ERR”状态。 此外设置了手动开关,可以进行“运行-Run”或“STOP 停止操作” 。 控制器模板,还设计有系统再启动后的数据自动检查和一致化功能。该程序置于系统程序(PMS)中, 系统接入后,系统程序自动检查各状态,并与运行 CPU 模块一致化,保证正常工作。 3.4.3 控制器机箱及 I/O 模板配置 1)CPU 模板放置在主控制器机箱单元。除 CPU 模件外,还可以插入其它模板。一块 CPU 模板占二个槽 位,双重化时占用 4 个槽位。一个控制器机箱总计十七个槽位。槽位地址为 0,1,2,?E,F,Z。 2) 当主机箱槽位用满时,可在主机箱插入总线扩展板 PI/OCE,扩展一个新的机箱。 在新机箱插入 UD 模 板,这样新机箱内可以放置 16 块 I/O 模件板。 3) 若两个机箱仍不够用,R600CH 有能力继续以前述方式连续扩展新的机箱,一个 R600CH 控制器,除 主控制机箱外,还可扩展七个机箱单元。如下图所示。

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主 机 箱
16 槽位 PI/O CE

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扩 展 机 箱
〈1〉

扩 展 机 箱
〈2〉

扩 展 机 箱
〈7〉

图 扩展机箱结构 3.4.4 控制器参数 R600CH 控制器参数如下表所示: 处理器 ROM 用户内存(RAM) 内存类型 连接网络 I/O 总线 组态语言 系统软件 控制周期 控制周期最小设定间隔 应用程序执行方法 I/O 机箱扩展能力 最大标签量 内存备份电池 模拟量 开关量 32bit RISC 处理器 512KB 32MB 带有后备电池的 RAM 芯片 μ∑Network-100,100Mbps 高速并行总线 POL(Problem Oriented Language) PMS 实时管理软件 20ms,50ms,100ms,200ms,250ms,500ms 10ms 处理器存储程序直接执行方式 主机箱+7 个扩展机箱 57343 57343 ER17/75WK13,1100 小时 ECC(错误校验及校正) 非法指令校验 非法地址校验 看门狗定时器(WDT) 内存校验 内存写保护及失电保护

自诊断

R600CH 是用于电站控制工程的高速、高可靠控制器。它的硬件结构和软件设计的最终效果,可由控制 器负荷率(η)及内存占用率(ξ)的实测数据反映出来。 η和ξ的定义如下: η=控制器程序实际执行时间/控制周期设定值 ξ=控制器内存实际使用值/控制器用户可用内存(32MB) 从众多工程应用的实测数据证实,控制器负荷率、内存占有率均显著低于行业要求,无内存垃圾。
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3.5 控制器的双重化及三重化技术
3.5.1 双重化技术 双重化冗余技术是可控性设计的重要方法,加上系统的在线维护措施可将系统的可靠性得到最大的发 挥,大大提高了系统的可用率。 HIACS-5000M 系统在控制器双重化技术考虑了如下几个方面 ? ? ? ? ? ? 控制器或 CPU 模板双重化是电站控制工程的基本要求。为了实现双重化主控制器内部数据,必须与从 控制器完全一致。 2)以 PI 调节器为例,当主 CPU 状态数据,与从 CPU 状态数据,在切换前完全一致时,对受控阀门或 其它装置来说切换后才不会产生扰动。(BumplessTransfer) 3)为了提高主-从 CPU 状态数据的相互传送。R600CH 控制器内,设置了专用内存(DedicatedMemory) 和专用数据总线(DCMBUS)。 4)主-从 CPU 之间的状态跟踪数据,不经过μ∑Network-100 网,而是通过专用总线进行传输,从而保 证了数据的及时性和可靠性。主-从 CPU 之间的数据跟踪传输是每个控制周期自动地进行的。 5)为了提高可靠性,设计了输出数据环路反馈校验比较程序。当比较器检查出数据不一致时,发出报 警。 6)设计了数据读反馈校验程序,主 CPU 发送到从 CPU 模板后,把按收到的数据再传送回主 CPU,与主 CPU 的数据进行比较验证,当不一致时,发出故障报警,并进入故障处理程序。

3.5.2 三重化技术 在考虑控制器的冗余方式时,实际上是可靠性和配置成本权衡的结果,随着 DCS 硬件水平的提高,控 制器双重化已完全可以满足机组对 DCS 可靠性的要求,日立 HIACS-5000M 的硬件系统的高可靠性在业内得 到了普遍的称道。双重化冗余完全可保证机组控制、保护的安全、可靠。 在实际工程实施中,对于超大型的发电机组中的重要保护功能(如:FSS)也回提出更高的安全性对策, 因此 DCS 系统必须具备这样的配置技术。HIACS-5000M 系统在 FSS 等主要保护功能上可采用三重化控制器 及 I/O 的安全型的配置方法。每系控制器及 I/O 都配置了双重化的电源装置。这样的结构无论从外部故障 (现场信号故障)到 FSS 系统内部(控制器故障或 I/O 故障)故障,都最大程度地保证系统的设备的安全,而 且控制器及模板均可在线便捷更换,更使 FSS 系统本身故障导致保护失效的可能降低到最低程度(几乎为 零)。 MFT 出口的设计更有效杜绝了 FSS 发出 MFT 信号的拒发和误发,更使这样的 FSS 系统达到最大的可靠 性、安全性。 这种配置方案已成功运用于多台单机容量 1000MW 燃煤机组及核电机组,包括现已投运的外高桥 2 期 2*900MW 工程,其 FSS 系统误动和拒动率为 0%,保护正确动作率为 100%。运行安全、可靠。 控制器三冗余及 I/O 模件安全型的配置示意图如下:

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电源
R600CH 高 并 总 速 行 线

电源
R600CH 高 并 总 速 行 线

电源
R600CH 高 并 总 速 行 线

PI/O
A系 DI AI
去B系

PI/O
B系 DI AI
去B系

PI/O
C系 DI AI
自B系

DO
去C系

DO
去C系

DO
自C系

连 器 接

连 器 接

连 器 接
RY 1 1 1 RY 2 1 RY 3

TB

TB

现 信 三 化 不 场 号 重 时 用

现 信 三 化 不 场 号 重 时 用

4.I/O 模件技术特性
HIACS-5000M 系统 I/O 总线是工业无源背板总线,位于控制器机箱和扩展机箱目的背部,具有并行、 高速的特点,CPU 模板、各种 I/O 模板,可直接插接在机箱槽内,联接在该总线上。

4.1

常用 I/O 模板介绍

系统常用的 I/O 模板有 AI、AO、DI、DO、PI 等。详细技术特性见“硬件模板资料” 。主要特性如下: 模拟量输入模板(AI:LYA010A) : 智能化、隔离型模拟量输入模件 每板 16 路差动输入,路-路隔离; 每路具有一个 A/D 变换器; 具有板上处理器,能够完成零漂校正和增益校正功能; 输入信号范围 4-20mA 或 0~5V DC; 输入阻抗大于 500KΩ,满量程精度±0.1%。 模拟量输出模板(AO:LYA100A) : 带有微处理器的隔离型模拟量输出模件。 8 路电流型控制信号输出; 路与路之间完全隔离; 每路一个 D/A 转换器; 每一路 AO 均具有增益校正功能及板上 完善的故障自诊断功能。适用于 0~5V、4~20mA,-5~+5V、0~10V、-10~+10V 信号输出。 满量程精度:±0.2%。 热电偶输入模板(THC:LYA210A) 提供 15 路 THC 输入+1 路冷端补偿输入(RTD 输入) 。
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输入信号范围:-10mV~+10 mV,-20mV~+20 mV,-50mV~+50 mV,-100mV~+100 mV(可选) 冷端补偿输入电阻(RTD) :-50mV~+50 mV 热电阻输入模板(RTD:LYA220A) : 16 路热电阻信号输入模件。 每路热电阻均设有独立的测量电桥。 输入信号范围:±50mv,±100mv,-100mv~+250mv,-100mv~+500mv(可选) 隔离型开关量输入模板(DI:LYD000A) : 隔离型 32 路开关量输入模件。 每一路均采用独立的光-电转换器隔离; 采用 48VDC 作为现场接点状态的查询电压。 隔离型开关量输出模板(DO:LYD105A) : 隔离型 32 点开关量输出模件。 每路具有独立的驱动电路和光电隔离器 用于控制输出,外接继电器可扩大触点容量,适应现场的不同需要 SOE 事件顺序记录板(SOE:LPD250B) : 本模板为智能型模板,模板上设有硬时钟,用于 SOE 计时,并可与 GPS 同步。 每块模板提供 31 路开关量输入通道,1 路 GPS 校时通道。 为光电隔离型,内设防抖动诊断电路。 事件分辨率为 1ms。 前面板带有各通道状态指示灯。 隔离型脉冲量输入模板(PI:LPP100A) 有 CPU 和脉冲计数器的智能型 32 路脉冲量输入模件。 转速测量模件(PTI:LYT000A) 本模板专门用于汽机电液调节系统(DEH)设计的转速的脉冲量板。可接收汽机低转速直到额定转速的脉 冲信号。 每板 4 点测量通道; 智能化、隔离型输入; 低转速和高转速信号均可输入; 可测瞬态汽机转速;

4.2 系统防抖动技术
系统防抖动措施为“硬件滤波,软件延时” 。 全部 DI 输入信号,均配置抗干扰、抗抖动、硬件、软件滤波处理,具有滤除功能,可提取真实信号。 对 4ms 之后仍抖动的输入点,不做输入记录,并给出该点的异常信息。对 4ms 之后不再抖动的输入点,进 入正常 DI 记录。 对 SOE 信号采取了更严格的措施; 设置了硬件、软件滤波处理; 对全部 SOE 输入信号,1ms 内扫描输入完毕,保证 1ms 的分辨率; 对 4ms 之后仍抖动的 SOE 信号点,不做输入记录,并给出该点的异常信息。对 4ms 之后不再抖动的输 入点,进入正常 SOE 记录记录。跳变时间以第一次跳变的记录时间为准。

4.3

SOE 模板的分辨率及校时方式

目前;为保证计时的精度,大多数电厂配置了 GPS 卫星标准时校准装置,如何保证 DCS 系统校时的准 确度,成为主要技术问题。HIACS 系统的处理方式如下: 每分钟由 GPS 系统向 DCS 发出标准“分钟信号” ,此“分钟信号”作为 DCS 计时的基准信号,同时对
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操作员工作站和 SOE 模板进行时间标定; “一分钟间隔”内发生的任何事件,由 DCS 系统的给出以毫秒为单位的相对时间标定,此毫秒时间的 精度优于 1 微秒; 操作员工作站和 SOE 模板设计了专用接口,可接收 GPS 系统的信号。从而使得操作员工作站的系统时 间、SOE 模板时间与 GPS 准确同步,无需操作员工作站对 SOE 模板进行二次校准。 此种标定方法完全克服了二次校准中的网络传输时间延迟,消除了传输时延的不确定性,此种不确定 性约为数十毫秒至数百毫秒,保证了 SOE 的时间标定精度; 标定框图如下:

GPS系统

RS 232

POC

POC

μ ∑-100 Net 脉 冲 电 平 信 号

R600CH

R600CH

SOE

SOE

(标准分钟基准信号)

4.4

智能模拟量指令信号输出模板及双重化配置

模拟量指令信号输出模件板带有微处理器,是智能化模板,型号 LYA100A。本模板具有通道与通道间 隔离的 8 路信号输出,每路 AO 输出均设置有独立的 D/A 变换器。微处理器可以完成模板的故障自行诊断, 例如对 D/A 变换器、输入信号处理回路及输出控制回路的诊断。并且可以完成每路输出的增益校正,有效 地克服了回路的漂移,使输出精确、稳定。智能化模件,使得 AO 控制双重化冗余配置及无扰动切换变得 简单易行。 对特别重要的模拟量控制回路(如:汽轮机阀门开度指令输出等)的控制指令输出,LYA100A 模板可双 重化配置,两块输出驱动模板分别设定为主模板及冗余备份模板。接线和配置方法如下图所示: 主模件板(AO) 输出 1 T2 T1
P1 N1 A010N A020N 至受控回路 1

热运行备份板(AO) 输出 1* T2* T1*
P1* N1* A010N* A020N*

说明如下: 热冗余备份板的每个输出通道,直接连接到主模件板的相应输出端子; 每块模板除了 8 路输出信号(P1-N1 至 P8-N8)之外,另外有切换、互锁信号端子 A010-N,A020 -N;
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A010-N 为输出互锁信号,A020-N 为输入互锁信号; AO 主模件板的 A010N 输出互锁信号,连接到 AO 热冗余备份模板的输入互锁信号端子 A020N*。同理, 备份板的 A010N*输出互锁信号,连接到主模板的 A020N 输入互锁端子。 通过设定,可以定义主模件板和备份模件板; 主模板输出 AO 信号,备份模板输出为 off 状态; 主模板发生故障后,在发现故障的同一控制周期内,切换到热运行备份模板输出,输出主模件故障前 相同数值的 AO 信号,形成无扰动切换,对现场无影响。 由于 AO 模板采用了微处理器,双重化冗余配置简单易行,切换速度快,可靠性高。 主模件板排除故障后,可以无扰动地从备份板切换到主模件正常工作。

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三.人机接口

HIACS-5000M 系统人-机接口包括操作员工作站、历史数据站、工程师工作站、通讯接口站、值长工作 站。(人机接口的数量按招标方要求配置) 1. 操作员工作站 操作员工作站是 HIACS-5000M 集散型控制系统的重要组成站点之一,是运行人员与机组过程进行人- 机联系的接口。运行人员可以通过操作员工作站提供的操作界面,实现对机组操作端的控制操作及过程信 息查询。操作员工作站通过显示、打印等输出设备向运行人员提供机组运行信息。功能组成如下图所示:
功能分类 功能分类 离线功能 离线功能 数据库组态功能 数据库组态功能 画面组态功能 画面组态功能 操作组态功能 操作组态功能 报表组态功能 报表组态功能 性能计算组态功能 性能计算组态功能 MIS通讯组态功能 MIS通讯组态功能 在线监视功能 在线监视功能 在线功能 在线功能 在线记录功能 在线记录功能 在线操作功能 在线操作功能
手/自动控制方式选择 手/自动控制方式选择 系统图调操作端操作 系统图调操作端操作 固定操作端画面操作 固定操作端画面操作

系统图显示画面 系统图显示画面 报警监视画面 报警监视画面 机组启停曲线画面 机组启停曲线画面 系统监视画面 系统监视画面 画面事件触发功能 画面事件触发功能 二、四分图 二、四分图 列表显示画面 列表显示画面 成组显示 成组显示

趋势记录功能 趋势记录功能 事故追忆记录功能 事故追忆记录功能 SOE记录功能 SOE记录功能 报表记录功能 报表记录功能 机组负荷曲线记录 机组负荷曲线记录 信息一览记录 信息一览记录

报警信息 报警信息 报警恢复信息 报警恢复信息 操作员操作记录 操作员操作记录 状态变位信息 状态变位信息 SOE信息 SOE信息 信息

所有数据显示 所有数据显示

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1.1

离线功能

1)数据库组态 数据库组态软件用于管理用户数据和系统维护,它是操作员工作站系统的一个支撑工具软件,完成应 用系统的数据记录的编辑、计算公式的生成和在线运行数据的装载。电厂所有测点和计算点的所有信息都 记录在数据库中,每个数据用一个记录来定义,记录由多个字段构成,对数据库进行编辑等操作都很方便 易学。数据库分 7 种数据类型:模拟量输入、数字量输入、模拟量输出、数字量输出、模拟量计算、数字 量计算和脉冲累计。 2)画面组态 画面组态功能可以完成 DCS 系统内所有的过程点(包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字 量输出、 中间变量和计算值)的显示, 对显示的每一个过程点, 均可显示其标志号(通常为 Tag)、 中文说明、 数值、性质、工程单位、高低限值等。符号库定义自由,用户使用方便。系统对画面数量没有具体限制, 用户可自由定义画面数量,每幅画面能容纳的图素为 1280X1024,每幅画面上的实时更新和被控制的过程 测点没有具体限制,以视觉清晰、舒适为准。 3)操作组态 CRT 操作组态是实现运行人员对电厂被控对象操作的软件, 表现形式为棒状图或按钮(统称为操作端), 操作端可多个组合成组(不超过 8 个)操作,或与系统图关联在系统图显示画面调用操作端进行操作。操作 端数据不限。 4)报表组态 本系统提供的报表组态功能是一套功能完善的软件,可定义收集班报、日报、月报、年报和触发型事 件报表,收集变量可以是数据库中的任何一点,收集变量数量没有限制。 5)性能计算组态 对于简单的计算功能可以在数据库组态中直接进行定义,当需要进行复杂的计算时(如计算发电机组 和辅机的效率,性能参数和各种能耗),包括按不同条件进行不同的计算时,可以通过性能计算组态工具 来完成。其计算结果可以打印、显示,供操作员参考,以提高机组运行效率和寿命,大部分计算采用输入 数据的算术平均值。 除此,还为工程研究提供一种交互式的性能计算手段,使用户可以在软件组态中嵌入自己用 C 语言编 写的计算程序(如锅炉寿命计算)。 6)MIS 通讯组态 MIS 通讯组态是针对电厂不配置 SIS 系统、且 MIS 系统规模较小(点数较少,或点数较多且实时性要 求不高)时使用的组态工具。对于较大规模的 MIS 系统,可通过通讯接口站实现连接。

1.2

在线功能

1)在线功能之在线监视 在线监视包括如下功能: (1)系统图显示画面 提供对机组运行工况的画面开窗显示、滚动画面显示和图象缩放显示; 重要报警弹出画面显示; 控制测点每秒更新; 支持打印 (2) 报警监视画面 滚动式显示画面,最新的报警信息显示在最上面; 根据颜色、闪烁状态区分报警状态; 可按报警级别区分信息; 支持打印 (3)机组启停曲线画面 可设定理想启停曲线;在线观察启、停机时各重要信息与理想值的偏差; 可设定 20 组,共 160 点; 支持打印 (4)系统监视画面 DCS 系统的监视画面,可诊断显示至通道级。
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支持打印 (5) 画面事件触发 当事件发生时,自动推出用户定义的显示画面。 画面显示有以下两种方式:弹出窗口显示; 弹出提示显示。 (6)二、四分图 二分图为画中画形式显示;四分图为画面一分为四,一般情况为大屏幕显示监视用 (7)列表显示画面 用数据列表的形式显示系统中所有数据点的基本信息,包括 PID 点号、名称、KKS 码、实时数值 和状态/单位,其中系统点的数值将根据点的不同状态显示为不同的颜色。数据列表有以下两种显示方式: a. 一览显示方式 b. 成组显示方式 一览显示方式: 全部点按照 PID 点号的顺序以一览的形式显示出来。显示分类有:?全部数据一览、 ?报警一览、?报警停止一览、?扫描停止一览、?坏点一览、?人置点一览。 所有一览均支持选择数据库类型分类、筛选、查询、打印全部信息、打印选定信息。例如在“报警停 止一览”状态下,选择“模拟量输入”分类,在筛选框中写入“泵”后确认,系统将报警停止一览中所有 名称包含“泵”字的模拟量输入点筛选出来,并可打印。 数据库类型分类包括:模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出、模拟量计算、数字量计 算、脉冲量输入及全部信息。 对数据进行报警停止、扫描停止、人置点操作时,设有密码保护,以防误动、乱动。 成组显示方式: 以数据组的形式显示 PID 点的一览。每台操作员工作站上可设定 100 组,每组可显示 20 个点,即每台操作员工作站可定义不同的成组显示。 2)在线功能之在线记录 (1)趋势记录显示画面 每一台操作员工作站可定义 500 点趋势记录; 在一幅趋势画面上,采用不同颜色,同时显示 8 个趋势; 每个数据趋势曲线包括 900 个趋势值; 实时趋势可保存 4 或 32 小时; (2)事故追忆记录显示画面 记录事件触发前 10 分钟后 5 分钟信息; 可设定共记 100 点的触发条件,收集点的数量不受限制; 收集间隔为 1 秒,可选择 1 秒、5 秒、10 秒为显示时间间隔; (3)SOE 记录显示画面 可记录 20 组触发信息,每组最多 512 条信息; 支持自动打印和请求打印; (4)报表记录显示画面 所有数据库中定义的点均可写入报表内; 可随时查询收集信息; 支持自动打印和请求打印; (5)机组负荷曲线记录显示画面 可设定理想机组负荷曲线;在线观察各重要信息与理想值的偏差; 可设定 2 组,共 16 点; 支持打印 (6)信息一览记录显示画面 对系统收集的信息(包括报警信息、报警恢复信息、操作员操作信息、状态变位信息及 SOE 信息)进 行记录、显示。 记录 20 组,每组 2000 点信息; 支持查询、筛选、打印; 3)在线功能之在线操作 (1)手/自动控制方式选择 可根据需要设定手、自动切换按钮。 (2)系统图调用操作端操作 在系统画面图监视状态下,可进行调用操作端进行操作,方便用户在操作的同时监视其它设备状 态。
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(3)固定操作端画面操作 系统设有固定操作画面,每幅画面可设定 8 个操作端,利用专用键盘可同时对这 8 个操作端进行 操作,在紧急情况下可以快速操作设备。

2.历史数据站
历史数据站是 HIACS-5000M 集散型控制系统的重要组成部分,单元配置,主要用于采集和保存机组运 行数据、SOE 记录、事故追忆、数据报表、报警信息、操作员操作记录等,并提供相应的检索、显示和打 印等手段,满足电厂发生事故时的调查分析以及平常机组运行状态的记录。 技术特点 可保存的历史数据信息量大,选点灵活方便。 可实现无限期保存历史数据。 数据收集周期分配合理,CPU 负荷均衡。 优良的数据存储结构,减少存储器占用量。 充分体现 Windows 设计风格,人机界面美观、友好,操作方便。

2.1 历史数据站的功能
1)历史数据组态 可以直接从数据库中选择需要做历史记录的点,所有数据库中的点都可以作为数据被记录。数字量采 集周期为 1 秒,模拟量采集周期有 3 种:1 秒、5 秒和 30 秒。例如:可设定每 1 秒采集点为 5000 点和每 5 秒采集点 15000 点;或每 5 秒采集点 40000 点,采集周期混合组态使用。另外,还可设定模拟量的扫描死 区,更加合理使用硬盘存储空间。 2)历史数据一览 将历史数据以一览表的方式显示。共可定义 100 组每组 8 个点的显示点,一次最多显示两小时的历史 数据,可方便地进行组的设定、修改、删除等操作,可设定历史数据一览显示的起点、终点时间。 系统也同时提供打印功能,有如下打印方式:全部打印、打印指定的页、打印选定的内容等。 3)历史趋势显示 历史趋势显示是将历史数据用曲线显示出来,通过趋势显示可直观方便地分析问题,查找原因,解决 问题,也可以了解相关设备的过去运行状况,给电厂正常生产提供可靠的保证。所有历史数据均可做历史 趋势回放,历史趋势显示可以定义 100 组,每组 8 个点,可以是数字量也可以是模拟量。 4)历史报表显示 历史报表的数据保存在 D 盘上,长周期报表(月报等)保存最近 5 年的历史数据,短周期(日报等)和事 件性报表保存最近 6 个月的数据。 5)历史 SOE 显示 历史数据站保留最近 30 天的 SOE 数据,并且每天最多保留 400 次。 6)历史事故追忆 历史数据站可保留最近 30 天的事故追忆数据,可显示设定 100 组,每组 8 点。 7)历史信息一览显示 历史数据站保存最新 200 组信息一览,每组包括 2000 条记录, 8)历史数据的存储 可对历史数据、历史 SOE、历史事故追忆、历史报表以及历史信息一览等数据进行存储,并可选择多 种存储介质,存储时可以选择是否进行压缩。对于存储有两种方式: 请求转储:按需要在任何时刻将历史数据转储到其他存储介质上。 自动转储:在启动在线前做自动转储的设定后,则系统自动将历史数据转储到指定的存储介质上。对 于历史 SOE、历史事故追忆、历史报表以及历史信息一览都可以在任何时刻进行保存。

2.1 历史数据的保存时间
本系统配置的历史数据站可以直接从数据库中选择需要做历史记录的点,所有数据库中的点都可以选取。
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数字量采集周期为 1 秒,模拟量采集周期有 3 种:1 秒、5 秒和 30 秒,非重要过程点的采集周期可适当加 大,采集周期可混合使用。采用差异存储方式。 历史数据站的数据存储文件分为数据文件和其他辅助文件,其中数字量数据的存储空间为:1Byte/点,模 拟量数据的存储空间为:5Byte/点。假设历史数据站的历史点定义和点的变化如下表所示(单元机组) : 数字量历史点 4000 点/秒 4000 点/5 秒 6000 点/30 秒 模拟量历史点 数字量的变化率 3000 点/秒 200 点/秒

模拟量超死区变化率 2000 点/秒 则收集一天后: 数字量的容量约:8.7M 模拟量的容量约:860M 辅助信息约:50M 对历史数据的存储可选择多种存储介质(硬盘、 光盘等), 转储的方式分请求转储和自动转储方式两种, 同时还可以选择在转储时是否对数据进行压缩。压缩后的数据文件大小约为原数据文件大小的 15%至 25%, 这样,历史数据站的硬盘即可以提供极大的数据存储量,历史数据站配置不小于 80G 的硬盘(系统区只需 要 10G,其他全部用于数据存储)和光盘刻录机。 对以上的计算条件,经压缩处理后,每天的文件大小约不超过 230M,按硬盘占用不超过 60%计算,可 存储超过 6 个月数据。 以上的计算条件,已远远大于工程项目的实际数据记录量,因此实际存储量不会超过 200M/天(实际记 录量根据机组工况的不同亦有不同),存储时间更长。 如将数据转储至光盘介质存储,可实现长期保存。

3.工程师工作站
HIACS-5000M 系统的高功能工程师工作站,把电厂的工程师从复杂而大量的工作量中解放出来。 编程语言采用的是 POL。(不需要工程师具有专门的计算机语言的知识。 POL:Problem Oriented Language); 使用大宏指令能进行控制逻辑回路的阶层设计; 装有高功能的 Hierarchical CAD 系统,绘图简便; 通过逻辑仿真功能,在实体的控制器上检证 FDB 逻辑演算。由于有这个功能,在现场的调整,大修时, 能减少系统的恢复确认等工作量; 工程师工作站(Engineer Work Station)是 HIACS-5000M 系统的应用系统生成、系统修改、监视的工 具。工程师工作站采用图形界面,对站式操作方式,应用系统程序员使用起来方便、灵活。主要功能如下: 系统监视: ?逻辑监视:逻辑图的在线监视(可调节在线参数,可设定/ 解除仿真) ?趋势监视:控制器数据的在线趋势监视 ?历史趋势编辑:在线趋势数据编辑成历史数据 ?历史趋势显示:历史趋势监视 ?趋势点号更新处理:逻辑图数据和收集数据一致化 编程 ?逻辑编辑:逻辑图、PI/O 表的制作和修改 ?逻辑编译预处理:逻辑图编译预处理 ?编辑编译:逻辑图的编译 ?PI/O 的编译:PI/O 表的编译 ?编辑执行顺序设定:逻辑图执行顺序的设定 系统比较 ?程序比较:比较 H/D 与控制器间控制器程序
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?传送表比较:指定控制器间连接一致性的比较 ? PCM/CPU 间比较:CM/CPU 间连接的一致性比较 ?他系比较:与他系控制器比较程序 ? MO 比较:MO-H/D 间控制器程序的比较 ?来历比较结果显示:显示来历结果的比较 ? Loading 数据比较:H/D 加载后的数据比较 系统登录 ?相关子程序的登录:将子程序设定到各个控制器中 ?系统构成设定:各个控制器的模板安装、网络连接和地址设定理 ? TASK 登录:标准外任意任务的登录 ?传送连接表设定:对己连接控制器的网络作定义 ? SYSDEF 编译:参照定义文件,设定在 H-5000M 中所缺省的固定常数 管理功能 ?双重化控制器生成:在 H/D 上双重控制器中,从系软件的生成 ?输入输出清单制作:将逻辑图中传送的输入输出项目编制成传送清单 ?时间参数一致性检查:时间参数一致性检查功能 图形生成 按应用需求生成各类显示画面以及接口画面等。各个画面定义信息采用自动文档管理,提高其可维护 性。

四.电源及接地系统

1.DCS 电源系统
设计准则:全分散、全冗余的系统电源配置。 ? 接受外部该给的双路电源(通常一路 UPS 电源及另外一路电厂保安电源)任一路电源丧失不影响 系统工作; ? 系统电源装置(PS7000)双重化配置,系统更加安全; ? 系统电源装置分散布置,无集中供电环节,最大程度地保证了系统的高可靠性; ? 采用完善的电源报警技术,对过流、过压、欠压及失电都会给出及时的报警,配合在线维护设 计,系统更加安全、可靠。 供电系统简要说明: 外部供电回路双重化, 宽输入电压范围的电源模件, 允许输入范围为 AC: 90V~264V/DC: V~370V, 100 任何一路来电丢失,瞬时(零切换时间)自动无扰切换,对系统无影响。 如下图所示:
AC-1 PS7000 电源装置 用电设备: 控制器及I/O系统 AC-2 PS7000 电源装置

若配置 N 个控制单元,则配置相应 N 套冗余的电源装置。

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电源装置双重化的方法及特性 冗余电源装置的次级输出均采用肖特基二极管,隔离并联接法。这样可实现系统冗余电源装置的直接 并联,构成零切换时间的冗余电源系统。以 5V 为例,其硬件结构如下图所示:
D1

5V
D2

5V

5V
合理选择的肖特基二极管具有如下特性: 可靠性高; 正向压降低,电源效率高; 导通时间快,对实际的应用系统来说,可认为是无扰动、零时间切换;

2.HIACS 系统的抗干扰技术及接地系统设计
设计原则: ? 最大限度地抵抗现场发生的各种共模、串模干扰信号,保证 HIACS 系统的正常工作。 ? 最大限度地防止通过地线的杂散电流寄生耦合干扰。 ? 最大限度地防止杂散射频干扰。 技术措施: 模件级退耦电路设计; 单点接地系统结构; 全封闭静电屏蔽机柜; 说明: 模件级退耦 每块模件均设置了退耦电路,使得模件内、外的信号,不会通过电源系统产生寄生耦合干扰。 模件供电如下图所示。

供电

退 耦 电 路

模件电路

单点接地 机柜下部设置统一的接地板; 机柜地线,单点连接到本机柜下部的接地板上; 不同的机柜接地板,链式联接在一起,形成系统的总接地线系统; 自总接地线,单点接到电厂,电气接地网上,不需要设备单独接地网; 要求电厂地线接地电阻 < =100Ω 即可; 此种接地系统,最大限度地抵抗了外部干扰; 全封闭式静电屏蔽结构; 机箱与机柜为第一层屏蔽; 机柜与系统外部为第二层屏蔽; 此种屏蔽,最大限度地抵抗了杂散射频干扰;

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五.日立典型的控制策略

1.机炉协调控制策略概述
采用日立公司已成功地使用多年的快速协调控制方法-平行前馈、动态加速协调策略,要点如下: ? 日立公司采用 MWD 信号(机组负荷指令)生成多路稳态前馈控制信号,加速锅炉侧的响应速度,再辅 助主蒸汽压力反馈调节,使得机-炉间的功率平衡,得到根本上的保证。 ? 为保证机-炉间的动态平衡,及进一步加速锅炉动态过程,日立公司创造了一整套动态加速信号。在 机组负荷指令变化时,产生一套动态前馈信号,分别加入锅炉各个子回路,加速动态响应,改善动态 调节品质。 概括说来,日立公司的大机组协调控制策略分三个层次: 1) 选择时间上最具有优势的 MWD 信号作为锅炉功率需求信号; 2) 用动态并行前馈方法改善调节品质:由 MWD 信号,生成多路稳态前馈信号,辅助主汽压偏差信号、改 善调节品质; 3) 用过程加速方法加快机组的变负荷响应:由 MWD 变动信号,生成多路动态前馈信号,在负荷变化过程 中,改善动态调节品质及加速锅炉动态响应; 这套控制策略已在多台大容量燃煤机组上(包括上海外高桥 2×900MW 机组)得到应用。使用效果良好。

2.并行前馈的控制策略
用 MWD 指令信号作为锅炉侧的能量需求信号比采用 P1 信号快了一个锅炉时间常数 Tb,采用 P1 信号, 本质上讲是基于反馈、炉跟机的控制方式,而 MWD 信号的采用从本质上实现了锅炉的前馈控制。采用 WMD 信号对锅炉的控制, 是一个开环的控制方法, 因此必须配合主蒸气压力的偏差信号实现机炉间的动态平衡。 以下图示说明日立在大型火力发电机组中采用动态并行前馈的控制方法的:

传统的控 制方法
MW 指令 MW D 汽 机 控 制

主汽压力 MSP BI D 校正 给 水 控 制

主汽温度 MS T FR D 校正 燃 料 控 制

烟气含O2量 O2 AF D 校正 送 风 控 制

其他回路

BID: 锅炉输入指令 FRD: 燃料指令 AFD: 送风指令

图1:传统的控制方法 超临界压力锅炉采用传统控制方法,只能适应负荷变化率 1-3%/分的变化

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日立采用 平行前馈 的控制方 法
MW 指令 MW D

主汽压力 MSP

主汽温度 MS T BID 校正

烟气含O2量 O2 校正 其他回路

校正

汽 机 控 制 BID: 锅炉输入指令

F G

给 水 控 制

F G

燃 料 控 制

F G

送 风 控 制

+ +

+ +

+ +

图 2 改善后的控制方法 日立采用动态并行前馈的方法,对传统控制方法进行了改进。改进后可适应机组负荷 4~6%/分的变化,显 著改善了机组对负荷变化过程的响应特性。

在给水回路上的实施效果:

指令 锅炉给水流量 A 实际流量 较大偏差 锅炉给水流量偏差 B

给水泵流量指令 C

给水泵转速 D

图 3 采用传统控制方法的给水系统控制特性

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HIACS-5000M SYSTEM 指令 锅炉给水流量 A 实际流量 锅炉给水流量偏差 B

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较小偏差

给水泵流量指令 C 可调增益

C ’

给水泵转速 D

可调增益

D ’

3.动态加速的控制策略 3.1 基本思想
对于大型火力发动机组,尽靠并行前馈的控制方法还不足以得到满意的机组变负荷响应特性,因此日立专 门设计了一个 BIR 信号加入各个子系统的控制回路中,这个信号仅在负荷变化时发生作用。
主汽压力 主汽温度 MST 烟气含O2量 O2

MSP
MW 指令

BID

校正

校正

MWD

校正 其他回路

汽 机 控 制

F G

给 水 控 制

F G

燃 料 控 制

F G

风 送 控 制

BID: 锅炉输入

指令
BIR1

+ + + +

BIR2

+ + + +

+ + +
初级

初级

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5V 24V 15V 5V

24V

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3.2 BIR 信号的建立
根据当前的负荷指令、负荷变化率、及负荷的变化范围,通过专门设计的 BIR 生成逻辑,为各个子回 路建立动态加速信号 BIR MW指令 BIR 逻辑

BIR 信号

MW变化率

MW变化范围

3.3 BIR 信号的作用
针对给水、燃料等对负荷变化的不同的响应时间,加速动态过程的响应速度,显著改善蒸气温度/压 力的调节品质。 ? 在负荷变化过程中,在子系统前馈指令上叠加赠/减信号(BIR) 用于对动态响应过程的校正 ? BIR 的增益可根据负荷进行调整 ? 投入时间/斜率,切除时间/斜率可根据负荷进行调节 目标负荷

MWD 切除 时间 切除 速率

4.智能报警软件
系统所提供的报警系统是智能的,包括了如语音报警,自动弹出画面,报警闭锁,软光字牌显示,变 参数报警等,能通过接点状态的变化,或者参照预先存储的参考值,对模拟量输入、数据量输入点、计算 点、进行扫描比较,分辨出状态的异常、正常或状态的变化。若确认某一点异常,监视器屏幕即自动弹出 报警画面,并发出声响,报警弹出画面显示最新 10 条报警信息。系统提供了可设定 150 点重要报警信息 的功能,这些点可以是模拟量点、数字量点和计算点。当所定义的点发生报警,其可以触发弹出相关的系 统图画面,提醒机组运行人员的特别注意。为了不影响运行人员对机组的监控,在操作状态下,系统图画
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BIR/MWD

投入 速率

投入 时间

投入 时间

投入 速率

切除 时间 时间

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面不直接弹出,而是以窗口形式显示在触发画面区域上,待运行人员确定后方才弹出。根据系统要求,系 统可以设定组态软光字牌画面,功能与报警光字牌一致。 报警信息自动存储在信息一览报警窗口和报警显示窗口中,并按时间顺序排列,最新发生的报警显示 在报警画面的顶部。报警点分为 6 个不同的优先级,可用不同的颜色显示该点的标签或文字加以区分。并 采用闪光、颜色变化等手段,区分出未经确认的报警和已经确认的报警。在设备停运及设备启动时,所有 模拟量和数字量信号可以使用“报警闭锁”功能,以减少不必要的报警。启动结束后, “报警闭锁”功能 自动解除。 “报警闭锁” 不影响对该变量的扫描采集。同时还能设置几种负荷 (如 30%、50%、70%、85%B-MCR 等)时某些信号的“报警闭锁”功能。所有带报警限值的模拟量输入信号和计算变量,均可分别设置“报 警死区” ,以减少参数在接近报警限值时产生的频繁报警。对所有输入信号和计算变量均可提供可变的报 警限值。这些报警限值可以是过程参数(如负荷、流量、温度)的一个函数。在某一站上对某一点发生的 报警进行确认后,所有其它站上该点发出的报警也应同时被确认。某一点发出的报警确认后,该报警点显 示的背景颜色应有变化并消去音响信号。所有出现的报警及报警恢复,均可由打印机打印出来。 操作员工作站信息一览功能中报警记录量为:报警信息或报警恢复信息可记录 20 组,每组 2000 条, 共 40000 条;历史数据站记录量为:报警信息或报警恢复信息可记录 200 组,每组 2000 条,共 400000 条。 报警显示功能记录量为:180 点,显示为未经过报警确认的报警信息。

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