| PineControl—发电过程自动化整体解决方案——华能信息产业控股有限公司 | |
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| | 摘要PineControl—发电过程自动化整体解决方案是根据当前科学技术的发展水平，融合了现有的计算机技术、控制技术、通讯技术、软件技术，并且从发电企业的实际出发，将过程自动化，管理信息化，工艺过程优化，远程监控，数据传输和高端应用系统（如：EAM、ERP等）纳入到一个标准、开放的体系中，实现全厂侧自动化和信息化的综合解决方案。在这个方案中，由于采用统一的控制和管理平台，DCS的使命已经不再是安全与稳定运行的需要，更多的是参加到电厂经济管理中，起着信息化基础平台的作用，所以要求它提供的信息必须是实时、完整、真实的，这样有必要将整个电厂的控制系统当作一个独立和统一的DCS来考虑。我们方案的出发点也正是基于这个目的和前提。PineControl的控制系统以具有高速运算能力和高可靠性能的工业过程控制站为基础，结合工业标准的PC及网络资源形成开放的工业IT集成应用系统。该控制系统采用先进的“数据引擎”技术，提供了灵活和可靠的控制组态机制，运算速度快，统一规范的软硬件平台可同时满足发电机组锅炉、汽轮机、电气设备、以及辅助系统的连续和协调控制。目前，PineControl系统已经在商业运行中积累了很好的业绩，是常规控制机组、火电调峰机组和水电机组最理想的控制系统。1.引言
PineControl—发电过程自动化整体解决方案是华能信息产业公司以PineControl分布式控制系统为基础，依托发电企业背景和多年仿真研究经验的积累，旨在为提高发电企业综合经济效益而提出的一套完整的技术方案。应用该方案的系统可以满足机组运行稳定、使用方便、操作简单、安全可靠、维护量少和技术开放的要求。在项目实施过程中，华能信息产业公司能够适应用户需求变化和技术更新的冲击，不断提高和完善自己的系统性能。由于该方案涉及的电厂生产控制和管理内容多，分布范围大，因此对工程实施过程中设计和施工单位具有高水平和稳定的技术服务体系的要求。为此，华能信息产业公司专门针对这个发展方向成立了两家专业技术公司，分别负责生产过程自动化项目和管理信息化的开发和实施。 | |
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| 位于福州仓山工业园区建设中的华能信息产业公司DCS研发基地 | 位于华能福州电厂的华能仿真研究所是PineControl诞生的地方 |
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| 2002年11月，PineControl控制系统通过国电公司的部级鉴定 | 位于福州电厂华能仿真研究所的实验室 |
2PineControl的基本构成
2－1PineControl的硬件体系（开放的工业控制站与传统PC的结合）
PineControl中采用了统一的机、炉、电、辅机、监控硬件平台，从系统的结构来看，无论是主机控制、辅机、脱硫设备控制，控制站的外形和配置都是相同的，不同的只是可以移植的控制程序，这样使得系统的设计、安装时间大大缩短，也使得现场的工作量能够减少到最少程度。在这个控制系统中，无论是DEH还是辅机控制可以做成DCS的一个组成部分，其硬件系统完全一样，统一的系统配置使得硬件的兼容性上保持一致。同样，系统采用的软件组态工具及组态方法也一致，用户不再需要掌握两种不同的系统，使得系统的使用和维护变得极其容易，备件的库存量也降到最低。这个控制系统的设计思想也正好符合现代电厂对于机组控制系统小型化、集中化的要求。PineControl的开放性结构，使它能够灵活地满足用户各种形式的需要，无论新建项目还是改造工程，用户都可以象搭积木一样按自己的愿望组建系统，扩展架构，改善控制品质。PineControl还可以通过在线仿真确认控制结果，达到优化控制目的。 |
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| 采用统一的硬件平台具有如下优点：PineControl目前采用的控制形式，无论在控制方式和控制组态上都可以跟主机DCS无缝联接，都是以远程I/O为基本控制单元，以光缆组成通讯网络；辅机控制系统同样采用DCS系统的架构，因此无论在硬件配置、网络选型还是控制软件开发上都采用DCS技术标准，以双缆及多CPU（中央处理器）保证系统的安全、可靠，在速度、储存容量等方面充分满足运行需要，使整体性能得到提升；由于采用统一的控制平台PineControl、统一的控制组态PineCAD和统一的人机界面PineHMI，上位机为控制监视部件，鼠标为基本操作元件，因此使主机和辅机在兼容性上更趋于一致，更容易被运行人员接受和掌握;由于控制室单一，操作台集中布置，便于值长安排工作，并且采用统一的数据、报文格式，使全厂MIS得以共享；PineControl采用真正的C/S体系结构，可以提供远程WEB访问，在分级授权下使各个部门领导可以通过浏览器访问的方式随时了解现场运行状态,可以跟电厂SIS实现无缝连接。 |
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| 华能福州电厂(4X350MW)原三菱重工MIDAS8000控制系统(改造前) | 华能福州电厂（4x350MW）利用PineControl改造后的主控室（改造后） |
2－2PineControl的软件体系（PineCAD与PineHMI）
PineControl的所有软件均为遵循工业开放标准，自主开发或经二次开发的产品。PineCAD软件技术：PineCAD控制组态软件工具是不针对任何硬件平台的控制组态软件工具，因而可适合于不同的控制站。PineCAD使用方便，任何用户只要具备控制对象的特性和相应的系统工艺要求，不必具备高深的计算机专业知识就能够轻松地运用这种组态软件。PineHMI人机界面组态软件：PineControl采用了目前国际上流行的人机界面组态软件方法。PineControl提供给用户的不仅是一套已经组态好的画面，而且还提供给了用户一套完整的工具，用户只需经过简单的培训即可自行进行人机界面的组态和开发工作。PineControl的软件体系是由具有自主知识产权的PineCAD和PineHMI构成，其中人机界面软件采用与美国ＧＥ ＦＵＮＡＣ Ｉｎｔｅｌｌｕｔｉｏｎ公司的合作的开发模式，具体体现在：采用实时数据库数据处理技术；集图形设计平台与图形在线监控平台于一体；组态数据结构与控制站计算机硬件无关；可实现在线状态下无扰修正控制组态逻辑结构和参数；具有实时控制状态强制能力；能以多种形式检测控制站中控制数据库的状态；适应各种控制对象、满足智能控制要求；PineControl同时还支持在线组态和在线仿真的功能，这两点是系统调试完善和验证的重要组成部分，可以为工程师优化系统的运行提供必要的手段和工具。支持实时监控功能：可以打开相应现场控制单元的控制逻辑，激活实时监控功能，即可对该现场控制单元进行监控，如设备的开关信号，模拟量的采集信号等都可在组态软件上以数据的形式或颜色的变化直观的显示出来。支持动态趋势显示功能：能够以趋势图的形式来表征一个采集量或输出量时，组态软件提供了这种功能，可以同时监视多个采集量或输出量，并可以灵活的进行选择，而不必进行预先的定义。支持在线修改功能：该系统的一大特点是方便的在线修改功能，控制逻辑经过修改并能在线下载到控制站RAM中，而不影响系统的正常运行。PineControl的组态软件提供的这种功能极大的方便了系统的调试，并保证了系统运行的可靠性。支持控制元件值强制功能：元件强制功能能对各个元件的输出进行强制，如开关量可以置1或0，模拟量可以置任何的一个有效数值，缩短了系统的调试周期，并方便了系统的维护。支持调试功能，软件的参数调整功能能对各种带参数元件的参数值进行在线的调整。 |
| PineCAD控制组态软件界面风格1 | PineCAD控制组态软件界面风格 |
2－3PineControl的网络体系（以太网与ControlLink）
PineControl采用三层结构的网络，各层网络功能明确。网络层次结构分明，各层网络独立运行。三层网络分别为：控制层网络（ControllerLink网络）；信息服务层网络；信息层网络； |
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| PineControl系统结构 | PineControl系统网络结构示意图 |
| PineControl控制系统的ControllerLink网络采用主网络带子网络的网络结构。任何网络之间可以进行数据交换，同时各个子网络之间也可以独立运行。控制层网络完成各个控制站之间的数据交换，减少了各个控制站的I/O点数量，并且保证各个控制站之间的协调运行。网络中任何一个控制站可以接收其他控制站的数据，也可以把自己的数据发送给其他的控制站。用户通过简单的网络配置就可以完成各个控制站之间的数据交换。PineControl控制网络有以下特点：网络容量大，可以有3008个节点；覆盖范围广，节点间最远距离为10公里；通讯速度快，系统响应时间可以达到1秒；通讯效率高，采用了多种方式提高通讯的效率；时钟同步，在全网络内实现时钟同步；主网和子网相结合的结构使系统具有灵活的可分性；彻底冗余的网络冗余技术，从电缆、通讯模块到整机系统都实现了冗余；通讯层次清晰，系统分为控制层、信息服务层和信息层网络；实现Internet网络扩展功能，只要通过简单的编程和设置就可以实现Web服务器的功能。 |
2－4PineControl的控制结构介绍（控制站布局、控制回路与数据通讯结构）
PineControl控制站处理器使用了高性能的计算机与通讯网络，是按工业过程控制的要求而设计的，其设计目的是能够在现场就地完成复杂的过程控制任务。由于采用了开放性体系结构和通用工业控制器，PineControl有很多适用于过程控制的特点：高可靠性：PineControl的控制站同专署DCS控制卡件存在本质区别，是目前可靠性最高的控制器件，其MTBF时间达185000小时（21年）。强大的控制性能：●基本指令的处理时间只需0.0１μS●加上内存卡后存储容量可达45M灵活的通信方式：●最多34个串口，通信速率115.2Kbps●最多4个ControllerLink令牌网络，2Mbps，每个网络最大节点32个，每个网络最多32000字，通信距离最大20km（光缆）●最多4个工业以太网，10Mbps，每个网络最大节点126个支持多种现场总线：●无缝网络连接：信息层的Ethernet，控制层的ControllerLink，器件层的DeviceNet(CompoBus/D)之间的通信就像在一个网络一样简单方便。灵活的系统配置：●卡件化结构●多种IO卡件可选●多个扩展机架●控制站双CPU双电源高可靠性配置便利的系统维护性：●很强的自诊断功能●具有远程维护功能●机炉电采用统一的硬件平台●集多种类型的控制于一身：PineControl控制站可同时完成模拟调节、顺序控制、数据采集等控制任务。先进的过程控制算法使卡件的分配不受其功能的限制，可以按工程师对被控过程的了解来灵活地搭建系统中的多功能控制站。●在线组态：PineControl控制站的组态可以在线修改，有助于系统的调试，减少调试周期和提高运行现场的安全稳定性。
2—5PineControl控制能力
PineControl控制系统可以满足对于运行安全性和稳定性的需要，具体体现在：（1）系统的稳定性：在机组正常运行过程中，PineControl系统能够根据机组运行要求，自动将运行参数维持在要求值，使系统获得较高的效率（热效率）和较低的消耗（煤耗、电厂用电消耗等）；（2）系统的自动性：在机组运行工况出现异常，如参数越限、辅机跳闸时，PineControl除去及时报警外，还能迅速、及时地按预定的规律进行处理，以保证机组设备的安全，又能保证机组尽快恢复正常运行，减少机组的非正常停运次数；（3）系统的安全性：当机组运行异常发展到可能危及设备安全或者人身安全的时候，PineControl能够适时采取果断措施进行处理，以保证设备及人生的安全；（4）系统的防护性：在机组起停过程中，PineControl又能够根据机组启动时的热状态进行相应的控制，以避免机组产生不允许的热应力而影响机组的运行寿命，即延长机组的服务期；（5）系统的综合性：即对自动发电控制（AGC）的整合，AGC是现代电网控制中心的一项基本和重要的功能，实现AGC对单元机组的自动化水平，单元机组协调控制系统的稳定运行提出一个综合性的要求。PineControl可以和调度自动化系统（ADS）相协调而实现电网自动发电控制（AGC）；（6）系统的整体性：即DCS一体化，可以实现真正的一键启动功能。并且在此基础上建立的网控NCS可以直接接受上级调度的调度指令，完成厂内的机组负荷分配，进一步提高电厂运行效率；将电气部分纳入DCS范畴，不另外单独设立电气自动化系统，实现了机、电、炉、电气、辅机的全局数据共享，减少了自动化信息孤岛及系统数据交换的瓶颈，从而减少系统维护人员的工作量；同时电气纳入DCS还可以通过加入高级算法模块，实现设备管理和状态检修、设备寿命管理功能，并可加入实时成本计算模块，作为电价发电成本的考核依据，从机组系统工艺以外的方方面面节省运行开支。 |
3PineControl的系统性能
3－1运算速度与计算能力
PineControl的性能：| 项目 | 规格 | | 控制方法 | 存储程序 | | I/O控制方法 | 循环扫描和立即处理 | | 编程 | 梯形图、助记符 | | 指令种类 | 近400种 | | 执行时间 | 基本指令：0.0１μs（目前控制站最快的计算速度） | | 任务数目 | 288(循环任务：32，中断任务：256) | | 中断类型 | 定时中断、I/O中断、断电中断、外部I/O中断等 | | 文件存储器 | 内存卡(具有快闪内存的内存卡，可以文件格式存储各种程序和数据)、EM文件存储器(存储数据区) | | 循环时间 | 可以固定循环时间，循环时间最长可达32，000ms | | 负载关断 | 当CPU运行在RUN、MONITOR或PROGRAM模式时，输出单元上的所有输出均可关闭 | | 断电检测时间 | 10-25毫秒 | 3－2控制精度
PineControl的模拟量输入输出模块具备以下性能：高速转换能力，转换时间可达1ms/点；输入断线检测、峰值保持功能、故障时输出保持功能、平均值功能、零点和增益校准功能等，其控制站输入和输出控制信号精度可以达到：| 输入精确度 | 环境温度 | 23±2℃ | 满量程的±0.2 | | 0-55℃ | 满量程的±0.4 | | 输出精确度 | 环境温度 | 23±2℃ | 满量程的±0.5 | | 0-55℃ | 满量程的±0.8 | 这些精度完全可以达到电站控制系统对于DCS控制的要求。 |
3－3复杂控制能力（应力控制与APS）
PineControl控制系统中使用了模式控制系统取代了传统的温度、压力控制，使得被控量成为分布在某一空间的模式控制，利用人工神经网络技术、模式识别技术或者借助成熟的第三方专家系统外壳进行复杂控制。同时系统还可以在历史数据库上提供开发接口，使得对于经验数据具备自学习功能的优化控制系统运行得以实现。4.调峰机组在控制方面的要求
4－1发电机组的运行协调性
PineControl发电过程整体解决方案在控制端和管理端都引入了目前在火电厂DCS设计中已经广泛采用的模块化设计思想，并且根据系统的组成不同，将控制对象分成若干个既相互独立又相互联系的模块，PineControl中的这类模块有如下几种，从而在控制上能够使机组应对大多数运行模式：1、单元机炉协调控制系统（CCS）；2、过路炉膛安全监控系统（FSSS）或称燃烧器管理系统（BMS）；3、顺序控制系统（SCS）；4、数据采集系统（DAS）；5、汽轮机数字电液控制系统（DEH）和给水泵汽轮机电液控制系统（MEH）；6、旁路控制系统（BPS）；7、汽轮机自启动系统（TAS）；8、汽轮机监控仪表(TSI)和汽轮机紧急跳闸系统(ETS)；9、辅助系统的计算机程控系统。PineControl采用炉跟机的方式具有高性能协调控制能力，预测控制能力。尽可能减少和消除机炉间的互相影响，采用扰动补偿、自治和解耦的控制原则，通过共享数据，高速运算与通讯，高性能前馈补偿，具有基于模型和自学习能力的预测控制组态功能，具有快速响应外部扰动的数据处理机制，进行快速负荷调节，而不仅仅依赖于反馈控制（缓慢并且可能引起不稳定的积分过程）。这种控制模式对于负荷变化快，调频调峰运行机组的控制具有较大优势。应用了PineControl控制系统的单元机组可以完成以下的协调运行工作：1、接受电网中心调度指令、运行人员负荷指令和电网频差信号，及时响应负荷请求，使机组适应电网负荷变化的需求；2、协调锅炉、汽机、发电机的运行，在负荷变化率较大的时候，维持三者之间的能量平衡，保证主蒸汽压力稳定；3、协调机组内部各控制子系统（燃料、送风、炉膛压力、锅炉给水、蒸汽温度等系统）的控制作用，在负荷变化过程中使机组主要运行参数接近最大工况曲线运行，并始终在最大许可范围内，从而提高系统响应速度，保证机组能有较高的运行效率和安全性；4、协调外部符合请求与主/辅设备实际能力关系，在机组主/辅设备能力受到限制的异常情况下，可以根据实际情况，限制或者强迫改变机组负荷，达到协调控制系统的连锁保护功能。4－2快速响应要求
PineControl控制系统使用统一的控制站、控制软件、操作平台将主机控制系统和辅机控制系统结合在一体，从而可以更有效的利用控制网络和控制信息，达到快速响应的效果。除此之外，PineControl控制系统还具有机组自动管理系统（UAM）完成自起停功能，使机组在冷态、温态、热态、极热态等状态下，进行滑压和定压启动。机组可以根据调度指令自动完成锅炉点火前的机炉辅机启动、锅炉点火、升温升压、制粉系统投运、直到机组带负荷完成。4－3应力与性能管理要求
PineControl还具有应力计算和性能管理的功能。可以计算出最大允许热应力、当前热应力和最佳温度和压力变化率，使转子按照热应力控制汽机启动。在整个启动过程中，将热应力维持在最大允许值之内。根据主汽压和主汽温定值计算出启动热应力在允许范围内的最佳调节级后压力，在热应力未达到允许值之前，尽快地加速启动过程。4－4运行稳定性要求
PineControl具有自适应控制能力、低负荷稳定控制能力，可以大范围负荷调节，运行范围大，适应于经常在低负荷状态下运行的机组；5.PineControl在调峰机组中的应用
5－1APS系统设计
PineControl具有自动起停控制能力，机械性能核算与控制能力，适用于每日起停或经常起停机组或者机组负荷全程变化，处于极热工作状态下；装备有APS控制站可协调程控与调节控制站，使用断点控制模式，提高DCS自动化程度；控制组态可内嵌热应力算法，实现运行状态与性能的可视化。5－2程控协调体系
基于PineControl系统的辅机程控系统也可以纳入DCS，包括：输煤、化水、凝水、灰渣、循环水系统、电除尘系统、电气二次回路、污水系统、制氢系统、空压机系统等子系统。对于120MW—200MW及以上的调峰机组来说，将电气自动化部分纳入DCS系统，使主控室炉、机、电控制水平协调一致，便于集控管理，从而也增强了程控系统协调性，由于采用的统一的硬件和软件平台也使得运行和维护成本大大降低。5－3变参数与变结构设计
应具有自适应控制能力，低负荷稳定控制能力。控制参数与结构能够在线修正，具有自适应调整控制参数；非线性变结构控制算法满足发电机组在不同负荷区域的稳定运行要求。5－4运行管理
PineControl性能计算可以根据锅炉、汽轮机等厂家提供的相关技术数据，基于热力过程数学模型进行运算,提供相应的机组性能计算方法给用户。目前，PineControl分布式控制系统支持23种专用热力函数的计算，如焓、熵、比容等，并提供一种基于VB环境的性能计算管理平台。最终向运行人员提供可以观测的机炉实时效率，汽轮机各部分的缸效率，机组循环热效率，机组热耗率、锅炉的各项热损失等性能指标。根据这些指标，运行人员可以判断机组的经济性状态，实时调整工况，改善机组的性能。项目团队的建设多年来华能作为PineControl系统的工程实施者，同时也作为最终用户，这种双重角色决定了我们可以从两个方面考察我们的系统并且依此而创建我们的项目团队，团队成员都拥有多年电厂实际运行经验。我们在控制器、I/O模件、电源、安全方式的选择，以及人机接口、工程师站、通讯系统的设计上，都从实际应用出发不断完善和发展我们的系统，将最先进、最稳定的商业化技术应用到我们的控制系统中，从而不断降低我们的开发、制造成本。同时，我们还在不断加强自身的工程设计能力，系统组装、集成的能力，调试能力，项目管理能力和质量保证体系，充分发挥了技术规范书在工程项目实施中的针对、指导、监督作用。后记在华能信息产业公司长期的工程设计、实施过程中，深刻感到：作为一个独立发电公司，加强内部管理、降低生产成本、提高设备利用率，提高公司的整体竞争实力的重要性。作为一个电厂，通过采集各机组的运行信息，提高生产过程优化水平，从而提升机组运行的经济水平，辅助公司更好地做出科学的决策同样有着深远的意义，也能够为公司的战略部署以及实现公司效益最大化的管理目标等提供强有力的信息保证。如何能够找到二者需求的结合点，是我们工作和研究的出发点。为此，华能信息产业公司根据电厂运行、生产、管理经验和多年的工程实施经验，提出了这样一个发电过程自动化的整体解决方案，并且在目前实施的项目中初步加以推广和应用。 |
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