EDPF-NT+系统在太阳能槽式光热电站的应用

引言：

　　近些年来，能源和环境问题日益突出，太阳能热发电作为清洁能源利用项目，并具有的电能输出稳定和连续、成本低的特点而受到广泛关注，对于太阳能热发电电站自动控制系统的研究也显得十分重要。

本文旨在介绍北京国电智深控制技术有限公司自主研发的EDPF-NT+系统在太阳能槽式光热电站的应用，阐述了该系统的主要功能、配置、网络结构等，并结合光热电站集热场分布特点和监控需求，简要分析了光热电站DCS的网络结构设计构想和创新设计等。

 

1．工程概况

　　八达岭光热电站位于北京市延庆县八达岭镇大浮陀村西，距延庆县7km，东临八达岭高速公路，建筑面积2536.16平米。塔式光热发电系统是亚洲首座MW（兆瓦）级太阳能塔式热发电技术应用项目，为国家科技部“十一五”863重点项目，1MW槽式光热发电项目隶属于“十二五”863主题项目“太阳能槽式集热发电技术研究与示范”项目的一部分，均由中国科学院电工研究所承担研究建设任务。其中，槽式集热场包括三个槽式600米回路，2个为轴向东西布置，1个为轴向南北布置。传热流体为导热油，聚光器采光总面积为10000平方米，蒸汽发生系统由预热、蒸发、过热三部分构成，系统接入原1MW塔式试验项目的发电系统进行联合运行。

　　八达岭光热电站的DCS分散控制系统的监控范围包含槽式系统的槽式集热系统、热工系统（蒸汽发生系统、导热油系统）、塔式光热发电系统的常规岛系统，以及塔式和槽式的公用系统（如汽轮机、发电机、、热力主蒸汽系统、给水系统、抽汽系统、凝结水系统、辅助蒸汽系统等）。

　　该项目的分散控制系统（Distributed Control System以下简称DCS）采用北京国电智深控制技术有限公司（以下简称国电智深）具有自主知识产权的EDPF-NT+分散控制系统。系统共配置6对控制器，3对虚拟控制器，控制点数1868点。

 

2．分散控制系统特点

　　本项目DCS系统采用国电智深EDPF-NT+ 2.1版本分散控制系统，是EDPF-NT+系列DCS在太阳能热发电领域的首次成功应用。

（1）智能控制系统无实时数据服务器设计，无数据流量的集中点和系统级故障集中点。系统网络节点规模可达100个域*250各站，系统数据库规模可达百万点，输入输出点数超过30000点。

（2）多域系统结构，支持各独立装置的监控和全流程集中监控。采用系统分“域”技术，有效地分解系统处理规模，同时解决了不同功能的接入和隔离，也为实现各工艺车间一体化控制提供了技术基础。

（3）满足太阳能热发电控制所要求的特殊算法，结合基本算法和优化算法模块，全图形化的组态方式，可方便地实现控制策略组态。

（4）槽式集热器系统通过EIO（Ethernet for I/O）接入DCS控制系统，实现了光热电站太阳岛和常规岛的一体化集中监控。

（5）槽式集热场各太阳能集热器组合SCA（Solar Collector Assembly，以下简称SCA）及集热器回路（以下简称LOOP）的综合智能优化控制。

（6）系统支持PROFIBUS、MODBUS RTU/TCP、CAN、HART等多种通讯协议。

 

3．系统功能：

（1）系统控制功能分配

　　八达岭光热电站DCS分塔式控制系统和槽式控制系统（以下称动力系统）2部分。系统网络图如图1。

　　塔式控制系统

　　塔式分散控制系统（DCS）与常规火力发电电站DCS相似，监控范围包含汽轮机、发电机、热力主蒸汽系统、给水系统、抽汽系统、凝结水系统、辅助蒸汽系统等主要系统。

　　槽式控制系统

　　槽式分散控制系统（DCS）监控范围包含槽式集热器、蒸汽发生系统、导热油系统等。其中，将槽式集热系统纳入DCS控制属于项目首例。

图1：八达岭光热电站DCS系统结构图

（2）槽式集热场SCA控制功能

　　DCS可控制槽式集热场执行各模式指令，如归位、跟踪、散焦、防风保护、清洗位置、顺时针转、逆时针转等；

图2：集热场SCA控制界面

（3）槽式集热场LOOP控制功能

图3 ：集热场总控制界面

　　当回路中各SCA与DCS通讯正常，且SCA无故障报警的情况下，上位系统可对单个LOOP进行整体操作，可执行的模式与SCA的控制模式相同，包含自动跟踪、防风、散焦、清洗、归位。

（4）槽式集热场与常规岛的协调控制

　　DCS同时控制集热场及常规岛系统，使其协调运行。

（5）数据通信与交换

　　通过EIO（Ethernet for I/O）的方式，获取集热场场各SCA的PLC数据，读取风向仪和常规岛系统的实时运行数据，下发归位、跟踪、散焦、防风保护、清洗位置等指令至各集热场PLC；

（6）工程管理器

　　本系统采用的EDPFNT+ 系统具有自主知识产权的全新的图形化控制组态工具，集成开发环境风格的“工程管理器（PO）”，支持自下而上和自上而下构建控制系统，可以完成建域、建站、建点、上传、下载等操作。 

（7）逻辑及画面组态

　　逻辑组态是建立在基于Microsoft Visio的控制组态平台，支持SAMA图、逻辑图等全图形化控制组态语言。方便实现自定义算法，组态方法简单易懂，调试方便，维护简单。逻辑控制关系一目了然，方便工程人员的编程和阅读。图形化过程画面采用具有windows风格的多文档全图形编辑界面工具GB，可同时编辑多个画面，支持多画面之间的图形的复制，可绘制各种静态图形及各种动态对象，包括棒图、趋势、点记录属性等。具有多种操作方式的操作区使操作员实现人机交互。

（8）智能简报系统

　　简报系统将所有测点的报警信息分级为三个级别：一级报警、二级报警及联锁报警，各级别报警信息的颜色和声音有明显区别。根据工艺系统划分明确，操作权限界限清楚地特点将报警提示按照操作权限严格划分。分类清晰的报警信息对整个流程的安全控制可以起到非常重大的作用，帮助运行人员快速、准确的处理流程中出现的问题。保证重要报警信息不会因为忙乱疏忽而不被重视和处理，提高操作流程的安全性和可靠性。

　　报警信息具有详细的细节说明和记录，为事件追溯和问题分析提供充分详细的资料。

（9）历史检索功能

　　能够及时有效地查询出历史报警信息、历史操作记录以及系统重要测点及故障等的事件信息，历史检索程序（hsr_Retriever）为操作员提供列表方式显示界面，显示已发生报警、事件和点记录数据。

该程序不仅可满足运行员查询历史信息的基本要求，并且利用特征字技术，实现了对特定时间段、指定工艺单元或来自某一上位机站或控制站的信息进行过滤筛选后显示。

 

4．系统硬件配置

　　系统硬件整体配置如下表：

5．槽式集热场网络方案设计

（1）总体网络结构

　　本项目槽式集热场共有3个回路，其中东西轴向两个回路（#1 LOOP、#2 LOOP），南北轴向一个回路（#3 LOOP）。#1 LOOP和#2 LOOP各包含4组集热器组，分别由4组PLC进行就地控制，每组集热器长度150米；#3 LOOP包含6组集热器组，由6组PLC进行就地控制，每组集热器长度也为150米。

　　考虑到整个槽式集热场通讯距离、监控数据稳定性的要求以及就地PLC所支持的通讯接口，槽式集热场与DCS系统通讯确定采用MODBUS RTU协议，监控系统模块与集热场PLC通信模块通过光纤、双绞线、光电转换模块相连，智能监控系统作为客户端，通信模块作为服务端，按照通信协议及约定好的信息通讯点表，分别在两个系统上进行网络和报文的相关配置。DCS侧提供三个MODBUS通讯接口，分别接入#1、#2、#3LOOP的通讯数据。每个回路的PLC串联后送入DCS系统。具体网络连接方式请见图4。

图4：槽式集热场与DCS系统的网络连接结构

（2）EIO通讯算法

　　EIO是国电智深开发的工业实时以太网网络和协议，该协议兼容HSE、EPA等工业以太网协议。纯数字的现场总线信息和传统I/O信号通过各自的协议转换模件转换为EIO信息。EIO网络上可以接入一个或多个控制器，组成一个分布式控制单元（DPU）。当接入远程I/O时，协议转换模件可放到就地I/O柜中。EDPF-NT+系统通过EIO的方式将集热场数据进行处理转化，并在运行EIO程序的接口站上建立虚拟控制器，对数据进行逻辑运算及控制输出。

　　EIO同时支持真实DPU和虚拟DPU与第三方系统通讯，目前广泛应用于虚拟控制器，虚拟控制器安装在DCS负责和第三方系统通讯的上位机上。工程应用中，DCS与第三方系统之间因采用的通讯协议不同而有不同的网络连接方案： 

　　1) 基于以太网通讯：第三方系统与通讯站之间属于同一个子网，可保证DCS与第三方系统之间正常通讯。如果第三方系统只有一个，通讯站和第三方系统之间可以直接连接而组成一个子网；如果第三方系统多于1个时，使用HUB或交换机等组建网络。 

　　2) 基于串口通讯：使用串口服务器作为转接接口，串口服务器每个端口连接一个第三方系统，DCS的通讯站与串口服务器之间可直接连接，也可通过HUB、交换机等连接。

DCS通信模块通过EIO接收各集热场PLC上传的运行数据信息，并将信息转发给DCS监控系统，根据通信模块接收的运行信息，在DCS系统端检查是否能够接收通信模块转发的相关信息的报文并判断报文的准确性。同时，在DCS系统端设定单个镜场SCA的模式指令，通信模块能够准确接收并将指令下发给相应的镜场PLC。

　　（3）通讯算法配置

　　EDPF-NT+系统的EIO配置内容主要包含MODBUS通讯协议中的各个要素，具体内容有：

　　1) 设备ID：指与DCS通讯的第三系统的编号，DCS内部定义的。 

　　2) 从站ID：通讯双方共同协定，本项目中从站ID指各个SCA的PLC从站号。 

　　3) 起始寄存器号：该卡件第一个通道的测点对应到第3方的通讯地址（寄存器或者线圈）。 

　　4) 字节顺序类型：双方约定数据字节顺序。 

　　5) 功能码：表示通讯卡件算法将选择哪个功能码和第3方通讯。

　　6）与EIO配套的卡件算法。EIO通讯中常用的卡件算法如下： 

图5：EIO通讯中常用的卡件算法

6．结语

　　本套控制系统以八达岭光热电站作为研究对象，以EDPF-NT+系列DCS控制系统为基础，结合槽式光热电站镜场分布广、数据分散、生产模式多样等特点，根据八达岭光热电站发电系统的需求，开发了满足光热电站发展需要的DCS分散控制系统。EDPF-NT+系统在光热电站的成功应用，对光热电站DCS系统国产化具有重要的示范意义和推动作用。国产DCS系统不仅可提高我国重大装备自控系统自主化水平，满足太阳能光热发电自动化和智能化要求，还可大大降低工程建设投资和运维成本。