1 概况
天津国华盘山发电有限责任公司输煤系统的控制系统，采用的是PLC控制系统，于1999年改造，已经运行超过18年，I/O模块以及网络通讯等故障多发，为保证系统安全运行，将该输煤控制系统更换为DCS系统控制。改造为DCS系统的同时，配合厂内减员增效，将入炉煤采样、料斗称、氨区系统接入输煤系统进行监视控制。该电厂两台俄制500MW超临界参数燃煤发电机组，输煤系统作为辅助公用系统，输煤控制改造工期无双机停运间隙，因此要求输煤控制系统改造为“在线”升级改造方式。本文通过该项目系统设计及调试过程中遇到的问题处理进行介绍，为后续类似改造项目提供借鉴。
2 网络设计优化
原PLC控制系统，输煤电子间内有主站，就地机柜分为8处，分别为#1~#8柜。在输煤电子间设置一对控制器，其余机柜均作为I/O柜依次连接接入主站，该控制网络通讯容错能力不高，由于是单网结构，当网络通讯出现故障时，故障点及其后的连接系统将失去监视和控制。该项目输煤设备比较老旧，输煤皮带的主要联锁和保护（包括保人身、保设备安全运行的重要联锁保护），如：就地急停按钮、拉绳、跑偏等保护均依靠控制系统完成，以上设备的动作触点没有直接串入电气装置控制回路。当就地机柜因为电源、网络通讯故障等原因网络中断时，就地I/O柜无DPU控制器，无法执行相应的逻辑保护动作，对设备安全稳定运行带来不利影响，因此网络通讯可靠性对该现场设备安全运行至关重要。系统网络如图1所示。
改造为DCS系统后，根据机柜物理点数量及机柜实际安装位置，考虑机柜间距离等现场条件，在输煤电子间设置一对DPU，就地设置五对DPU，将整个系统划分成多个DPU控制器，分散了控制风险。将DPU控制器前置，设置多个DPU远程控制站。即使通讯中断，就地远程控制的DPU控制器仍然进行数据的采集和逻辑运算，使煤设备最基本的保护可以及时、准确地进行联锁动作，避免了通讯中断导致的设备保护拒动问题。采用128/129网段冗余“点对点”通讯方式，每个远程控制站与输煤控制室之间直接通讯，解决网络“瓶颈”问题，控制故障影响范围；网络设备采用冗余电源设计，实现了网络设备冗余、通讯介质冗余、电源冗余，整体提高了系统网络的容错能力，从而提高了网络通讯的安全性及可靠性。系统网络如图2所示。
机柜及控制站对应关系如表1所示。
3 远程机柜系统接地异常
输煤系统10A/10B机柜与输煤控制室0米处，机柜接地接入电缆夹层电气地网扁铁上。
剩余机柜作为远程控制柜，通常采用就近接地的方式。然而在系统调试的过程中发现，11A控制柜个别DI信号发生频繁翻转，就地对异常通道进行查看，发现11A控制柜通道未开始进行接线，不应该存在DI信号翻转问题。对问题现象进行分析发现，该面控制柜位于输煤栈桥的45米平台的电子设备间，机柜的工作地和保护地采用就近接地方式，直接与电子设备间的电气扁铁连接，而电气地网与建筑物结构钢梁连接，建筑物各层之间通过结构钢梁连接，理论上是等电位。但是对于大型电动机等高压设备运行时，有可能将其附近的电位提升，影响DCS机柜的接地点电位，从而使DCS系统的参考零点电位出现波动，当参考零点电位波动大于DI通道的门槛电压时，即使是通道未接线的状态，逻辑采集结果为“TRUE”。为解决该问题，直接将非0米的远程柜的机柜接地（工作地、保护地）都直接引接地线到建筑物0米的电气地网上，并且该接地点附近15米范围没有大电流传入的可能（远离高压电机、高压配电柜、防雷引下线、避雷针等设备接地点）。
4 DI信号检测方案的确定
该项目改造方式为替换原PLC机柜，保留PLC系统至就地设备电缆，原PLC系统DI信号采用有源单线220VAC信号，PLC系统I/O卡件端检测信号线是否有220VAC电压，作为信号为“true”或“false”的检测标志。
方案一：火电行业DCS系统对于DI信号检测通常使用48V/24VDC查询电源，由DCS侧提供查询电源，另一端就地设备端为“无源干节点”的方式。参考电气系统DI公共端的应用经验（多组DI信号使用一根公共线），将就地有源信号变成无源信号，由DCS提供48VDC查询电源。
方案二：继续使用有源单线220VAC作为DI输入，如果采用火电行业常规DI模块（即无源输入），就需要在机柜内增加继电器实现电气隔离，就地220VAC驱动继电器线圈，使用继电器的辅助触点控制DI模块通道，并同时需要考虑继电器在机柜的安装空间问题，另外，增加中间继电器也意味着增加了故障点。
方案三：继续使用有源单线220VAC作为DI输入，需要选用可以接收220VAC有源单线DI信号的卡件，可以避免增加中间继电器带来的增加故障点及安装空间问题。经现场勘察发现该项目输煤系统信号电缆采用的是非屏蔽电缆，现场电缆感应电比较严重；另外，原系统运行多年，电缆可能存在老化问题，电缆绝缘材料老化漏电而影响到其他传输信号，易产生信号干扰问题，因此要求改造后的DCS系统抗干扰能力更高。通过比较不难发现，DI信号使用220VAC查询电源方案优于48VDC查询电源方案，通过提高传输信号的电压等级，可以有效地提高信号传输的可靠性；因此可以选用和利时公司自主开发的K系列硬件产品K-DIR03模块，该模块为16通道交直流高电压数字量输入端子板。
关于K-DIR03模块，该模块前八个通道共用一个N，后八个通道共用一个N（N为220VAC/DC的参考零位），两组通道（通道1~8、9~16）相互独立，每组通道可以单独设置有源单线、有源双线、交流或者直流80 Technology技术纵横回路，设置方式根据硬件说明通过修改K-DIR03内部跳线，以满足项目不同的配置要求。K-DIR03模块每组内通道间共用一个N，因此使用时需保证同一模块的每组8通道所连接的电源具有相同电位的参考零位N。如果使用DCS侧提供220VAC作为查询电源，因为电源来源唯一，所以N不存在电位差的问题。带来的问题是：就地设备信号反馈回路一旦发生接地或短路，整个机柜的查询电源失电，这对于系统安全运行而言，是个较大的安全隐患。如果使用就地设备电源提供查询电源，电源回路一旦发生接地或短路故障，单个设备空开断开，不会影响其他设备正常运行，实现故障隔离的效果；与此同时可以直接锁定故障设备范围，便于故障排查处理工作。那么，需要确定分散各处的就地设备所提供的查询电源，是否具有相同电位的零线N。
对于火电发电厂区域内电气专业设计有电气地网，将区域内的建筑物地网连接在一起，建筑物内10kV/6kV变压器根据电力相关的规范要求，均采用中性点N接地方式，即采用TN-S系统，所以可以认为一个电气地网区域内的变压器中性点都使用的是一个“地”。380/220VAC供电采用三相四线制，使用任意“相线”与N线组合提供220VAC电源。所以得到以下结论：只要使用一个电气地网的三相四线制的供电，N线就是等电位。结合本项目为输煤系统改造，虽然输煤系统设备比较分散，具有八个远程控制柜，但是就地设备的电源都取自输煤变A/B段下的动力段电源，所以就地设备所提供的220VAC的N均是等电位的。因此在K-DIR03模块应用设计中，对于DI点分配通道整理时，无需考虑是否属于同一设备供电回路，并且完全可以将柜内多个K-DIR03的N连接在一起。最终确定对于DI信号为有源220VAC单线进线方式，硬件配置方案为：K-DI01（DI模块）+K-DOT01（模块底座）+K-DIR03（接线端子板）。对于DI信号为无源干接点信号采用常规的配置：K-DI01（DI模块）+K-DIT11（模块底座）48VDC方案。
5 改造效果
总体实施按照先对“甲侧”皮带进行改造，升级过程中“乙侧”皮带保持正常可投用状态，待“甲侧”皮带“逆煤流”程控启动，“顺煤流”程控停止，皮带间的联锁调试完成后，再对“乙侧”皮带进行改造的计划安排，最后进行输煤皮带路径选择联调控制功能，实现输煤系统全自动上煤，皮带间的联锁及保护功能动作准确。此外，应用和利时公司自动配煤方案，通过本次改造，该现场实现了对煤仓的自动配煤功能，从而大大降低了运行操作人员的操作强度。
本项目使用的是和利时公司HollySys MACSV6系统，硬件为K系列产品，和利时控制系统目前已经发展到第5代产品，作为国产控制系统，组态软件界面及说明均为中文，人机交互友好，系统操作人员及维护人员经过短时间的培训即可上岗。本次控制系统改造，提高了输煤系统控制安全性及可靠性，极大地降低了运行人员工作强度，降低了系统维护难度，同时提高了维护人员系统维护水平。
6 总结
（1）本项目将PLC改造为DCS系统，提高了系统网络的可靠性，实现“点对点”的冗余传输；提高了系统的兼容性，将零散系统通过通讯的方式接入DCS系统，统一在DCS系统界面进行监控；提高了系统的延展性，后续将该项目的氨区、热网等系统进行集中控制成为可能。
（2）对于PLC系统改造为DCS系统时，需要确定信号类型及动作回路，对于非常规使用的信号类型进行逐项进行落实，制定改造方案。
（3）重视对改造系统环境的勘察，关注系统电源供电、系统接地、信号电缆等因素的影响。
（4）重视用户的需求及反馈的问题，如：原系统常见的问题及故障等，针对具体问题，制定解决方案。
作者简介：
吴松涛（1983-），男，吉林敦化人，工程师，学士，现就职于杭州和利时自动化有限公司，主要从事火电厂热控自动化系统方面的设计、调试和应用研究。
参考文献：
[1] 杭州和利时自动化有限公司.HOLLiAS MACS K系列硬件使用手册[Z].
[2] 杭州和利时自动化有限公司,HOLLiAS MACS V6.5.软件使用手册–软件在线帮助[Z].2016.
[3] 王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社,2010.
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