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产品描述
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随着国家“节能减排”政策的出台，电力企业作为节能降耗的重要单位，采取了各种技术对设备进行改造和更新，以起到降低能源消耗、提高发电效率的目的，我厂也在充分调研、并参考兄弟厂家成功经验的基础上，对发电辅助设备进行了改造。在这些改造项目中，对锅炉吸风机电动机加装变频器是一个重要项目，因高压变频器投资较大，并且在方案的具体实施上涉及到电气和热控等专业，在技术上有一定的复杂性和风险性。
吸风机变频器采用罗宾康**无谐波变频器，安装在单独建造的房子里，并需要保持环境的清洁，变频器与开关之间采用电缆联系，变频器的安装由电气专业负责。
吸风机变频器从热控专业的角度来说，对变频器的控制需要满足以下要求：
1、 能够满足运行人员在DCS画面上对变频器实现远方启动、停运操作。
2、 能够对变频器的模拟量输出实现远方精确调节，改变吸风机的出力，达到调整炉膛负压的功能，正常运行过程中，可利用DCS来实现对炉膛负压的自动调节。
3、 变频器的运行参数，如电流、电压、功率等可由现场的变频器传输到DCS画面上，以便于运行人员进行监视。
4、 在单台变频器出现故障的情况下，可利用DCS中RUNBACK 的功能，来保证机组的继续稳定运行。
5、 吸风机变频器进行改造后，原来DCS中的各项功能，如与其他设备之间的SCS连锁关系，在进行逻辑修改的基础上能继续保留。
6、 在两台变频器同时故障的情况下，应使FSSS保护动作，使机组能可靠停运，从而保护设备的安全。
在项目的实施过程中，我们首先着手对我厂一期两台135MW机组上所应用的吸风机进行了加装变频器的改造，并拆除了原系统中的吸风机的勺管执行机构。在变频器现场安装结束后，热控专业进行了现场I/O测点的核对，将相关的测点放置在原来的风烟系统中间，不重新增加I/O硬件设备，在DCS机柜和变频器之间增放了控制电缆，并根据运行人员的要求，修改了DCS画面。
我们把工作的重点放在SCS和MCS逻辑的修改上，在项目实施过程中，我们专门组织了各个相关专业，对DCS的逻辑修改方案进行了讨论。在变频器的电气一次回路接线中间，保留了原来的电动机开关，新增加了变频器的控制开关，并对应于变频和工频方式两种接线方式，增加了三把闸，如何将这些新增加的设备以比较简化的方式去贯穿到组态逻辑修改中间，是控制策略修改的一个难点。
首先，对于各风烟系统相关设备，如电动机、风门挡板执行器、给粉变频器等设备，原来与吸风机电机之间的连锁关系都因为变频器的改造而改变了，同时，原来吸风机电机开关状态所参与的FSSS保护和RUNBACK等连锁关系也需要进行修改。针对以上情况，采用了“吸风机运行综号”和“吸风机停止综号”的概念，原理是将吸风机电动机开关、变频器开关、工频和变频闸这些设备以一定的逻辑关系推导出“运行综号”和“停止综号”两个概念，并以此两个综号去取代原来电机开关所参与的SCS逻辑，依照以上的方案，我们对逻辑进行了详细的修改后将组态策略下载到控制器中。
经过对设备的静态连锁试验，验了所修改逻辑的正确性后，我们会同电气和锅炉等专业一起对吸风机变频器进行了动态试验，启动变频器，并适当增加模拟量输出，变频器的转速跟踪良好、调节精度高、响应速度，试验明：利用变频器来实现炉膛负压的调节，从理论上来讲，调节品质应该优于原来利用液力偶合器勺管来调节电机转速的方式。
在经过动态试验后，我们对MCS逻辑进行了修改，将原来针对勺管的输入修改为针对变频器的输出，考虑到变频器的快速响应特性，在DCS画面中对变频器的手动操作面板进行了修改，将原来全行程为百分比的面板修改为0～750rpm的转速调节面板，并在画面上通过DCS软件来限制运行人员单次操作的幅度，以防止出现大幅度增减出力的情况。在变频器投入自动调节回路的时候，采用同一个PID调节回路输出，经过两个单独的软伺放模块，然后输出到变频器中间去，正常情况下针对两台变频器的模拟量输出是相等的，特殊情况下在操作面板上也允许运行人员通过设置偏置量的方式来手动改变两台变频器的输出。
画面修改工作和MCS逻辑修改工作结束后，我们再次启动两台吸风机变频器和两台送风机，开启相应的风门档板，在锅炉冷态的情况下对变频器自动调节回路进行调试。首先投入变频器PID自动调节回路，设置自动调节值为-100Pa,然后通过调节送风机的出口挡板，观察吸风机变频器的响应情况，经过多次的扰动，自动调节系统工作良好，在各种状态下均能满足炉膛负压在定值范围波动不**过±40 Pa之间的要求，我们还适当修改了PID调节系统的参数，试验证明系统能够满足运行的需要。
变频器改造工作结束后，机组正式启动，在锅炉点火初期，启动风机以后，运行人员即投入吸风机变频器自动调节回路，在接下来的升温升压、汽机冲转、发电机并网带负荷的过程中，自动调节回路一直良好地工作，调节系统实现了设计的功能。经过多次的机组启动、停止的动态考验，吸风机变频器的自动调节回路都能满足运行人员的需要，能够实现全过程投入自动。
在对135MW机组实施变频器改造取得成功的基础上，我们着手进行了针对我厂三期两台330MW机组变频器改造的工作，在项目的实施过程中，电气专业的工作与135MW机组相类似，无特殊困难，对于控制系统来说，SCS逻辑的修改也可参考135MW机组的修改方案。但在针对MCS逻辑的修改过程中，我们遇到了这样的问题：135MW机组变频器取代了原来的勺管，来实现对吸风机转速的控制，而在对330MW机组炉膛负压自动调节回路的修改上，因为吸风机静叶调节挡板仍然保留，所以是否保留原来的静叶调节回路，需要进行斟酌。
经过我们几个专业的讨论，认为：变频器运行方式下，可以参考135MW机组的调节回路，但如果在机组运行过程中变频器发生了故障的情况下、或变频器因为检修，而处于工频运行方式，此时仍然需要调节吸风机的静叶开度，来实现对炉膛负压的调节，所以原来的静叶调节回路不能取消。所以在MCS逻辑方案的设计上，新增加了一套独立的、针对变频器的PID调节回路，在机组正常运行过程中，投入变频器自动调节，来调整炉膛负压，此时静叶调节回路投入跟踪，由运行人员将静叶开足；在变频器在工频方式下、或变频器的输出稳定不变时，投入静叶自动调节回路，这两套系统相对独立，在逻辑上实现相互闭锁，即在一套自动调节回路投入自动的情况下，闭锁另外一套系统的自动投入，以防止出现调节异常。正常运行过程中，当单台引风机变频器跳闸时，应自动关闭相应的引风机的静叶，此时自动调节系统应能响应，保证炉膛负压的正常。
按照以上原则对MCS逻辑进行修改后，我们进行了动态试验，参考135MW机组的方法，在锅炉冷态时启动两台吸风机变频器和两台送风机，并投入变频器自动调节回路，通过开关送风机动叶开度等方法，验证变频器PID调节回路的性能，并调试PID参数，试验结果表明自动调节回路能够满足要求，此时静叶自动调节回路处于跟踪状态。随后我们将吸风机变频器停运后切换到工频方式，并投入静叶调节回路，此时变频器调节回路处于跟踪状态。
以上工作完成后，在机组正式启动后，变频器投入运行的情况下，在各种工况下，自动调节回路均能满足要求，实现了所设计的功能。在机组运行过程中出现的几次单台变频器故障的情况下，自动调节系统都快速的进行调节，增加了另一台变频器的输出，同时由于RB的正确动作，没有引起机组的停运，保证了机组的安全运行。
从热控专业的角度上讲，对变频器控制策略的修改涉及到许多方面，一定要在充分考虑各种运行方式的前提下，对控制策略进行适当修改，才能可靠的实现对设备的控制。
经过对我厂六台机组的吸风机变频器改造并取得成功以后，我们认识到：利用先进的技术，对发电厂的辅助设备进行改造，不仅提高了机组运行的经济性，而且提高了设备的自动化程度，减少了运行人员的操作。而对于在技术改造中出现的一些新问题，只要通过详细的分析、研究，在保证设备安全的前提下进行必要的试验，是能够进行解决的，当然在项目的调研、实施的过程中，需要注意各专业的协同性和相互联系，才能够更好的把实现所设计的功能。
工业以太网拓扑结构图
如果不考虑无线网络系统，目前工业以太网的拓扑结构主要还是星型和环型，基于方面的考虑，冗余双星型和冗余双环型是主流网络拓扑，而环型似乎更受到自动化用户的青睐。
1.3工业以太网的拓扑冗余
在一般商业应用上，以太网的冗余技术并不显得非常重要。以往的集线器 (Hub)，交换机 (Switch) 被很多人使用去连接各种基于以太网的设备（如PC）。集线器接收到来自某一端口的消息，再将消息广播到其它所有的端口。对来自任一端口的每一条消息，集线器都会把它传递到其它的各个端口。而交换机能实现消息从一个端口到另一个端口的路由功能，其可以自动探测每台网络设备的网络速度。借助一种称为“表”的功能，交换机还能识别和记忆网络中的设备。这种智能避免了消息冲突，提高了传输性能，相对集线器是一次巨大的改进。但集线器和交换机这样的设备在顾及了使用的简单性和价格优势之后，也随之失去了实现诸如冗余功能这样的高级要求的可能。
随后发展出的管理型交换机 (Managed Switch)相对于集线器和普通交换机，拥有了更多更复杂的功能，其通常可以通过基于网络的接口实现完全配置。它可以自动与网络设备交互，用户也可以手动配置每个端口的网速和流量控制。
绝大多数管理型交换机还提供一些高级功能，如用于远程监视和配置的SNMP(简单网络管理协议)，用于诊断的端口映射，用于网络设备成组的VLAN(虚拟局域网)，用于确保**级消息通过的**级排列功能等。
这些新型功能的加入，使得利用管理型交换机，可以组建冗余网络。使用环形拓扑结构，管理型交换机可以组成环形网络。每台管理型交换机能自动判断较优传输路径和备用路径，当**路径中断时自动阻断(block)备用路径。
而随着工业网络对于冗余功能的要求变得**，出现了专门在冗余方面做出功能扩展的管理型冗余交换机。此类交换机提供了一些特殊的功能，特别是针对有稳定性、安全性方面严格要求的冗余系统进行了设计上的优化。
通常构建冗余网络的方式主要有两种,一种是遗传了传统以太网的冗余自愈方式,如STP、RSTP；TRUNKING；
另一种是专门针对工业自动化实时可靠性而从传统以太网变异出的 厂家私有环路冗余协议。
1、STP及RSTP
STP(Spanning Tree Protocol)，是作为一个链路层协议(IEEE 802.1D)存在的，提供路径冗余和阻止网络循环发生。它做法是强令备用数据路径为阻塞(blocked)状态。如果一条路径有故障，该拓扑结构能借助备用路径重新配置及链路重构。网络中断恢复时间为30-60s之间。RSTP(快速生成树算法，IEEE 802.1w)作为STP的升级，将网络中断恢复时间，缩短到1-2s。STP网络结构灵活，但存在恢复速度慢的缺点。在很多的工业环境中并不适用。
同样主干冗余Trunking技术也是普通以太网都具备的一项技术，这种方式是将不同交换机的多个端口设置为Trunking主干端口，并建立连接，这样在交换机之间可以形成一个高速的骨干链接。不但成倍的提高了骨干链接的网络带宽，增强了网络吞吐量，而且还还提供了另外一个功能，即冗余功能。当网络中的骨干链接产生断线等问题，那么网络中的数据会通过剩下的链接进行传递，保网络的通讯正常。Trunking主干网络可以采用总线型和星型网络结构，理论通讯距离可以无限延长。该技术由于采用了硬件侦测及数据平衡的方法，所以使网络中断恢复时间达到了新的高度，一般恢复时间可以达到10ms以下。如下图：
但实际应用中,链路A和链路B几乎都在各自同一个管道内, A、B内的链路即使是双冗余,但管道一旦遭到破坏,则链路与备份链路均被损坏,达不到用于保护的作用。
而交换机2和交换机3又不能连通，否则即形成闭环，如果不打开STP会产生广播风暴导致运行瘫痪,打开STP就如上所述，又满足不了工业环境的实时性的要求。
因此,TRUNKING技术由于其本身并不是为工业网络环境而研发的，这种技术在工业环境下实际意义不大,在工业环境中应用是一种 “冗余”技术 。
正是由于传统的以太网本身提供的冗余自愈技术不能满足工业环境的需求，才自然迫使工业以太网产生变异进化出了自身的冗余自愈技术。
2、私有环路冗余协议
在STP之后，为了能满足工业控制网络实时性强的特点，开始采用环路连接网络的方式实现冗余快速恢复。采用这种技术可以使网络在中断后300ms之内自行恢复。并可以通过交换机的出错继电连接、状态显示灯和SNMP设置等方法来提醒用户出现的断网现象。这些都可以帮助诊断环网什么地方出现断开。
但不同的工业以太网厂家，研发出了不同且不兼容的环路冗余协议：
HIRSCHMANN HIPER RING
MOXA TURBO RING
TSC SUPREME RING
科动 RAPID RING
环路冗余大体可以采用三种方法：
1． 单机单环冗余。
2． 双机单环冗余。
3． 双机双环冗余。
双环的主要优势在于可以通过双通道连接，从而避**个线缆出错带来的问题。双机同样也可以避**个设备出错带来的问题。
如果不考虑无线网络系统，目前工业以太网的拓扑结构主要还是星型和环型，基于方面的考虑，冗余双星型和冗余双环型是主流网络拓扑，而环型似乎更受到自动化用户的青睐。
二、环形拓扑工业以太网的瑕疵
2.1工业以太网中环形拓扑的瑕疵
以太环网并不意味着完全的冗余，它只是拓扑结构中的一种。由于目前工业以太网的布线系统实际处于布线的初级阶段。应用于工业领域的布线系统及设备还大量的采用“缆+头”的连接模式，因此会在目前到将来很长一段时间存在连接故障。同时，工业控制设备及工业以太网设备本身也会存在故障问题，因此工业网络会有很多故障点。环型拓扑提供了某种程度的冗余，但还是有很多单一故障点让一个或多个器件不能通信。实际往往有几个小型交换机连接在环网上。通过单线连接交换机的几个端口，那些入网设备形成了一个标准树形拓扑。如果交换机与设备间的线缆发生故障，设备通讯就因一个点的错误而中断。如果一个交换机中断了其上所有设备的连接，这个交换机也就失效了。这在过程控制中是不可接受的。
如下面几种情况图：
所以目前流行的环型拓扑设计是由瑕疵的，它对于工厂或建筑自动化是可行的，但还不能满足有着更高要求的过程控制等领域;如石化、等。
2.2 解决瑕疵的办法
如果环型拓扑不是冗余的，那么什么才是完全冗余的？笔者以为它应是包括设备、网络、端口的全部冗余。
正如上图所示，A类PLC设备配置为单网卡，B类PLC设备配置为双网卡，对于两种不同的终端设备A类和B类如何实现各自的冗余呢？双网卡的B类PLC设备按照工业冗余方案可以采用两个网卡分别接到两个环网上，从而实现链路冗余；而单网卡设备呢？笔者提出以下解决方案，单网卡的A类PLC设备通过一台冗余保护器接到两个环网上，所谓冗余保护器是专门为工业冗余网络设计的一款工业级以太网产品，它可以形象的比喻为一个岔路口，分出的两条路都可以到达目的地，我们把他们称为主路和辅路，汽车在这里可以根据情况选择前方两条路径，平常状况下走主路但当主路出状况时改走辅路，从而保证了道路的连通行。
总之，以太网技术已经发展到了工业自动化领域，又为了适应这一环境开始进化出了工业以太网技术这一分支。实时性和冗余自愈会是这一分支进化演变的重要方向。在这方面目前的工业以太网技术比传统的工业以太网技术已有长足的进步，但是要在实时性和冗余自愈在做到尽善尽美，还有一段路要走。而这段路的长短，取决于工业以太网厂家和自动控制厂家两方面的努力的程度。
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