خلاصه

برای رسیدگی به مشکلاتی که در حال حاضر سیستم‌های کنترل توربین گازی در واحدهای نیروگاهی سیکل ترکیبی را درگیر کرده است - به طور خاص، پیکربندی‌های غیربهینه تجهیزات، نرخ بالای خرابی و کمبود قطعات یدکی - ارتقاء و مقاوم‌سازی سیستم کنترل Mark VIe توربین گازی انجام شد. همزمان، سیستم کنترل کمپرسور زغال سنگ تعویض و ارتقا یافت و در نتیجه امکان کنترل یکپارچه توربین گازی و کمپرسور زغال سنگ از طریق سیستم Mark VIe. پس از این ارتقا، سیستم کنترل واحد اکنون دارای یک طراحی سخت‌افزار-نرم‌افزار یکپارچه است که ایمنی و قابلیت اطمینان آن را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد.

در یک نیروگاه سیکل ترکیبی خاص، سیستم کنترل توربین گاز از سیستم Mark VIe ساخت شرکت GE استفاده می‌کند، در حالی که کمپرسور گاز مرتبط از سیستم کنترل GE Fanuc بهره می‌برد. هر دو سیستم کنترل سال‌هاست که در حال کار هستند و مجموعه‌ای از خرابی‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری را تجربه کرده‌اند که در نتیجه عملکرد عادی واحد تولید را مختل کرده است. این مقاله با تکیه بر پروژه ارتقاء و مقاوم‌سازی سیستم کنترل در این نیروگاه سیکل ترکیبی به عنوان یک مطالعه موردی، طرح بهینه‌سازی و اصلاح اجرا شده برای سیستم کنترل Mark VIe در این تأسیسات و همچنین کاربرد عملی آن در سیستم را شرح می‌دهد.

تحلیل وضعیت فعلی

سیستم کنترل اصلی GE Mark VIe برای توربین گازی درون این واحد تولید سیکل ترکیبی، اولین نسل از چنین سیستم‌هایی را نشان می‌دهد. این سیستم شامل سه جزء اصلی است: کنترلر، شبکه ورودی/خروجی و ماژول‌های ورودی/خروجی. این کنترلر از طراحی افزونگی ماژولار سه‌گانه (TMR) استفاده می‌کند که یک معماری افزونگی متشکل از سه کنترلر مجزا را تشکیل می‌دهد: R، S و T. ایستگاه کاری HMI مرتبط با آن بر روی سیستم عامل ویندوز XP اجرا می‌شود و به نرم‌افزارهای CIMPLICITY 6.1 و toolboxST 6.0 مجهز است.

از زمان راه‌اندازی آن بیش از یک دهه پیش، این سیستم با فرسودگی قابل توجهی در قطعات الکتریکی درون کارت‌های مدار مختلف خود مواجه شده است. این زوال منجر به پایداری عملیاتی ضعیف و نرخ بالای خرابی شده است و در نتیجه عملکرد ایمن واحد تولید را به خطر می‌اندازد. تجزیه و تحلیل جامع و خلاصه‌ای از مسائل نشان می‌دهد که مشکلات عمدتاً در زمینه‌های زیر بروز می‌کنند:

(1) کنترل‌کننده‌های UCSA که توسط سیستم‌های کنترل هر دو توربین گازی استفاده می‌شوند، کنترل‌کننده‌های نسل اول سری Mark VIe هستند. این کنترل‌کننده‌ها به کارت‌های CompactFlash (CF) خارجی متکی هستند که پایداری ضعیفی از خود نشان می‌دهند؛ در نتیجه، این واحد با ناهنجاری‌های عملیاتی متعددی - از جمله خاموشی‌های اضطراری - ناشی از خرابی کارت‌های CF مواجه شده است.

(2) کارت‌های مدار اصلی Mark VIe که در سیستم نصب شده‌اند، از نوع نسخه H1A هستند که از آن زمان توسط سازنده متوقف شده است. این امر تهیه قطعات یدکی را بسیار دشوار می‌کند و مانع از برآورده شدن الزامات تضمین تولید می‌شود. علاوه بر این، ایستگاه‌های کاری HMI به طور مداوم تحت شرایط بار سنگین برای مدت زمانی بیش از عمر مفید مورد نظر خود کار کرده‌اند. این امر منجر به افزایش نرخ خرابی سخت‌افزار و زمان پاسخ عملیاتی کند شده است که خطر بالقوه جدی برای عملکرد پایدار واحد تولید ایجاد می‌کند.

(3) پنل‌های کنترل اصلی و کمکی توربین‌های گازی توسط یک منبع تغذیه تک کاناله 125 ولت DC تغذیه می‌شوند. ماژول‌های تبدیل داخلی 125 ولت DC به 28 ولت DC در داخل کابینت‌ها قدیمی شده‌اند و نرخ خرابی افزایش یافته‌ای را نشان می‌دهند، در حالی که طرح اصلی فاقد منبع تغذیه پشتیبان است. علاوه بر این، نرخ خرابی ماژول‌های مختلف نظارت و توزیع برق در سال‌های اخیر افزایش یافته است. خرابی ماژول‌های برق جداگانه، در موارد متعدد، منجر به از دست رفتن کامل برق کابینت‌های کنترل و متعاقباً حوادث قطع واحد شده است.

(4) سیستم‌های کنترل توربین‌های گازی و کمپرسورهای زغال‌سنگ در ابتدا از پلتفرم‌های متفاوتی استفاده می‌کردند - سیستم GE Mark VIe برای توربین‌های گازی و سیستم GE Fanuc برای کمپرسورها. هر سیستم به دو ایستگاه کاری کنترل اختصاصی مجهز بود که منجر به ارتباطات پیچیده بین سیستمی و پلتفرم‌های سخت‌افزاری/نرم‌افزاری ناسازگار می‌شد. این پیکربندی منجر به هزینه‌های بالای عملیاتی و نگهداری شده و فشار قابل توجهی را بر پرسنل عملیاتی/نگهداری و کارکنان فنی متخصص وارد می‌کند، ضمن اینکه مانع اجرای نظارت و کنترل متمرکز برای واحد تولیدی نیز می‌شود. همزمان، معماری شبکه سیستم از ناهماهنگی‌های ارتباطی رنج می‌برد و مسائلی مانند خرابی سوئیچ I/O NET باعث خاموشی‌های غیرعادی واحد می‌شود.

برای اطمینان بیشتر از قابلیت اطمینان و ایمنی عملیات تولید، انجام بهینه‌سازی و ارتقاء جامع سیستم کنترل واحد تولیدی ضروری است.

فرآیند نوسازی
۲.۱ ارتقاء سخت‌افزار و نرم‌افزار سیستم کنترل

مدل اصلی GE Mark VIe این دستگاه کنترل‌کننده UCSA به نسل سوم ارتقا یافت کنترل‌کننده UCSC این کنترلر در مقایسه با دو مدل قبلی خود، بهبود کیفی در قدرت پردازش را نشان می‌دهد و سرعت کلاک ۱۲۶۶ مگاهرتز را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، UCSC از حافظه داخلی استفاده می‌کند و در نتیجه مشکلات مرتبط با کارت‌های CF خارجی - به ویژه تماس ضعیف و نرخ انتقال داده ناکافی - را از بین می‌برد. برای اطمینان از سازگاری با کنترلر UCSC، رابط انسان و ماشین (HMI) به طور همزمان ارتقا یافت. ایستگاه HMI ارتقا یافته اکنون بر روی سیستم عامل پیشرفته ویندوز ۱۰ اجرا می‌شود و با آخرین نسخه (v11) CIMPLICITY پیکربندی شده است. رابط جدید ایستگاه اپراتور زمان پاسخ سریع‌تری را ارائه می‌دهد و شامل ویژگی‌های اضافی است که برای افزایش بهره‌وری عملیاتی طراحی شده‌اند. نرم‌افزار پیکربندی Toolbox ST نیز به نسخه ۷.۰ یا بالاتر ارتقا یافت. علاوه بر این، نرم‌افزار تعبیه شده در هر دو کنترلر و ماژول‌های ورودی/خروجی به طور همزمان به آخرین نسخه‌ها به‌روزرسانی شد. با بهره‌گیری از پیشرفته‌ترین فناوری‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری موجود، این ارتقاء جامع، سازگاری کامل با نسخه نرم‌افزار HMI را تضمین می‌کند و در عین حال پایداری و قابلیت اطمینان کلی سیستم را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهد. جزئیات پیکربندی ایستگاه اپراتور در جدول ۱ ارائه شده است.

جدول ۱: اطلاعات پیکربندی ایستگاه اپراتور

۲.۲ بهینه‌سازی توزیع توان سیستم کنترل
برای رفع مشکلات منبع تغذیه در سیستم کنترل اصلی، اصلاحات زیر انجام شده است: تابلوهای توزیع برق در پنل کنترل توربین (TCP) و کابینت‌های کنترل تعادل نیروگاه (BOP) برای هر واحد به‌روزرسانی شده‌اند؛ ماژول‌های منبع تغذیه DC با جدیدترین مدل‌ها جایگزین شده‌اند؛ علاوه بر این، یک پیکربندی منبع تغذیه اضافی ایجاد شده و یک واحد تبدیل DACA اضافی نصب شده است. مدل‌های تابلوهای توزیع برق اصلی در جدول 2 فهرست شده‌اند؛ مدل‌های یکسان - یا نسخه‌های ارتقا یافته سازگار - به عنوان جایگزین‌های مستقیم در محل تهیه و نصب شدند. از تابلوهای عایق پلاستیکی اصلی استفاده شد و نصب با استفاده از روش نصب اصلی انجام شد.

شکل ۱: اضافه شدن ماژول تبدیل DACA

شکل ۲: نمودار سیم‌کشی سیستم منبع تغذیه

۲.۳ ایجاد یک پلتفرم کنترل یکپارچه برای کمپرسور زغال سنگ و توربین گاز

برای پشتیبانی از تنظیمات اخیر سیستم کنترل کمپرسور زغال سنگ این واحد، سیستم‌های کنترل PLC اصلی GE Fanuc - که قبلاً برای دو کمپرسور زغال سنگ استفاده می‌شدند - به طور کامل به سیستم کنترل Mark VIe با افزونه سه‌گانه ارتقا یافته‌اند. تمام کابینت‌های کنترل PLC موجود با کابینت‌های Mark VIe کاملاً جدید جایگزین و نصب مجدد شدند. مطابق با سیستم توربین گازی، کنترل‌کننده‌ها اکنون از جدیدترین کنترل‌کننده‌های UCSC استفاده می‌کنند و ماژول‌های ورودی/خروجی بر اساس نوع سیگنال (آنالوگ/دیجیتال) پیکربندی مجدد شده‌اند. برنامه‌های کنترل با استفاده از ToolboxST - نرم‌افزار پیکربندی اختصاصی برای Mark VIe - بازنویسی شدند تا منطق عملکردی اصلی، از جمله کنترل سرج، تکرار و پیاده‌سازی شود.

با استفاده از کانال‌های شبکه UDH مارک VIe، کنترل‌کننده‌های کمپرسور زغال‌سنگ و کنترل‌کننده‌های توربین گاز در یک دامنه کنترل واحد ادغام شده‌اند. افزونگی شبکه از طریق پروتکل EGD (Ethernet Global Data) حاصل می‌شود و در نتیجه ارتباط قابل اعتماد بین سیستم‌های کنترل کمپرسور زغال‌سنگ و توربین گاز تضمین می‌شود. همزمان، صفحات نمایش مانیتورینگ HMI برای کمپرسور زغال‌سنگ عمیقاً با سیستم کنترل توربین گاز ادغام شده و به صورت مرکزی در یک ایستگاه کاری واحد اپراتور مستقر شده‌اند. پرسنل عملیاتی اکنون می‌توانند به طور یکپارچه بین رابط‌های درون یک ایستگاه کاری واحد جابجا شوند تا طیف گسترده‌ای از عملیات - از جمله راه‌اندازی/خاموش کردن توربین گاز، تنظیم بار و تنظیم توان؛ تنظیمات کنترل ضد نوسان کمپرسور زغال‌سنگ و ردیابی منحنی عملکرد؛ و مداخلات هماهنگ در کل جریان فرآیند - را اجرا کنند. این امر امکان مقایسه پهلو به پهلو پارامترهای حیاتی را در یک صفحه واحد فراهم می‌کند و در نتیجه کارایی عملیاتی را افزایش داده و عملکرد ایمن و کارآمد واحد را تضمین می‌کند.

۲.۴ تقویت شبکه ارتباطی

معماری شبکه سه لایه سیستم کنترل Mark VIe - شامل PDH (بزرگراه داده‌های کارخانه)، UDH (بزرگراه داده‌های واحد) و شبکه ورودی/خروجی - طراحی اصلی چارچوب کنترل توزیع‌شده آن را تشکیل می‌دهد. هر لایه ضمن همکاری با یکدیگر، عملکرد متمایزی را ارائه می‌دهد تا کارایی و قابلیت اطمینان عملیات کنترل صنعتی را تضمین کند.

با بهره‌گیری از این ارتقاء سیستم کنترل، معماری شبکه برای هر دو سیستم کنترل توربین گازی و کمپرسور به طور همزمان بهینه شد تا مشکلات شبکه از پیش موجود برطرف شود. این بهینه‌سازی شامل ارتقاء سوئیچ‌های شبکه ورودی/خروجی (I/O Net) نیز می‌شد: سوئیچ‌های شبکه ورودی/خروجی N-tron که در ابتدا توسط این واحد استفاده می‌شدند، در شرایط اتلاف حرارت ضعیف مستعد خرابی بودند که متعاقباً منجر به ناهنجاری‌های عملیاتی در داخل واحد می‌شد. به عنوان بخشی از این ارتقاء، تمام سوئیچ‌های شبکه ورودی/خروجی با جدیدترین مدل‌ها جایگزین شدند تا پایداری شبکه سیستم افزایش یابد.

همزمان، قابلیت‌های ارتباطی OPC - همراه با سیستم‌های LCI، تحریک و DCS - از طریق پذیرش EGD افزایش یافت. با پیکربندی سرور OPC از طریق ToolboxST، داده‌های بلادرنگ از سیستم Mark VIe به پایگاه داده DCS نگاشت می‌شوند و در نتیجه تبادل یکپارچه داده‌ها بین سیستم Mark VIe و سیستم‌های کنترل DCS برای مولد بخار بازیابی حرارت (HRSG) و توربین بخار امکان‌پذیر می‌شود. منطق راه‌اندازی و خاموش کردن LCI از طریق OPC در برنامه کنترل ترتیبی Mark VIe نوشته شده و باعث فعال شدن خودکار سیستم تحریک می‌شود. سیگنال‌های بازخورد از سیستم تحریک نیز از طریق OPC به صورت بلادرنگ در DCS آپلود می‌شوند و کنترل هماهنگ را تسهیل می‌کنند.

دستگاه‌هایی مانند سیستم نظارت تشخیصی سری Bentley 3500 کمپرسور و پنل حفاظت ژنراتور، داده‌ها را از طریق لایه شبکه PDH با سایر سیستم‌ها تبادل می‌کنند. این دستگاه‌ها به پورت‌های ارتباطی متعددی مجهز هستند که از طریق کابل‌های اترنت به دو سوئیچ جداگانه متصل می‌شوند تا افزونگی دوگانه را در شبکه PDH ایجاد کنند. توپولوژی شبکه بهینه و بهبود یافته در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل ۳: نمودار توپولوژی شبکه

نتایج پس از ارتقا
نمودار شماتیک سیستم کنترل ارتقا یافته Mark VIe در شکل ۴ نشان داده شده است. ارتقاء جامع سخت‌افزار و نرم‌افزار، بهبودهای چندوجهی در عملیات تولید ایجاد کرده است. از نظر عملکرد سیستم، آخرین نسخه، پیشرفت‌هایی در سرعت پردازش داده‌ها و کارایی محاسباتی را نشان می‌دهد؛ این سیستم قادر است سریع‌تر به دستورات عملیاتی مختلف واحد پاسخ دهد و منطق کنترل پیچیده را به صورت بلادرنگ پردازش کند و در نتیجه پشتیبانی محاسباتی قوی برای عملکرد کارآمد واحد فراهم کند.

شکل ۴: نمودار سیستم کنترل Mark VIe

از نظر مقیاس‌پذیری عملکردی، نسخه جدید سیستم دارای تعداد بیشتری رابط کاربری رزرو شده و ماژول‌های عملکردی است که امکان ادغام یکپارچه با دستگاه‌های نظارتی، اجزای کنترلی و تجهیزات مشابه تازه اضافه شده را فراهم می‌کند. این قابلیت، نیازهای آینده برای ارتقاء واحد یا توسعه عملکردی را برآورده می‌کند و در نتیجه چرخه عمر کلی سیستم را افزایش می‌دهد.

در مورد پایداری و قابلیت اطمینان، کنترلر تحت طراحی بهینه‌ای قرار گرفته است تا قابلیت‌های ضد تداخل خود را افزایش دهد و عملکرد پایدارتری را در مواجهه با نوسانات ولتاژ، تداخل الکترومغناطیسی محیطی و شرایط مشابه تضمین کند. همزمان، آخرین نسخه سیستم، آسیب‌پذیری‌های بالقوه موجود در نسخه‌های قبلی را برطرف می‌کند و خطر خطاهای ناشی از نقص سیستم را کاهش می‌دهد و عملکرد مداوم و پایدار واحد را بیشتر تضمین می‌کند.

علاوه بر این، رابط عملیاتی سیستم جدید با عادات کاری پرسنل عملیات و نگهداری (O&M) هماهنگی بیشتری دارد. عملکرد جدید Alarm Pareto امکان فیلتر کردن دقیق اطلاعات بر اساس فرکانس هشدار را فراهم می‌کند و به طور قابل توجهی کارایی مدیریت هشدار را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، قابلیت‌های مدیریت هوشمند کنترلر UCSC، گردش‌های کاری عملیاتی را ساده کرده، پیکربندی پارامترها، نظارت بر وضعیت و تشخیص خطا را برای پرسنل تسهیل می‌کند و در نتیجه کارایی کلی O&M را افزایش می‌دهد.

نتیجه‌گیری
با ارتقاء سیستم اصلی Mark VIe به آخرین نسخه - شامل کنترلرها، کارت‌های ورودی/خروجی، سیستم‌های منبع تغذیه، ایستگاه‌های اپراتور HMI و زیرساخت شبکه - سازگاری با جدیدترین کنترلرهای Mark VIe حاصل می‌شود. این ارتقاء به طور مؤثر مشکلات اساسی ذاتی سیستم کنترل قدیمی، مانند خرابی کارت‌های CF در کنترلرهای نوع UCSA، نرخ بالای قطع ارتباط، کمبود قطعات یدکی سازگار برای کارت‌های ورودی/خروجی و خطاهای موجود در منبع تغذیه ۱۲۵ ولت DC را برطرف می‌کند. همزمان، جایگزینی سخت‌افزار اصلی GE Fanuc مشکلات ارتباطی شبکه باقی‌مانده در سیستم قدیمی را برطرف می‌کند و سازگاری کلی سیستم را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، این انتقال به طور قابل توجهی موجودی قطعات یدکی مورد نیاز - به ویژه کنترلرها و کارت‌های ورودی/خروجی - را کاهش می‌دهد و در نتیجه پیچیدگی عملیاتی و همچنین هزینه‌های استفاده و نگهداری را کاهش می‌دهد. سخت‌افزار مورد استفاده در این سیستم کنترل جدید، جدیدترین پیکربندی بازار را نشان می‌دهد. این سیستم دارای قابلیت اطمینان بالا، قدرت پردازش محاسباتی قوی و قابلیت‌های برتر تشخیص خطا است که همگی به افزایش پایداری کنترل و کاهش حجم کار برای فعالیت‌های نگهداری و تعمیرات اساسی کمک می‌کنند. پس از یک دوره عملکرد پایدار، سیستم با موفقیت به اهداف مورد نظر خود دست یافته و عملکرد بلندمدت، روان و ایمن واحد تولید برق سیکل ترکیبی را تضمین کرده است.