ملخص

لمعالجة المشكلات التي تعاني منها أنظمة التحكم في التوربينات الغازية في وحدات الطاقة ذات الدورة المركبة - وتحديدًا، التكوينات غير المثلى للمعدات، وارتفاع معدلات الأعطال، ونقص قطع الغيار - تم إجراء ترقية وتحديث لنظام التحكم Mark VIe الخاص بالتوربينات الغازية. في الوقت نفسه، تم استبدال نظام التحكم في ضاغط الفحم وترقيته، مما أتاح التحكم الموحد في كل من التوربينات الغازية و يتم تشغيل ضاغط الفحم من خلال نظام Mark VIe. بعد هذا التحديث، يتميز نظام التحكم في الوحدة الآن بتصميم متكامل للأجهزة والبرامج، مما يعزز بشكل كبير من سلامتها وموثوقيتها.

في محطة توليد طاقة ذات دورة مركبة، يستخدم نظام التحكم في التوربينات الغازية نظام Mark VIe من إنتاج شركة جنرال إلكتريك، بينما يستخدم ضاغط الغاز المصاحب نظام تحكم Fanuc من إنتاج نفس الشركة. وقد عمل كلا النظامين لسنوات عديدة، وتعرضا لسلسلة من الأعطال في الأجهزة والبرامج، مما أدى إلى تعطيل التشغيل الطبيعي لوحدة التوليد. وبالاستناد إلى مشروع تحديث وتطوير نظام التحكم في هذه المحطة كدراسة حالة، تُبين هذه الورقة البحثية خطة التحسين والتعديل المُطبقة على نظام التحكم Mark VIe في المحطة، بالإضافة إلى تطبيقها العملي داخل النظام.

تحليل الوضع الراهن

يمثل نظام التحكم الأصلي GE Mark VIe لتوربين الغاز في وحدة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة هذه الجيل الأول من هذه الأنظمة. ويتألف من ثلاثة مكونات رئيسية: وحدة التحكم، وشبكة الإدخال/الإخراج، ووحدات الإدخال/الإخراج. تستخدم وحدة التحكم تصميمًا ثلاثيًا معياريًا للتكرار (TMR)، مما يشكل بنية احتياطية تتكون من ثلاث وحدات تحكم منفصلة: R وS وT. تعمل محطة عمل واجهة المستخدم الرسومية (HMI) المرتبطة بها بنظام التشغيل Windows XP، وهي مزودة ببرنامجي CIMPLICITY 6.1 وtoolboxST 6.0.

منذ بدء تشغيل النظام قبل أكثر من عقد من الزمان، شهد النظام تدهورًا ملحوظًا في المكونات الكهربائية داخل لوحات الدوائر المختلفة. وقد أدى هذا التدهور إلى ضعف استقرار التشغيل وارتفاع معدل الأعطال، مما يُهدد سلامة تشغيل وحدة التوليد. ويكشف تحليل شامل وملخص للمشاكل أن هذه المشاكل تظهر بشكل أساسي في المجالات التالية:

(1) وحدات التحكم UCSA المستخدمة في أنظمة التحكم لكلا التوربينين الغازيين هي من الجيل الأول ضمن سلسلة Mark VIe. تعتمد هذه الوحدات على بطاقات CompactFlash (CF) خارجية، والتي تتميز بضعف استقرارها؛ ونتيجة لذلك، تعرضت الوحدة للعديد من الأعطال التشغيلية - بما في ذلك حالات الإغلاق الطارئ - بسبب أعطال في بطاقات CF.

(2) لوحات الدوائر الأصلية من طراز Mark VIe المثبتة في النظام هي من إصدار H1A، الذي توقف المصنّع عن إنتاجه. هذا يجعل الحصول على قطع الغيار صعبًا للغاية، مما يعيق القدرة على تلبية متطلبات ضمان الإنتاج. علاوة على ذلك، تعمل محطات عمل واجهة المستخدم الرسومية (HMI) باستمرار تحت ظروف تحميل ثقيلة لفترة تتجاوز عمرها الافتراضي؛ مما أدى إلى زيادة معدل أعطال الأجهزة وبطء أوقات الاستجابة التشغيلية، الأمر الذي يشكل خطرًا جسيمًا محتملاً على استقرار تشغيل وحدة التوليد.

(3) تُغذّى لوحات التحكم الرئيسية والفرعية لتوربينات الغاز بمصدر طاقة أحادي القناة بجهد 125 فولت تيار مستمر. وقد تقادمت وحدات تحويل الجهد الداخلي من 125 فولت تيار مستمر إلى 28 فولت تيار مستمر داخل الخزائن، ما أدى إلى ارتفاع معدل أعطالها، في حين يفتقر التصميم الأصلي إلى مصدر طاقة احتياطي. إضافةً إلى ذلك، ارتفع معدل أعطال وحدات مراقبة وتوزيع الطاقة المختلفة في السنوات الأخيرة؛ وقد أدت أعطال وحدات الطاقة الفردية، في مناسبات عديدة، إلى انقطاع كامل للتيار الكهربائي عن خزائن التحكم، وما ترتب على ذلك من حوادث فصل للوحدات.

(4) كانت أنظمة التحكم في التوربينات الغازية وضواغط الفحم تستخدم في الأصل منصات متباينة، حيث كان نظام GE Mark VIe مخصصًا للتوربينات الغازية، بينما كان نظام GE Fanuc مخصصًا للضواغط. وقد زُوّد كل نظام بمحطتي تحكم مخصصتين، مما أدى إلى تعقيد الاتصالات بين النظامين وعدم اتساق منصات الأجهزة والبرامج. وقد تسبب هذا التكوين في ارتفاع تكاليف التشغيل والصيانة، مما فرض ضغوطًا كبيرة على كل من موظفي التشغيل والصيانة والفنيين المتخصصين، كما أعاق تطبيق نظام مراقبة وتحكم مركزي لوحدة التوليد. وفي الوقت نفسه، تعاني بنية شبكة النظام من عدم اتساق في الاتصالات، حيث تتسبب مشكلات مثل أعطال محولات شبكة الإدخال/الإخراج في إيقاف تشغيل غير طبيعي للوحدة.

لضمان موثوقية وسلامة عمليات الإنتاج بشكل أفضل، من الضروري إجراء تحسين شامل وتحديث لنظام التحكم في وحدة التوليد.

عملية التجديد
2.1 ترقية أجهزة وبرامج نظام التحكم

الوحدة الأصلية من طراز GE Mark VIe وحدة تحكم UCSA تمت ترقيته إلى الجيل الثالث مراقب جامعة كاليفورنيا في سانتا كروز يتميز هذا المتحكم بتحسين نوعي في قوة المعالجة مقارنةً بسابقيه، حيث تصل سرعة معالجه إلى 1266 ميجاهرتز. علاوة على ذلك، يستخدم متحكم UCSC ذاكرة داخلية، مما يزيل المشكلات المرتبطة ببطاقات الذاكرة الخارجية CF، وتحديدًا ضعف التوصيل وعدم كفاية معدلات نقل البيانات. ولضمان التوافق مع متحكم UCSC، تم تحديث واجهة المستخدم (HMI) بالتزامن معه. تعمل محطة HMI المُحدثة الآن بنظام التشغيل Windows 10 المتطور، وهي مُجهزة بأحدث إصدار (الإصدار 11) من برنامج CIMPLICITY؛ توفر واجهة محطة التشغيل الجديدة أوقات استجابة أسرع وتتضمن ميزات إضافية مصممة لتعزيز كفاءة التشغيل. كما تم تحديث برنامج Toolbox ST إلى الإصدار 7.0 أو أحدث. بالإضافة إلى ذلك، تم تحديث البرامج المُدمجة في كل من المتحكم ووحدات الإدخال/الإخراج إلى أحدث الإصدارات في الوقت نفسه. من خلال الاستفادة من أحدث تقنيات البرامج والأجهزة المتاحة حاليًا، يضمن هذا التحديث الشامل التوافق التام مع إصدار برنامج HMI، مع تعزيز استقرار النظام وموثوقيته بشكل كبير. يتم عرض تفاصيل تكوين محطة المشغل في الجدول 1.

الجدول 1: معلومات تكوين محطة المشغل

2.2 تحسين توزيع الطاقة في نظام التحكم
لمعالجة مشاكل إمداد الطاقة في نظام التحكم الأصلي، تم تطبيق التعديلات التالية: تحديث لوحات توزيع الطاقة في لوحة تحكم التوربينات (TCP) وخزائن التحكم في مكونات المحطة (BOP) لكل وحدة؛ استبدال وحدات إمداد الطاقة بالتيار المستمر بأحدث الطرازات؛ إضافةً إلى ذلك، تم إنشاء نظام إمداد طاقة احتياطي، وتركيب وحدة تحويل DACA إضافية. ترد طرازات لوحات توزيع الطاقة الأصلية في الجدول 2؛ تم شراء طرازات مطابقة - أو إصدارات مطورة متوافقة - وتركيبها كبدائل مباشرة في الموقع. تم استخدام ألواح العزل البلاستيكية الأصلية، وتم التركيب باستخدام طريقة التركيب الأصلية.

الشكل 1: إضافة وحدة تحويل DACA

الشكل 2: مخطط توصيل نظام إمداد الطاقة

2.3 إنشاء منصة تحكم متكاملة لضاغط الفحم والتوربين الغازي

لدعم التعديلات الأخيرة على نظام التحكم في ضاغط الفحم بالوحدة، جرى تحديث أنظمة التحكم GE Fanuc PLC الأصلية - المستخدمة سابقًا لضاغطَي الفحم - بشكل شامل إلى نظام التحكم Mark VIe ثلاثي التكرار. وتم استبدال جميع خزائن التحكم PLC الحالية بخزائن Mark VIe جديدة تمامًا وإعادة تركيبها. وتماشيًا مع نظام التوربينات الغازية، تستخدم وحدات التحكم الآن أحدث وحدات تحكم UCSC، وأُعيد تكوين وحدات الإدخال/الإخراج وفقًا لنوع الإشارة (تناظرية/رقمية). وأُعيدت كتابة برامج التحكم باستخدام ToolboxST - برنامج التكوين المخصص لنظام Mark VIe - لمحاكاة وتنفيذ المنطق الوظيفي الأصلي، بما في ذلك التحكم في زيادة الضغط.

باستخدام قنوات شبكة UDH الخاصة بوحدة Mark VIe، تم دمج وحدات التحكم في ضاغط الفحم ووحدات التحكم في التوربينات الغازية في نطاق تحكم واحد. ويتم تحقيق التكرار الشبكي عبر بروتوكول EGD (بيانات إيثرنت العالمية)، مما يضمن اتصالاً موثوقاً بين أنظمة التحكم في ضاغط الفحم والتوربينات الغازية. في الوقت نفسه، تم دمج شاشات مراقبة واجهة المستخدم الرسومية (HMI) الخاصة بضاغط الفحم بشكل كامل مع نظام التحكم في التوربينات الغازية، ونشرها مركزياً في محطة عمل واحدة للمشغل. يستطيع المشغلون الآن التبديل بسلاسة بين الواجهات داخل محطة العمل الواحدة لتنفيذ مجموعة شاملة من العمليات، بما في ذلك بدء تشغيل/إيقاف التوربينات الغازية، وتنظيم الحمل، وضبط الطاقة؛ وتعديلات التحكم في مقاومة ارتفاع ضغط ضاغط الفحم وتتبع منحنى الأداء؛ والتدخلات المنسقة عبر كامل مسار العملية. يتيح ذلك المقارنة المباشرة للمعايير الهامة على شاشة واحدة، مما يعزز كفاءة التشغيل ويضمن التشغيل الآمن والفعال للوحدة.

2.4 تعزيز شبكة الاتصالات

يشكل تصميم الشبكة ثلاثي الطبقات لنظام التحكم Mark VIe - والذي يتألف من PDH (طريق بيانات المصنع)، وUDH (طريق بيانات الوحدة)، وشبكة الإدخال/الإخراج - التصميم الأساسي لإطار التحكم الموزع الخاص به. وتؤدي كل طبقة وظيفة مميزة، بينما تعمل الطبقات الأخرى بتعاون لضمان كفاءة وموثوقية عمليات التحكم الصناعية.

بفضل هذا التحديث لنظام التحكم، جرى تحسين بنية الشبكة لكلٍ من نظامي التحكم في التوربين الغازي والضاغط في آنٍ واحد لحل مشكلات الشبكة القائمة. وشمل هذا التحسين ترقية مفاتيح شبكة الإدخال/الإخراج: إذ كانت مفاتيح N-tron المستخدمة في هذه الوحدة عرضةً للعطل في ظروف تبديد الحرارة الضعيفة، مما أدى لاحقًا إلى حدوث خلل في تشغيل الوحدة. وكجزء من هذا التحديث، استُبدلت جميع مفاتيح شبكة الإدخال/الإخراج بأحدث الطرازات لتعزيز استقرار شبكة النظام.

في الوقت نفسه، تم تعزيز إمكانيات اتصال OPC - بالتزامن مع أنظمة LCI والإثارة وDCS - من خلال اعتماد EGD. وبتكوين خادم OPC عبر ToolboxST، يتم ربط البيانات الآنية من نظام Mark VIe بقاعدة بيانات DCS، مما يتيح تبادلًا سلسًا للبيانات بين نظام Mark VIe وأنظمة التحكم DCS الخاصة بمولد البخار لاستعادة الحرارة (HRSG) والتوربين البخاري. وتُكتب منطق بدء التشغيل والإيقاف لنظام LCI في برنامج التحكم التسلسلي لنظام Mark VIe عبر OPC، مما يؤدي إلى التشغيل التلقائي لنظام الإثارة. كما يتم تحميل إشارات التغذية الراجعة من نظام الإثارة إلى نظام DCS في الوقت الفعلي عبر OPC، مما يسهل التحكم المنسق.

تتبادل أجهزة مثل نظام المراقبة التشخيصية من سلسلة Bentley 3500 الخاص بالضاغط ولوحة حماية المولد البيانات مع الأنظمة الأخرى عبر طبقة شبكة PDH. تُجهز هذه الأجهزة بمنافذ اتصال متعددة، وتتصل عبر كابلات إيثرنت بمحولين منفصلين لتوفير خاصية التكرار المزدوج داخل شبكة PDH. يوضح الشكل 3 بنية الشبكة المُحسّنة والمُطوّرة.

الشكل 3: مخطط طوبولوجيا الشبكة

نتائج ما بعد الترقية
يوضح الشكل 4 المخطط التوضيحي لنظام التحكم Mark VIe المُطوّر. وقد أسفر التحديث الشامل لكلٍ من المكونات المادية والبرمجية عن تحسينات متعددة الجوانب في عمليات الإنتاج. فعلى صعيد أداء النظام، يُظهر الإصدار الأحدث تحسينات في سرعة معالجة البيانات وكفاءة الحوسبة؛ إذ أصبح قادرًا على الاستجابة بشكل أسرع لأوامر تشغيل الوحدة المختلفة ومعالجة منطق التحكم المعقد في الوقت الفعلي، مما يوفر دعمًا حسابيًا قويًا لتشغيل الوحدة بكفاءة.

الشكل 4: مخطط نظام التحكم مارك 6

من حيث قابلية التوسع الوظيفي، يتميز الإصدار الجديد من النظام بعدد أكبر من الواجهات المحجوزة والوحدات الوظيفية، مما يتيح التكامل السلس مع أجهزة المراقبة ومكونات التحكم والمعدات المماثلة المضافة حديثًا. تلبي هذه الإمكانية المتطلبات المستقبلية لتحديثات الوحدات أو التوسعات الوظيفية، وبالتالي إطالة العمر الافتراضي للنظام.

فيما يتعلق بالاستقرار والموثوقية، خضع جهاز التحكم لتصميم مُحسَّن لتعزيز قدراته على مقاومة التداخل، مما يضمن أداءً أكثر استقرارًا عند مواجهة تقلبات الجهد والتداخل الكهرومغناطيسي البيئي وما شابه ذلك من ظروف. في الوقت نفسه، يعالج أحدث إصدار من النظام نقاط الضعف المحتملة الموجودة في الإصدارات السابقة، مما يقلل من مخاطر الأعطال الناجمة عن عيوب النظام ويضمن استمرارية التشغيل المستقر للوحدة.

علاوة على ذلك، تتوافق واجهة التشغيل للنظام الجديد بشكل أكبر مع أساليب عمل موظفي التشغيل والصيانة. وتتيح وظيفة "باريتو الإنذار" المُستحدثة تصفية دقيقة للمعلومات بناءً على تكرار الإنذار، مما يُعزز بشكل كبير كفاءة إدارة الإنذارات. بالإضافة إلى ذلك، تُبسط إمكانيات الإدارة الذكية لوحدة تحكم UCSC سير العمليات التشغيلية، مما يُسهل على الموظفين ضبط المعلمات ومراقبة الحالة وتشخيص الأعطال، وبالتالي تحسين كفاءة التشغيل والصيانة بشكل عام.

خاتمة
من خلال ترقية نظام Mark VIe الأصلي إلى أحدث إصدار - والذي يشمل وحدات التحكم، وبطاقات الإدخال/الإخراج، وأنظمة تزويد الطاقة، ومحطات تشغيل واجهة المستخدم الرسومية، والبنية التحتية للشبكة - يتم تحقيق التوافق مع أحدث وحدات تحكم Mark VIe. تحل هذه الترقية بفعالية المشكلات الحرجة المتأصلة في نظام التحكم القديم، مثل أعطال بطاقات CF في وحدات التحكم من نوع UCSA، وارتفاع معدلات انقطاع الاتصال، ونقص قطع الغيار المتوافقة لبطاقات الإدخال/الإخراج، والأعطال في وحدة تزويد الطاقة 125 فولت تيار مستمر. في الوقت نفسه، يؤدي استبدال أجهزة GE Fanuc الأصلية إلى حل مشكلات اتصال الشبكة المتبقية داخل النظام القديم، مما يعزز توافق النظام بشكل عام. علاوة على ذلك، يقلل هذا الانتقال بشكل كبير من مخزون قطع الغيار المطلوبة - وتحديدًا وحدات التحكم وبطاقات الإدخال/الإخراج - مما يقلل من تعقيد التشغيل وتكاليف الاستخدام والصيانة. تمثل الأجهزة المستخدمة في أحدث نظام تحكم هذا أحدث تكوين متوفر في السوق. يتميز النظام بموثوقية عالية، وقدرة معالجة حاسوبية فائقة، وإمكانيات تشخيص أعطال متطورة، مما يُسهم في تعزيز استقرار التحكم وتقليل عبء العمل في عمليات الصيانة والإصلاح. بعد فترة من التشغيل المستقر، حقق النظام بنجاح أهدافه المرجوة، ضامنًا بذلك التشغيل السلس والآمن لوحدة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة على المدى الطويل.