ＤＣＳ在電氣系統(tǒng)控制中的應(yīng)用

于壽龍

摘要：DCS是分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System）的簡稱，國內(nèi)一般習(xí)慣稱為集散控制系統(tǒng)。它是一個(gè)由過程控制級(jí)和過程監(jiān)控級(jí)組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，綜合了計(jì)算機(jī)（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）等4C技術(shù)，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活、組態(tài)方便。

關(guān)鍵詞：DCS；控制系統(tǒng)

1 DCS具有以下特點(diǎn)：

1.1高可靠性

由于DCS將系統(tǒng)控制功能分散在各臺(tái)計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用容錯(cuò)設(shè)計(jì)，因此某一臺(tái)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)的故障不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)其它功能的喪失。此外，由于系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)所承擔(dān)的任務(wù)比較單一，可以針對(duì)需要實(shí)現(xiàn)的功能采用具有特定結(jié)構(gòu)和軟件的專用計(jì)算機(jī)，從而使系統(tǒng)中每臺(tái)計(jì)算機(jī)的可靠性也得到提高。

1.2開放性

DCS采用開放式、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中各臺(tái)計(jì)算機(jī)采用局域網(wǎng)方式通信，實(shí)現(xiàn)信息傳輸，當(dāng)需要改變或擴(kuò)充系統(tǒng)功能時(shí)，可將新增計(jì)算機(jī)方便地連入系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)中卸下，幾乎不影響系統(tǒng)其他計(jì)算機(jī)的工作。

1.3靈活性

通過組態(tài)軟件根據(jù)不同的流程應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行軟硬件組態(tài)，即確定測量與控制信號(hào)及相互間連接關(guān)系、從控制算法庫選擇適用的控制規(guī)律以及從圖形庫調(diào)用基本圖形組成所需的各種監(jiān)控和報(bào)警畫面，從而方便地構(gòu)成所需的控制系統(tǒng)。

1.4易于維護(hù)

功能單一的小型或微型專用計(jì)算機(jī)，具有維護(hù)簡單、方便的特點(diǎn)，當(dāng)某一局部或某個(gè)計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，可以在不影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的情況下在線更換，迅速排除故障。

1.5協(xié)調(diào)性

各工作站之間通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送各種數(shù)據(jù)，整個(gè)系統(tǒng)信息共享，協(xié)調(diào)工作，以完成控制系統(tǒng)的總體功能和優(yōu)化處理。

1.6控制功能齊全

控制算法豐富，集連續(xù)控制、順序控制和批處理控制于一體，可實(shí)現(xiàn)串級(jí)、前饋、解耦、自適應(yīng)和預(yù)測控制等先進(jìn)控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。

DCS的構(gòu)成方式十分靈活，可由專用的管理計(jì)算機(jī)站、操作員站、工程師站、記錄站、現(xiàn)場控制站和數(shù)據(jù)采集站等組成，也可由通用的服務(wù)器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器構(gòu)成。

處于底層的過程控制級(jí)一般由分散的現(xiàn)場控制站、數(shù)據(jù)采集站等就地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)計(jì)算機(jī)。生產(chǎn)監(jiān)控級(jí)對(duì)來自過程控制級(jí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中操作管理，如各種優(yōu)化計(jì)算、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、故障診斷、顯示報(bào)警等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，DCS可以按照需要與更高性能的計(jì)算機(jī)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的集中管理功能，如計(jì)劃調(diào)度、倉儲(chǔ)管理、能源管理等。

2 電氣系統(tǒng)控制的特點(diǎn)

電氣系統(tǒng)與熱工自動(dòng)化相比在控制要求及運(yùn)行過程中有著很多不同點(diǎn)，電氣的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為：

電氣設(shè)備相對(duì)熱工設(shè)備而言控制對(duì)象少，操作頻率低，有的系統(tǒng)或設(shè)備運(yùn)行正常時(shí)，時(shí)常幾個(gè)月或更長時(shí)間才操作一次。

電氣設(shè)備保護(hù)自動(dòng)裝置要求可靠性高，動(dòng)作速度快。發(fā)變組保護(hù)動(dòng)作速度要求在40ms以內(nèi)；自動(dòng)準(zhǔn)同期采用同步電壓方式，轉(zhuǎn)速、電壓調(diào)整和滑壓控制要求在5ms以內(nèi)；電壓自動(dòng)調(diào)整裝置快速勵(lì)磁要求時(shí)間極短；廠用電快切裝置快速切換時(shí)間一般小于60～80ms，同步鑒定相位差5°～20°。

300MW及以上機(jī)組一般每2臺(tái)機(jī)組共用1臺(tái)起／備變，任一機(jī)組檢修都不能影響另1臺(tái)機(jī)組的正常運(yùn)行，因此DCS控制應(yīng)考慮其控制方式，確保只能有1臺(tái)機(jī)組的DCS實(shí)現(xiàn)對(duì)共用部分的控制，同時(shí)另一機(jī)組DCS能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)視，并且這種操作控制權(quán)能實(shí)現(xiàn)切換。

電氣設(shè)備電氣系統(tǒng)的聯(lián)鎖邏輯較簡單，但電氣設(shè)備本身操作機(jī)構(gòu)復(fù)雜。

因此，機(jī)組的電氣系統(tǒng)納入DCS控制，要求控制系統(tǒng)具有很高的可靠性。除了能實(shí)現(xiàn)正常起停和運(yùn)行操作外，尤其要求能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示異常運(yùn)行和事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并提供相應(yīng)的操作指導(dǎo)和應(yīng)急處理措施，保證電氣系統(tǒng)自動(dòng)控制在最安全合理的工況下工作。

3電氣系統(tǒng)納入DCS監(jiān)控的范圍

根據(jù)單元機(jī)組的運(yùn)行和電氣控制的特點(diǎn)，在工程的應(yīng)用中采用將發(fā)電機(jī)-變壓器組和廠用電源等電氣系統(tǒng)的控制都納入DCS監(jiān)控。

從升壓站(不包括升壓站)至電廠側(cè)的所有主廠房內(nèi)電氣系統(tǒng)均納入DCS監(jiān)控，主要系統(tǒng)歸納為：

發(fā)變組系統(tǒng)(不包括變壓器本身的通風(fēng)系統(tǒng))；

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)；

高壓廠用電源系統(tǒng)(包括廠用電源正常切換)；

低壓廠用電源系統(tǒng)和400VPC；

高壓啟／備變電源系統(tǒng)(2臺(tái)機(jī)共用)；

柴油發(fā)電機(jī)組和保安電源(僅監(jiān)視)；

直流系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)(僅監(jiān)視)；

自動(dòng)同期系統(tǒng)；

廠用電快切系統(tǒng)。

電氣主要保護(hù)安全自動(dòng)裝置因要求DCS實(shí)現(xiàn)其功能目前尚有一定的難度，并且要增加相當(dāng)大的費(fèi)用。原則上不要求通過DCS實(shí)現(xiàn)其功能，仍保留其裝置，但它們與DCS之間要有接口，常規(guī)方式采用硬接口。保留的保護(hù)自動(dòng)專用裝置主要有如下：

發(fā)變組保護(hù)裝置；

自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置(ASS)；

自動(dòng)電壓調(diào)整裝置(AVR)；

廠用電快切裝置；

故障錄波裝置。

主廠房外輔助系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)如輸煤、化水、制氫、電除塵等暫不納入DCS系統(tǒng)中。

4電氣系統(tǒng)納入DCS控制水平及技術(shù)要求

機(jī)組整套啟動(dòng)時(shí)從鍋爐點(diǎn)火至發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶初始負(fù)荷夠?qū)崿F(xiàn)全過程的自動(dòng)程序控制。(當(dāng)然可以設(shè)有限幾個(gè)斷點(diǎn)人工分析判斷決定后介入操作)，或機(jī)組停機(jī)時(shí)DCS能安全停機(jī)。

機(jī)組自啟?？刂频囊笫牵?/p>

機(jī)組正常起動(dòng)時(shí)，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，DCS將投入AVR。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓達(dá)到額定值時(shí)，DCS將投入同期裝置。發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的同期是由同期裝置自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在同期過程中通過DCS控制AVR、DEH，當(dāng)同期條件滿足時(shí)，向發(fā)電機(jī)斷路器發(fā)合閘指令。在同期合閘成功，發(fā)電機(jī)電負(fù)荷達(dá)到一定值之后，DCS將高壓廠用電系統(tǒng)快速從啟備變切換到高壓廠變上。

機(jī)組正常停機(jī)時(shí)，DCS控制降低機(jī)組負(fù)荷，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降到某一定值時(shí)，DCS將高壓廠用電系統(tǒng)快速切換到啟／備變系統(tǒng)供電；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷繼續(xù)降到零，跳開主開關(guān)，聯(lián)跳汽輪機(jī)(主汽門關(guān)閉)，發(fā)電機(jī)滅磁。

對(duì)于廠用電源系統(tǒng)控制的要求是：

在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)通過啟／備變向廠用負(fù)荷供電；在機(jī)組正常用電時(shí)，由廠變供電并經(jīng)低壓廠變向400VMCC低壓負(fù)荷供電以啟動(dòng)機(jī)組所必需的輔機(jī)；在廠用電消失時(shí)，為了保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全，廠用電快切裝置應(yīng)快速將廠用工作負(fù)荷自動(dòng)切換至啟／備變；當(dāng)確認(rèn)保安段母線失壓后，應(yīng)啟動(dòng)事故備用柴油機(jī)供電以保證設(shè)備安全。

依據(jù)以上控制水平的要求，電氣監(jiān)控納入DCS技術(shù)的要求是：

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)程序控制和軟手操控制使發(fā)電機(jī)由零起升速、升壓直到并網(wǎng)帶初始負(fù)荷;廠用電系統(tǒng)能按啟動(dòng)／停止階段和正常運(yùn)行階段的要求程序控制和軟手操來實(shí)現(xiàn);能實(shí)時(shí)顯示和記錄上述發(fā)變組系統(tǒng)和廠用電系統(tǒng)的正常運(yùn)行、異常運(yùn)行和事故狀態(tài)下的各種數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并提供操作指導(dǎo)和應(yīng)急處理措施;單元機(jī)組(爐機(jī)電)實(shí)現(xiàn)全CRT監(jiān)控。

5對(duì)硬件配置的要求

按傳統(tǒng)功能劃分，電氣納入DCS監(jiān)控之后，其功能可分為數(shù)據(jù)采集(DAS)和順序控制(SCS)兩部分，由于電氣量同熱工量相比并沒有特別的要求，而相對(duì)動(dòng)作速度快、可靠性高的控制功能通過保留的電氣專用裝置來實(shí)現(xiàn)，因此原則上對(duì)DCS的硬件無特殊要求。對(duì)硬件的配置要求同熱工一致，其功能分別融入DCS的功能之中。但基于歷史的原因DCS由熱工人員負(fù)責(zé)，而熱工人員對(duì)電氣的控制原理知之不多，在設(shè)計(jì)、調(diào)試、生產(chǎn)維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)中，這部分工作仍需電氣人員來完成。加上在工程建設(shè)過程中電氣有關(guān)廠用電受電部分需提前調(diào)試投入運(yùn)行，在電氣的控制功能部分即順序控制(SCS)仍建議設(shè)置電氣單獨(dú)的控制器，便于實(shí)際工作的順利進(jìn)行。其數(shù)據(jù)采集部分要求同熱工融為一體。