DCS系統(tǒng)在電站監(jiān)控的應(yīng)用

中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明動(dòng)力分公司 袁繼朋

一、熱電站DCS系統(tǒng)簡(jiǎn)介

熱電站DCS系統(tǒng)于2011年改造完成，主要控制以下設(shè)備，三臺(tái)35噸/小時(shí)鍋爐，一臺(tái)3000KW汽輪機(jī)組，一臺(tái)1500KW汽輪機(jī)組，高加和減溫減壓器等。下位機(jī)是六套西門子的S7-300PLC，三臺(tái)鍋爐，每臺(tái)鍋爐由一臺(tái)S7-300控制，兩臺(tái)汽輪機(jī)，每臺(tái)由一個(gè)S7-300控制，其他公共設(shè)備由一臺(tái)S7-300控制，除公共設(shè)備外，每臺(tái)主要設(shè)備對(duì)應(yīng)一個(gè)PLC。PLC負(fù)責(zé)運(yùn)行參數(shù)的采集、量化、處理、和控制輸出。每臺(tái)PLC對(duì)應(yīng)一臺(tái)上位機(jī)服務(wù)器，PLC和上位機(jī)服務(wù)器之間實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)服務(wù)器完成參數(shù)顯示、重要參數(shù)的報(bào)警、記錄等。上位機(jī)服務(wù)器還具有對(duì)PLC進(jìn)行編程和調(diào)試的功能。兩臺(tái)汽輪機(jī)共用一個(gè)上位機(jī)服務(wù)器，此上位機(jī)服務(wù)器通過(guò)雙頭顯示卡實(shí)現(xiàn)雙顯示器分別獨(dú)立顯示兩臺(tái)汽輪機(jī)參數(shù)的功能。2012年，新增加三套子系統(tǒng)，完成對(duì)水處理設(shè)備和發(fā)電機(jī)等電氣設(shè)備的監(jiān)控及三號(hào)鍋爐自動(dòng)排污。軟件方面，PLC使用Step7 V5.1軟件開發(fā)，通過(guò)STEP7編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、參數(shù)量化、控制策略實(shí)施、控制結(jié)果輸出、DA轉(zhuǎn)換、有關(guān)參數(shù)累積和上位機(jī)通信等功能。上位機(jī)使用研華610工控機(jī)，Windows2000操作系統(tǒng)，MS-SQLSERVER 2000數(shù)據(jù)庫(kù)，WINCC V6.0組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)顯示、控制參數(shù)修改、累積量顯示，數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)查詢、微機(jī)軟手動(dòng)操作等功能。

二、測(cè)點(diǎn)分布和主要控制回路

熱電站需要測(cè)量的參數(shù)主要測(cè)量包括溫度、壓力、液位、流量、閥位或頻率（變頻器）、電工儀表信號(hào)（電流、電壓等）。溫度、壓力等信號(hào)的測(cè)量原理如圖1所示，溫度信號(hào)通過(guò)熱電阻和熱電偶測(cè)量，熱電偶通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線接入PLC，由PLC進(jìn)行冷端補(bǔ)償。熱電阻由溫度變送器轉(zhuǎn)成4-20mA信號(hào)后接入PLC。壓力信號(hào)由壓力變送器直接測(cè)量，汽包等密封受壓容器的水位由帶壓力補(bǔ)償?shù)钠胶馊萜鬓D(zhuǎn)成差壓信號(hào)后，通過(guò)差壓變送器生成4-20mA信號(hào)進(jìn)入PLC。開口容器的水位由差壓變送器直接測(cè)量。流量信號(hào)由彎管流量計(jì)、渦街流量計(jì)、孔板流量計(jì)測(cè)量并進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償后轉(zhuǎn)成4-20mA信號(hào)進(jìn)入PLC，閥位（頻率）由執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥或變頻器產(chǎn)生4-20mA信號(hào)，進(jìn)入PLC。電工儀表信號(hào)通過(guò)對(duì)應(yīng)的變送器測(cè)量后轉(zhuǎn)成4-20mA信號(hào)進(jìn)入PLC。

圖1 溫度、壓力等信號(hào)的測(cè)量原理

圖2 本DCS系統(tǒng)OPC軟件結(jié)構(gòu)圖

熱電站的自動(dòng)控制回路主要集中在鍋爐部份，汽包水位自動(dòng)控制是鍋爐自控最重要的部份。本系統(tǒng)為每臺(tái)鍋爐的汽包水位實(shí)現(xiàn)三沖量變比例復(fù)合PID控制。采蒸汽流量作為前饋，給水流量作為反饋，根據(jù)實(shí)際水位的偏差值及其變化率，在控制矩陣中自動(dòng)選取適當(dāng)?shù)谋壤底鳛镻ID控制的可變參數(shù)，構(gòu)成簡(jiǎn)單的模糊控制，完成水位自動(dòng)控制。蒸汽溫度實(shí)現(xiàn)變比例微分前置復(fù)合PID控制，采蒸汽流量的微分值作為前饋，根據(jù)實(shí)際蒸汽溫度的偏差及其變化率，在控制矩陣中選取適當(dāng)?shù)谋壤底鳛镻ID控制的可變參數(shù)，完成蒸汽溫度的自動(dòng)控制。

以上兩個(gè)系統(tǒng)是電站系統(tǒng)中需要頻繁最多的部分，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。此外，風(fēng)和煤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微機(jī)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制相結(jié)合的控制。機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方面，此系統(tǒng)是以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。負(fù)荷主要靠鍋爐進(jìn)行調(diào)節(jié)。

表1 本DCS系統(tǒng)OPC參數(shù)表

三、熱電站DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

OPC(用于過(guò)程控制的OLE)是一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它由一些世界上占領(lǐng)先地位的自動(dòng)化系統(tǒng)和硬件、軟件公司與微軟緊密合作而建立的。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)的基于PC的客戶機(jī)之間交換自動(dòng)化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法。O代表OLE（對(duì)象鏈接和嵌入），P代表Process(過(guò)程)，C代表Control（控制），OLE已從面向?qū)ο笾匦露x為基于對(duì)象并更名為Active X管理。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際組織是OPC基金會(huì)。OPC技術(shù)基于微軟的OLC(現(xiàn)在的Active X)、COM（部件對(duì)象模型）和DCOM（分布式部件對(duì)象模型）技術(shù)。OPC是以O(shè)LE/COM機(jī)制作為應(yīng)用程序的通訊標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)在主要的DCS系統(tǒng)軟件都支持OPC技術(shù)，因此OPC技術(shù)已經(jīng)成為在多個(gè)DCS系統(tǒng)之間進(jìn)行通信的首先方案。本系統(tǒng)中汽機(jī)部分的兩臺(tái)PLC連接成MPI網(wǎng)絡(luò)，三臺(tái)鍋爐之間連接成MPI網(wǎng)絡(luò)，所有上位機(jī)連成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)Intranet為OPC技術(shù)的實(shí)施提供基礎(chǔ)。

由于車間熱電站在機(jī)爐協(xié)調(diào)控制方面是以汽機(jī)跟隨為基礎(chǔ)的控制方式，此系統(tǒng)運(yùn)行人員要求，在每臺(tái)鍋爐的上位機(jī)上顯示系統(tǒng)負(fù)荷和外供的參數(shù)，這就需要在幾個(gè)上位機(jī)之間進(jìn)行通信，我們的實(shí)現(xiàn)方法是使用OPC技術(shù)，在汽機(jī)和公共設(shè)備的上位機(jī)服務(wù)器上建立OPC服務(wù)器，在每臺(tái)鍋爐的上位機(jī)服務(wù)器上OPC客戶機(jī)。在汽機(jī)和電氣主控的通訊方面，也使用了OPC技術(shù)，代替了原來(lái)的按鈕-指示燈方式，節(jié)省了近80根電纜，同時(shí)功能也進(jìn)一步增強(qiáng)。本DCS系統(tǒng)OPC軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

共有27個(gè)測(cè)點(diǎn)的參數(shù)在此DCS系統(tǒng)中通過(guò)OPC技術(shù)進(jìn)行傳輸，表1是本DCS系統(tǒng)OPC參數(shù)表。

由表1可以看出，提供OPC服務(wù)最多的電腦是汽機(jī)上位機(jī)，共提供21點(diǎn)服務(wù)，接受OPC服務(wù)最多的是電氣主控電腦，共接受21點(diǎn)服務(wù)。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)所有上位機(jī)都即是OPC客戶機(jī)又是OPC服務(wù)器。實(shí)現(xiàn)方法是利用WINCC6.0集成的OPC功能和變量管理功能，下面以一號(hào)汽輪機(jī)有功功率為例，對(duì)OPC功能的實(shí)施進(jìn)行說(shuō)明。

1.先在電氣主控上位機(jī)上用WINCC變量管理中建立MPI變量，設(shè)置好MPI通信方式，通過(guò)線性標(biāo)定的方式把過(guò)程值范圍和變量值范圍進(jìn)行對(duì)應(yīng)，并在本機(jī)調(diào)試成功。設(shè)置OPC服務(wù)器，并在WINCC項(xiàng)目啟動(dòng)選項(xiàng)中選擇啟動(dòng)時(shí)加載。

2.在兩臺(tái)汽機(jī)的上位機(jī)的WINCC變量管理中加入OPC變量組，并建立從本機(jī)到電氣主控上位機(jī)的連接。

3.分別在三臺(tái)爐的上位機(jī)、主控電氣電腦的WINCC變量管理中加入OPC變量組，并建立從本機(jī)到汽機(jī)上位機(jī)的連接。

4.在此連接下建立變量，變量名可以直接用中文“一號(hào)機(jī)有功功率”，數(shù)據(jù)類型是32位浮點(diǎn)數(shù)IEEE754，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是4個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)的地址根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，轉(zhuǎn)換方式為float to float（浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)浮點(diǎn)數(shù)）。注意，在客戶端不要再進(jìn)行線性標(biāo)定，因?yàn)樵诜?wù)器已經(jīng)線性標(biāo)定。

至此OPC連接完畢，但是要客戶端能正常顯示的前提是服務(wù)器端必須正在運(yùn)行此項(xiàng)目文件。在服務(wù)器端項(xiàng)目停止運(yùn)行后，客戶端會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)效標(biāo)志，當(dāng)服務(wù)器端恢復(fù)正常之后，客戶端自動(dòng)恢復(fù)正常。

四、DCS技術(shù)在某車間熱電站應(yīng)用效果

802車間熱電站原控制系統(tǒng)是基于單機(jī)控制的，每臺(tái)PLC對(duì)應(yīng)一個(gè)上位機(jī)，各上位機(jī)之間沒(méi)有通信。經(jīng)過(guò)改造后建成了一個(gè)上位機(jī)的工控網(wǎng)絡(luò)，在上位機(jī)之間進(jìn)行以O(shè)PC方式進(jìn)行通信，達(dá)到了運(yùn)行參數(shù)共享的目地，并基本取消了數(shù)字顯示儀表，主要設(shè)備都采用了微機(jī)手動(dòng)與自動(dòng)相結(jié)合的控制方式。整套軟件具有了更多的靈活性和通用性。但是由于OPC是基于COM這個(gè)windows操作系統(tǒng)的技術(shù)，和基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與時(shí)實(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用相比，此系統(tǒng)在具有較好的開放性的同時(shí)具有通信的時(shí)實(shí)性不夠理想。進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是今后需要解決的主要問(wèn)題。

[1]宋伯生編.PLC編程理論·算法及技巧[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2009,5.

[2]王永華編.現(xiàn)代控制技術(shù)與PLC應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008,2.

[3]曾蓉編.熱工保護(hù)與順序控制[M].中國(guó)電力出版社,2009,1.

[4]徐國(guó)林編.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2007,1.