大型熱電廠機(jī)組的控制系統(tǒng)及其技術(shù)特點(diǎn)探析

蔡 杰

（寧夏電投銀川熱電有限公司 寧夏 銀川 750021）

0 引言

DCS 系統(tǒng)因能充分體現(xiàn)分散控制與集中操作管理的思想，并以先進(jìn)的技術(shù)、豐富的控制功能、友好的人機(jī)界面和愈來愈可靠的工作性能等優(yōu)勢，近年來占據(jù)了大、中型熱電長機(jī)組主控的自動化領(lǐng)域。對于熱工系統(tǒng)，將其納入DCS 進(jìn)行監(jiān)控，有利于實(shí)現(xiàn)機(jī)、爐、電一體化控制而成為一種趨勢。

1 大型熱電廠電機(jī)組的特點(diǎn)

1.1 熱力系統(tǒng)龐大，生產(chǎn)過程復(fù)雜

1.2 由于單機(jī)容量大，它的輔機(jī)和輔助設(shè)備數(shù)量多，容量大，結(jié)構(gòu)也復(fù)雜

1.3 生產(chǎn)工況變化多、操作頻繁和復(fù)雜

1.4 大型機(jī)組的控制對象和參數(shù)多，控制機(jī)構(gòu)多，各種擾動也多

2 當(dāng)前熱電廠機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

熱電廠的自動化包括熱工自動化和電氣自動化兩大部分，控制方式主要有繼電器、PLC、DCS 三種。 由于新建機(jī)組和老機(jī)組的更新改造中廣泛采用了分散控制系統(tǒng)（DCS）實(shí)現(xiàn)對機(jī)、爐的監(jiān)控，形成了數(shù)據(jù)采集（DAS）、模擬量控制（MCS）、順序控制（SCS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控（FSSS）這四大相互協(xié)調(diào)的系統(tǒng)，從而使得熱電廠熱工自動化的監(jiān)控水平躍上了一個新的臺階。PLC 由于其邏輯處理功能強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好、系統(tǒng)獨(dú)立性強(qiáng)、 系統(tǒng)構(gòu)成成本較低等特點(diǎn)， 成為電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)（水、煤、灰）的首選控制系統(tǒng)。

電氣系統(tǒng)監(jiān)控過去很長一個時期內(nèi)，都采用強(qiáng)電“一對一”硬手操控制，依靠常規(guī)的儀表、光字牌，采用繼電器、控制開關(guān)及其接點(diǎn)組成的控制邏輯來實(shí)現(xiàn)。發(fā)電廠電氣設(shè)備的控制絕大部分為作用于斷路器的簡單的跳、合邏輯控制，其操作開關(guān)布置在電氣控制屏臺上，電氣常規(guī)控制的最大問題是所有斷路器需要運(yùn)行人員一對一手動操作，而且因控制室屏面的限制，大量廠用電系統(tǒng)的開關(guān)只能就地操作，這種控制模式對當(dāng)前發(fā)電廠的“減人增效”不利，也使電廠自動化水平的提高受到制約。 目前，電氣的專用控制裝置如繼電保護(hù)、勵磁調(diào)節(jié)、自動同期等裝置己逐步實(shí)現(xiàn)了微機(jī)化，但其自動化的整體水平一直未能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)為：電氣系統(tǒng)中，保護(hù)裝置、安全自動裝置基本獨(dú)立運(yùn)行，與DCS 間通過硬接點(diǎn)方式進(jìn)行有限的控制和信號交換；電氣系統(tǒng)的控制，基本上采用常規(guī)控制手段，電氣系統(tǒng)的測量、保護(hù)動作、定值整定、事故追憶、電量和潮流報(bào)表等電氣運(yùn)行參數(shù)在DCS 系統(tǒng)無法完整反應(yīng)。 因此，盡管電氣系統(tǒng)個體裝置的自動化程度已達(dá)到一定水平，但從電氣系統(tǒng)的整體自動化水平來看，還有待進(jìn)一步提高。

3 控制系統(tǒng)的選擇

隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的興起，工業(yè)自動化目前正朝現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)方向發(fā)展。 基于現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)FCS 成為新一代的工業(yè)控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線的出現(xiàn)，使貫穿于控制系統(tǒng)的各個層次獲得了廣泛的新功能，例如：在現(xiàn)場儀表中實(shí)現(xiàn)更多的控制、多變量的測量和傳輸、基于自查的現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)和管理等等。這些新的功能將為系統(tǒng)生命周期內(nèi)各個階段帶來實(shí)際的效益和利益，從項(xiàng)目早期開始，到實(shí)際運(yùn)行期間，利用現(xiàn)場總線技術(shù)所帶來的這些新功能均可實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的成本節(jié)約，增加效益和收益，而傳統(tǒng)的系統(tǒng)則不具備這種能力。

但是純粹的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)也有缺點(diǎn)。 FCS 將DCS 的三層典型結(jié)構(gòu)簡化成二層結(jié)構(gòu)， 把由DCS 控制站完成的控制任務(wù)完全下放到了現(xiàn)場智能設(shè)備。然而，當(dāng)數(shù)據(jù)量超過一定值過于偏大時，如果同層的設(shè)備過于獨(dú)立，則很容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的堵塞。要解決這個問題，必須設(shè)立一個適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控層用以協(xié)調(diào)相互通訊的設(shè)備，DCS 就能輕松地勝任這一工作。 對于熱電廠機(jī)組，其復(fù)雜的控制策略DCS 難以勝任，而DCS 在這方面的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟， 另外還可以實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)控制技術(shù)如模糊控制、人工智能控制等。

4 新型DCS 的體系結(jié)構(gòu)

4.1 現(xiàn)場儀表層

其主要工作是把現(xiàn)場的各種物理信號（如溫度、壓力、流量、位移等）轉(zhuǎn)變成電信號或數(shù)字信號，并進(jìn)行一些必要的處理（濾波、簡單診斷等）；或者把各種控制輸出信號轉(zhuǎn)變成物理變量（如閥位、位移等）。到目前為止，該層的主要功能沒有根本的變化。 該層與裝置控制層的傳統(tǒng)接口是4-20mA（模擬量），或電平信號（開關(guān)量）。 隨著現(xiàn)場總線技術(shù)的普及和現(xiàn)場總線智能儀器儀表的成熟和成本的大幅度降低，將來應(yīng)用現(xiàn)場總線通信的各種智能儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)會越來越流行。隨著全廠綜合自動化的發(fā)展，各種控制電機(jī)特別是集成控制和驅(qū)動于一體的電機(jī)設(shè)備也歸為這一類。

4.2 裝置控制層

裝置控制層的任務(wù)是完成各生產(chǎn)過程的優(yōu)化控制計(jì)算和最佳設(shè)定值的設(shè)定，負(fù)責(zé)現(xiàn)場儀表層的協(xié)調(diào)管理以及與上位工廠監(jiān)控與管理層的聯(lián)系。 同時還可以實(shí)現(xiàn)綜合顯示、操作指導(dǎo)、集中操作、歷史數(shù)據(jù)記錄、定時報(bào)表打印、控制回路組態(tài)和參數(shù)修改、故障報(bào)告和處理功能。

4.3 工廠監(jiān)控與管理層

工廠監(jiān)控與管理層負(fù)責(zé)全廠的生產(chǎn)協(xié)調(diào)， 指揮和控制生產(chǎn)的全局。包括制定生產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度，協(xié)調(diào)生產(chǎn)運(yùn)行；安排設(shè)備檢修，組織備品備件；收集生產(chǎn)信息，監(jiān)督生產(chǎn)狀況，調(diào)整生產(chǎn)策略；分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)評估等等。 一般說來，第四代DCS 主要采用提供開放的數(shù)據(jù)庫接口方式來支持DCS 與第三方的ERP、SCM 等軟件集成。

5 新型DCS 的特點(diǎn)

5.1 集成化

當(dāng)今的DCS 廠商更強(qiáng)調(diào)的系統(tǒng)集成性和方案能力，DCS 中除保留傳統(tǒng)DCS 所實(shí)現(xiàn)的過程控制功能之外，還集成了PLC、RTU、FCS 等各種多回路調(diào)節(jié)器、各種智能采集或控制單元等。 此外廠商不再把開發(fā)組態(tài)軟件或制造各種硬件單元視為核心技術(shù)， 而是紛紛把DCS 的各個組成部分采用第三方集成方式或OEM 方式。

5.2 DCS 變成真正的混合控制系統(tǒng)

第四代的DCS 已經(jīng)將這種劃分模糊化了。 幾乎所有的第四代DCS 都包容了過程控制、邏輯控制和批處理控制，實(shí)現(xiàn)混合控制。這也是為了適應(yīng)用戶的真正控制需求。

5.3 DCS 采用現(xiàn)場總線技術(shù)，功能進(jìn)一步分散化

所有的第四代DCS 都包含了各種形式的現(xiàn)場總線接口， 可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。 此外，各DCS 還改變了原來機(jī)柜架式安裝I/O 模件、相對集中的控制站結(jié)構(gòu)，取而代之的是進(jìn)一步分散的I/O 模塊（導(dǎo)軌安裝），或小型化的I/O 組件（可以現(xiàn)場安裝），或中小型的PLC。

5.4 DCS 平臺開放型與應(yīng)用服務(wù)專業(yè)化

第四代DCS 全部支持某種程度的開放性。 開放性體現(xiàn)在DCS 可以從三個不同層面與第三方產(chǎn)品相互連接:在企業(yè)管理層支持各種管理軟件平臺連接； 在工廠車間層支持第三方先進(jìn)控制產(chǎn)品、SCADA 平臺、MES 產(chǎn)品、BATCH 處理軟件，同時支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（以以太網(wǎng)為主）；在裝置控制層可以接多種DCS 單元（系統(tǒng)）、PLC、RTU 等各種智能控制單元等，以及各種標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線儀表與執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

5.5 現(xiàn)場處理部件更加小型靈活

5.5.1 小型化

5.5.2 開放化和智能化

6 結(jié)束語

總之，DCS 通過與現(xiàn)場總線技術(shù)的融合，不僅吸收了其部分優(yōu)點(diǎn)，也具備了一定的優(yōu)勢，尤其是在控制系統(tǒng)復(fù)雜的領(lǐng)域，如大型熱電廠FCS 還尚無法完成OCS 已有的先進(jìn)控制功能。 FCS 軟件功能不很強(qiáng)大，功能塊少，利用現(xiàn)場儀表只能完成一些簡單的常規(guī)控制無法實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制。

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