DCS構(gòu)架下電廠(chǎng)電氣一體化設(shè)計(jì)及其發(fā)展研究

楊廣東

(徐州華美坑口環(huán)保熱電有限公司,江蘇徐州 221141)

DCS構(gòu)架下電廠(chǎng)電氣一體化設(shè)計(jì)及其發(fā)展研究

楊廣東

(徐州華美坑口環(huán)保熱電有限公司,江蘇徐州 221141)

隨著社會(huì)的發(fā)展以及科技的進(jìn)步,為了生產(chǎn)的高效性與安全性,進(jìn)行了一系列基于自動(dòng)化與一體化的改建。在這個(gè)過(guò)程中電廠(chǎng)生產(chǎn)區(qū)域具有高溫、高壓等特定,對(duì)于一體化自動(dòng)控制更是有著更高的要求。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),在若干種構(gòu)建模式中,DCS構(gòu)架是一種較為常見(jiàn)的方式,對(duì)于其構(gòu)建原理以及構(gòu)建環(huán)節(jié)建設(shè)已經(jīng)有了系統(tǒng)的研究,這對(duì)于后續(xù)的應(yīng)用提供了必要的基礎(chǔ)保障。本文以電廠(chǎng)電氣一體化設(shè)計(jì)為主要的研究目標(biāo),總結(jié)其利用DCS構(gòu)架的構(gòu)建過(guò)程,并對(duì)近些年DCS構(gòu)架下的一體化設(shè)計(jì)與技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行總結(jié)分析。希望通過(guò)本文的研究能夠?yàn)榻窈蟮南嚓P(guān)電廠(chǎng)一體化設(shè)計(jì)與實(shí)際施工提供必要的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo),也能夠?yàn)楹罄m(xù)的電廠(chǎng)技術(shù)改造提供方向選擇的依據(jù)。

DCS構(gòu)架 電廠(chǎng)電氣一體化 設(shè)計(jì)思路 技術(shù)發(fā)展

1 引言

DCS是一種較為先進(jìn)的分布式控制系統(tǒng)，它能夠同時(shí)完成相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理與控制，并對(duì)一定設(shè)定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與調(diào)取。適應(yīng)于各種一體化建設(shè)體系的設(shè)計(jì)與施工。同時(shí)，由于其對(duì)于設(shè)備的支持強(qiáng)度相對(duì)較大，受到了廣泛的關(guān)注與應(yīng)用。電廠(chǎng)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)于自動(dòng)化體系要求相對(duì)較高。一方面電廠(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境相對(duì)惡劣，具有高溫、高電壓、高噪音、高輻射等惡劣的生產(chǎn)環(huán)境；另一方面電廠(chǎng)的生產(chǎn)需要根據(jù)電能負(fù)載對(duì)鍋爐以及發(fā)電機(jī)等主要生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并通過(guò)進(jìn)料保障等體系來(lái)保障其生產(chǎn)的連續(xù)性與順暢度。在這樣的背景下，電廠(chǎng)的控制一體化體系建設(shè)迫在眉睫。針對(duì)DCS的應(yīng)用是一種較為廣泛的應(yīng)用模式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也針對(duì)其具體的應(yīng)用與體系構(gòu)建進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。但是，結(jié)合自身特點(diǎn)以及我國(guó)電氣一體化建設(shè)的針對(duì)性研究還相對(duì)較少。本文正是出于這個(gè)目的，以電廠(chǎng)電氣一體化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，對(duì)其中的DCS構(gòu)架發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)革新進(jìn)行闡述，并對(duì)電廠(chǎng)電氣整體的一體化設(shè)計(jì)提供思路。希望通過(guò)本文的研究能夠?yàn)榻窈蟮南嚓P(guān)設(shè)計(jì)提供必要的理論基礎(chǔ)，也為類(lèi)似的項(xiàng)目建設(shè)選擇提供可靠依據(jù)。

2 DCS構(gòu)架簡(jiǎn)介

所謂的DCS是指分布式控制系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)的一體化建設(shè)體系中又被稱(chēng)之為集散控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制方式相比是一種更為新型的控制體系。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制模式是采用單一計(jì)算機(jī)對(duì)全部的電氣設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)籌管理的模式來(lái)進(jìn)行，而此種方式不僅增加了計(jì)算機(jī)的負(fù)載，更是由于其控制模塊之間的通道堵塞而使得控制效果尤其是人機(jī)互動(dòng)效果有了顯著的降低，對(duì)于大型廠(chǎng)區(qū)與設(shè)備的集約化管理模式構(gòu)建不利。而應(yīng)用多電腦分布控制的模式很難做到不同部分的數(shù)據(jù)聯(lián)通、共享與同步。DCS構(gòu)架的產(chǎn)生正是為了彌補(bǔ)這個(gè)問(wèn)題。為了很好的對(duì)一體化建設(shè)進(jìn)行支持，DCS采用了集中控制與分散控制相結(jié)合的方式，在統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)來(lái)完成分散的控制流程。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過(guò)對(duì)一級(jí)機(jī)的人機(jī)交互來(lái)達(dá)到對(duì)設(shè)定參數(shù)的控制，比如爐內(nèi)溫度、發(fā)電機(jī)負(fù)載、除塵設(shè)備運(yùn)行等；而二級(jí)機(jī)則為具體的控制單元?jiǎng)t根據(jù)一級(jí)機(jī)的指令訊號(hào)進(jìn)行自動(dòng)化操作，如當(dāng)人機(jī)互動(dòng)對(duì)于爐內(nèi)溫度進(jìn)行提升操作時(shí)，一級(jí)機(jī)的指令僅為爐內(nèi)溫度提升(數(shù)控訊號(hào))而二級(jí)機(jī)則更具預(yù)設(shè)的終端對(duì)不同的設(shè)備進(jìn)行預(yù)控操作，包括進(jìn)煤量的增加、進(jìn)氧量的增加、出煙口擴(kuò)大、除塵設(shè)備功率提升等。通過(guò)上述體系的構(gòu)建能夠?qū)⒔y(tǒng)一的工作分解為具體的設(shè)備管理，進(jìn)而降低了計(jì)算機(jī)的負(fù)載，能夠更為有效的完成相應(yīng)的設(shè)備控制。

3 電廠(chǎng)電氣一體化體系構(gòu)建

所謂電廠(chǎng)電氣一體化設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)電廠(chǎng)整個(gè)運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)的數(shù)字一體化建設(shè)，并通過(guò)數(shù)字一體化體系達(dá)到對(duì)電廠(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控、與控制的目的。在具體的構(gòu)建過(guò)程中可以分為自動(dòng)化建設(shè)與信息化建設(shè)等兩個(gè)層面。其中信息化建設(shè)為自動(dòng)化建設(shè)提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為后續(xù)的電廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)提供數(shù)據(jù)依據(jù)與決策輔助；而控制自動(dòng)化則是電廠(chǎng)一體化建設(shè)的核心，通過(guò)對(duì)于電氣控制一體化的構(gòu)建來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于電廠(chǎng)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的集中與遠(yuǎn)程控制，提高控制效率與生產(chǎn)的安全性。在實(shí)際的構(gòu)建過(guò)程中分為如下模塊：

數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊是指通過(guò)傳感器對(duì)相應(yīng)的生產(chǎn)與運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，此階段通過(guò)電廠(chǎng)設(shè)計(jì)與施工的過(guò)程中進(jìn)行同步建設(shè)。包括爐內(nèi)數(shù)據(jù)采集、輔助設(shè)備數(shù)據(jù)采集以及運(yùn)營(yíng)參數(shù)采集的若干個(gè)部分。通過(guò)數(shù)據(jù)采集能夠?yàn)楹罄m(xù)的運(yùn)行監(jiān)控以及具體的管理決策提供必要的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)分析模塊：數(shù)據(jù)分析模塊是基于DCS構(gòu)架中的核心部分，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊收集的各類(lèi)信息在統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)平臺(tái)內(nèi)進(jìn)行支持與處理，在具體的處理過(guò)程中主要分為數(shù)據(jù)處理以及虛擬電廠(chǎng)的可視化處理兩個(gè)部分。所謂的數(shù)據(jù)處理是通過(guò)基礎(chǔ)的信息收集來(lái)計(jì)算或者評(píng)估相應(yīng)的可視化數(shù)據(jù)的過(guò)程。一般是由計(jì)算機(jī)后臺(tái)來(lái)獨(dú)立完成的。通過(guò)相關(guān)函數(shù)以及參數(shù)的設(shè)定來(lái)計(jì)算出合規(guī)的數(shù)據(jù)體系。如利用進(jìn)口處氧含量以及出口處氧含量來(lái)評(píng)估爐內(nèi)的燃燒效率；或者計(jì)算二氧化硫去除效率等。另一方面則是基于人機(jī)互動(dòng)目的的可視化模擬電廠(chǎng)的數(shù)據(jù)分析過(guò)程。利用軟件預(yù)設(shè)等方式對(duì)電廠(chǎng)的可操作部分進(jìn)行模擬，構(gòu)建出3D的模擬電廠(chǎng)環(huán)境，并根據(jù)不同的控制節(jié)點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，來(lái)方便人機(jī)互動(dòng)式的可視化程度與操作便利度。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)模塊是指在數(shù)據(jù)處置后需要對(duì)操作過(guò)程以及操作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，其中操作步驟以及運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的保存更為重要。在具體的實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)中主要通過(guò)獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)或者計(jì)算機(jī)終端的方式對(duì)一定時(shí)間內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。通過(guò)此種方式解決數(shù)據(jù)調(diào)用與控制一體化系統(tǒng)的沖突。

數(shù)據(jù)控制模塊：主要是指通過(guò)人機(jī)互動(dòng)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)一級(jí)機(jī)內(nèi)參數(shù)的控制，并通過(guò)通訊系統(tǒng)達(dá)到一級(jí)機(jī)對(duì)二級(jí)機(jī)以及其他下級(jí)機(jī)的控制，最終達(dá)到對(duì)設(shè)備控制的目的。

其他輔助模塊：除了上述的模塊建設(shè)之外，在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中還需要包括電氣弱電支持、無(wú)線(xiàn)通訊支持等輔助模塊，這個(gè)可以根據(jù)電廠(chǎng)建設(shè)的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行選取。

4 DCS構(gòu)架技術(shù)發(fā)展研究

通過(guò)上文的分析，我們可以確定電廠(chǎng)電氣一體化是保障電廠(chǎng)正常運(yùn)行，安全生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。而在整體的一體化建設(shè)過(guò)程中DCS系統(tǒng)的技術(shù)開(kāi)發(fā)與發(fā)展對(duì)其起到了至關(guān)重要的支撐作用。在這樣的背景下，我們有必要對(duì)現(xiàn)階段DCS技術(shù)發(fā)展進(jìn)行總結(jié)。從現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀來(lái)看，其發(fā)展主要分為如下幾個(gè)部分：

第一，結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展。傳統(tǒng)DCS是采用單一的上級(jí)機(jī)對(duì)下級(jí)機(jī)的訊號(hào)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)的，而下級(jí)機(jī)則是通過(guò)與相關(guān)設(shè)備的繼電聯(lián)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行控制的。而此種構(gòu)建模式對(duì)于通訊質(zhì)量以及設(shè)備運(yùn)行的可靠度由較高的要求，即當(dāng)下級(jí)機(jī)出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，上級(jí)機(jī)則無(wú)法對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的控制。為了解決這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)階段DCS采用了網(wǎng)狀連接的方式來(lái)進(jìn)行，即在下級(jí)機(jī)水平內(nèi)構(gòu)件備機(jī)的模式來(lái)應(yīng)對(duì)下級(jí)機(jī)的設(shè)備故障，同時(shí)采用多臺(tái)下級(jí)機(jī)對(duì)于有限設(shè)備進(jìn)行共同管理的方式來(lái)保障的系統(tǒng)構(gòu)建的合規(guī)性與有效性；

第二，安全體系的發(fā)展。電廠(chǎng)系統(tǒng)是一種對(duì)于安全性要求相對(duì)較高的系統(tǒng)，如果出現(xiàn)了信息外泄或者控制源漏洞則會(huì)對(duì)電廠(chǎng)的運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生不可估量的損失，為了避免此種現(xiàn)象的產(chǎn)生。一方面電廠(chǎng)采用非聯(lián)網(wǎng)的方式對(duì)DCS進(jìn)行構(gòu)建；另一方面也采用了核心部件加密加殼的方式來(lái)予以保護(hù)，尤其是對(duì)于虛擬電廠(chǎng)等人機(jī)互動(dòng)的可控制核心的保護(hù)進(jìn)行升級(jí)改造，通過(guò)限定通訊IP、限定通訊位點(diǎn)等方式來(lái)提高其安全性。

第三，對(duì)控制一體化進(jìn)行構(gòu)建。DCS除了傳統(tǒng)的一體化建設(shè)之外，還對(duì)于區(qū)域內(nèi)的無(wú)線(xiàn)控制提供了更為多元化的接口，尤其是數(shù)據(jù)查詢(xún)等單項(xiàng)的傳輸通道可以采用開(kāi)放式接入的模式來(lái)進(jìn)行。此種技術(shù)升級(jí)方便了電廠(chǎng)的相關(guān)員工對(duì)于設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢修的便捷度，在現(xiàn)場(chǎng)則可以通過(guò)開(kāi)放式端口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)施監(jiān)控，進(jìn)而提高了設(shè)備的維護(hù)效率，也方便其在具體問(wèn)題層面上的判斷。

第四，對(duì)于變頻技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。變頻器作為控制系統(tǒng)的一個(gè)重要功率變換部件，以提供高性能變壓變頻可控的交流電源的特點(diǎn)，前些年在火電廠(chǎng)小型電機(jī)(如給粉枧、凝泵)等控制上的應(yīng)用，得到了迅猛的發(fā)展。由于變頻調(diào)速不但在調(diào)速范圍和精度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，低速轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，工作效率，方便使用方面表現(xiàn)出優(yōu)越性，更重要的是節(jié)能效果在經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益上產(chǎn)生的顯著效應(yīng)，因此繼一些中小型電機(jī)上普遍應(yīng)用后，近年來(lái)交流變頻調(diào)速技術(shù)，擴(kuò)展到一些高壓電機(jī)的控制上試用，如送、引風(fēng)機(jī)和給水泵電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)的控制等。

5 結(jié)語(yǔ)

DCS構(gòu)架是構(gòu)建電廠(chǎng)電氣一體化的核心。本文以電廠(chǎng)電氣一體化為研究目標(biāo)對(duì)其具體的一體化建設(shè)過(guò)程與模塊構(gòu)建體系進(jìn)行了分析，通過(guò)本文的分析找到了基于DCS一體化建設(shè)系統(tǒng)的優(yōu)越性以及基本過(guò)程。并結(jié)合現(xiàn)階段DCS構(gòu)架技術(shù)的發(fā)展對(duì)其先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。希望通過(guò)本文的研究能夠?yàn)榻窈蟮南嚓P(guān)體系建設(shè)以及現(xiàn)有體系升級(jí)改造提供必要的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。

[1]張海燕.火電廠(chǎng)廠(chǎng)用電監(jiān)控系統(tǒng)及納入DCS應(yīng)用的研究[D].華北電力大學(xué)(北京),2003.

[2]牛克龍.600MW火力發(fā)電機(jī)組FECS與DCS一體化設(shè)計(jì)方案[D].華北電力大學(xué),2013.

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楊廣東(1979—),男,江蘇徐州人,工程師,研究方向:電廠(chǎng)自動(dòng)控制,熱工自動(dòng)化,DCS。