DCS控制技術在熱電廠機爐控制系統(tǒng)改造工程中的應用

蘇紅剛

摘 要：本文通過對小熱電落后控制系統(tǒng)改造工程的實施，從技術角度論證了對小熱電控制系統(tǒng)改造的必要性和可行性。新型DCS集散控制系統(tǒng)在小熱電改造方面具有積極的推廣意義。結合雁南熱電廠機爐DCS系統(tǒng)改造工程，深入研究了DCS系統(tǒng)在熱電廠機爐自動控制系統(tǒng)中的應用，完成了控制系統(tǒng)整體方案的設計、人機界面設計和軟件組態(tài)的設計，并通過程序設計實現(xiàn)各種參數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集與通訊、自動控制等過程控制，還通過DCS系統(tǒng)完成了各種優(yōu)化計算、統(tǒng)計報表、故障診斷、顯示報警等功能，提高了生產(chǎn)現(xiàn)場的自動化程度，降低了職工的勞動強度，也有效降低了職工誤操作導致的事故風險。

關鍵詞：集散控制系統(tǒng)；和利時；小熱電；MACS系統(tǒng)

1 概述

1.1 DCS系統(tǒng)定義

“DCS（Distributed Control System），即所謂的分布式控制系統(tǒng)，或在有些資料中稱之為集散系統(tǒng)”，“相對于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計算機控制系統(tǒng)，它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎上發(fā)展、演變而來的?！边^程控制和過程監(jiān)測是構成DCS系統(tǒng)的兩大組成部分，它們借助網(wǎng)絡通信技術，構建起多級計算機控制系統(tǒng)，即所謂的DCS系統(tǒng)，它綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）四方面內(nèi)容，實現(xiàn)了分級管理、集中操作、分散控制的系統(tǒng)功能，同時具備組態(tài)方便、配置靈活的優(yōu)點。

1.2 DCS系統(tǒng)的發(fā)展狀態(tài)

隨著自動控制理論與計算機科學的快速更新，新一代DCS集控系統(tǒng)在許多方面取得了突破；例如在局部網(wǎng)絡采用通用MAP協(xié)議；變送器的標準化和智能化發(fā)展，網(wǎng)絡技術和現(xiàn)場總線技術的應用；以及在軟件控制語法規(guī)則中過程順序控制與模糊控制理論的逐漸完善，DCS技術再次有了質(zhì)的飛躍。

1.3 研究內(nèi)容及目標

2013年大雁集團公司委托和利時公司進行雁南熱電廠DCS控制系統(tǒng)改造項目。作者學習研究和利時DCS集散控制系統(tǒng)各種組態(tài)方案，配合廠家進行系統(tǒng)結構設計，根據(jù)工藝流程界面和監(jiān)控點位設計，進行控制單元組態(tài)、流程圖組態(tài)和監(jiān)測單元的組態(tài)設計。

2 改造工程DCS系統(tǒng)選型

2.1 DCS系統(tǒng)選型總體要求

生產(chǎn)廠家所提供的DCS系統(tǒng)應具備性能優(yōu)良、系統(tǒng)完善、功能全面、運行可靠、技術先進、穩(wěn)定性好的特點，同時具有良好擴展能力，以確保控制系統(tǒng)滿足雁南熱電廠機爐DCS系統(tǒng)改造技術的要求。

2.2 DCS控制系統(tǒng)選型結果

雁南熱電廠DCS系統(tǒng)改造項目組依據(jù)橫河、新華、和利時和浙大中控提供的產(chǎn)品資料和投標方案，對各系統(tǒng)的I/O卡件、網(wǎng)絡通信方案、組態(tài)工具、控制算法、開放性、模塊、結構以及價格等各方面條件進行了全面比較。最終選擇和利時公司設計的MACS系列DCS系統(tǒng)。

3 HOLLiASMACS系統(tǒng)原理

3.1 MACS系統(tǒng)結構

MACS系統(tǒng)通過先進的ProfiBus-DP技術和標準網(wǎng)絡通信規(guī)約，將眾多廠家的各種儀表或模塊納入系統(tǒng)中。SM系列硬件模塊在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方面的應用最大限度的保證了數(shù)據(jù)的準確和安全；RASC控制器的處理速度甚至能夠達到或超過毫秒級，從而同時完成上百個回路的控制任務；通過以太網(wǎng)技術實現(xiàn)的ERP系統(tǒng)為用戶提供了便于操作、容易掌握的人機交互界面，重要的運行數(shù)據(jù)被存儲在歷史庫中，便于操作者隨時調(diào)用和查閱，生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析報表同時為企業(yè)管理者提供了生產(chǎn)調(diào)度和管理的基礎資料。

3.2 控制器算法組態(tài)研究

在MACS系統(tǒng)中，設計者運用算法組態(tài)軟件CoDeSys來編輯和顯示底層控制算法?？梢酝ㄟ^控制器軟件組態(tài)進行平臺開發(fā)，通過軟件的控制方案編輯器和仿真調(diào)試器兩個功能模塊使用不同的算法語言完成用戶控制方案的邏輯組態(tài)。

3.3 MACS系統(tǒng)的圖形組態(tài)研究

和利時MACS組態(tài)軟件通過PlantView人機界面軟件來進行監(jiān)控站畫面組態(tài)的工作，可以編輯和生成系統(tǒng)的工程總貌圖、生產(chǎn)流程圖、運行工況圖和系統(tǒng)等。組態(tài)后的DCS系統(tǒng)依靠圖形顯示界面，操作員可方便地查詢現(xiàn)場各臺設備的運行情況和參數(shù)，并通過操作員站發(fā)布操縱指令，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制。

3.4 數(shù)據(jù)庫組態(tài)

數(shù)據(jù)庫組態(tài)是形成應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎，它對邏輯系統(tǒng)中各站的點信息進行了定義。主要功能是建立整個DCS系統(tǒng)的核心組成——數(shù)據(jù)庫。和利時MACS控制系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)庫總控軟件，可以方便地將所需點的信息導出，存為以空格為分割的TXT文件。

4 MACS系統(tǒng)配置設計

4.1 總體設計

本次DCS系統(tǒng)改造工程采用汽輪機和鍋控制系統(tǒng)爐集中布置方式進行設計。雁南熱電廠三爐兩機母管制熱力系統(tǒng)共用一個控制間，循環(huán)流化床爐、汽輪機、除氧器、給水泵和廠區(qū)減溫減壓器的控制全部由和利時MACS5.24控制系統(tǒng)實現(xiàn)，集控室內(nèi)設有監(jiān)視操作站，運行人員可以通操作站對設備狀態(tài)進行監(jiān)視和調(diào)整操作。控制系統(tǒng)的設計保證了系統(tǒng)開放性高、操控性易、靈敏度高、可靠性優(yōu)的特點，能夠滿足機組在變工況下穩(wěn)定運行的要求。

4.2 控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡設計

PROFIBUS（Process Fieldbus）是一種成熟的開放式現(xiàn)場總線技術。PROFIBUS的各種版本分別能夠解決車間層面通用性數(shù)據(jù)通信任務、實現(xiàn)分布式系統(tǒng)控制及各單元控制之間數(shù)據(jù)傳輸。

4.3 生產(chǎn)指標計算設計

通過輸入/輸出熱量平衡法，計算汽輪機組熱力循環(huán)性能指標，并對主蒸汽參數(shù)和排汽參數(shù)等實際數(shù)值偏差進行校正。系統(tǒng)可以計算當主蒸汽和排汽參數(shù)與設計工況發(fā)生偏差時引起機組效率的變化情況。并在操作站操控界面上提示值班員調(diào)整設備運行參數(shù)。通過端差逼近法來計算回熱加熱器換熱效率。計算出各級回熱加熱器的熱效率。依據(jù)HEIS給出的凝汽器內(nèi)表面潔凈系數(shù)，計算凝汽器的換熱效率。并計算凝汽器的熱效率。根據(jù)能量平衡原則計算鍋爐給水泵的機械效率。通過熱力系統(tǒng)實際運行參數(shù)與設計工況的偏差，利用等效焓降理論計算系統(tǒng)實際熱效率與額定熱效率的差異，并計算差異所引起的系統(tǒng)能耗變化指標。

5 雁南熱電廠DCS控制系統(tǒng)技術改造設計

“SAMA是美國科學儀器制造協(xié)會（Scientific Apparatus Makers Association）的簡稱，SAMA圖是該協(xié)會頒布的圖例”。SAMA圖具有過程直觀、簡潔和準確的特點，因此廣泛地應用在各類控制工程的原理圖繪制，國內(nèi)外許多儀器儀表生產(chǎn)廠家都在使用SAMA圖來進行控制工程方案設計；而且SAMA圖的數(shù)據(jù)交換方式和流程構建模式和DCS控制模塊組態(tài)圖近乎一致，各種控制算法都有相對準確的定義。因此本章節(jié)選擇運用SAMA圖設計雁南熱電廠DCS改造工程控制方案。

6 組態(tài)設計

系統(tǒng)組態(tài)是在工程師站上利用組態(tài)軟件Sckey完成整個DCS系統(tǒng)方案設定，進行總體編譯后，下載到控制站執(zhí)行，并傳送至其他操作站，成為操作站監(jiān)控軟件所調(diào)用的信息文件。

總體信息組態(tài)主要根據(jù)項目實際情況，確定控制站、操作站的數(shù)量及其地址，控制站組態(tài)主要包括I/O組態(tài)、控制方案組態(tài)、自定義變量組態(tài)等內(nèi)容。操作站組態(tài)主要包括操作小組設置、監(jiān)控畫面組態(tài)、流程圖組態(tài)、報表等內(nèi)容。

上述組態(tài)內(nèi)容完成后需進行全體編譯，以檢查組態(tài)正確與否，并生成控制站能執(zhí)行的程序及監(jiān)控軟件所能調(diào)用的信息文件，編譯無誤后下載到控制站，并傳送到各操作站。

7 工程分析及結論

7.1 項目實施效果

本課題設計的機爐DCS控制系統(tǒng)改造工程項目于2014年8月安裝調(diào)試完成，雁南熱電廠機組和鍋爐在新安裝的和利時DCS系統(tǒng)控制下順利通過了72小時聯(lián)合試運轉(zhuǎn)實驗，并完成了最終驗收。

DCS系統(tǒng)改造后鍋爐各運行參數(shù)的控制精度明顯提高，以往設備自動調(diào)節(jié)的滯后感減弱很多；根據(jù)運行值班員反饋信息，系統(tǒng)在運行過程中，壓力測量、溫度測量、給水控制、給煤控制、減溫控制等手動操作基本正常，系統(tǒng)能記錄和查詢各個測點和被控對象的數(shù)據(jù)，能根據(jù)設定的極限參數(shù)進行監(jiān)測報警提醒鍋爐操作人員?？偟膩碚f，系統(tǒng)的運行狀況良好。

7.2 存在問題及改進措施

雁南熱電廠DCS系統(tǒng)改造后經(jīng)過2014年冬季采暖期的運行，通過對機組運行歷史參數(shù)的分析，改造后的DCS系統(tǒng)同樣暴露出部分缺陷和問題，具體情況如下：

①雁南熱電廠作為礦井自備電廠，發(fā)電負荷受井下生產(chǎn)負荷變化的影響較大，在機組電功率變化幅度較大，同時變化速率較高時，汽包水位調(diào)節(jié)滯后明顯，水位波動大。

②2#機組凝結泵流量顯示多次發(fā)生異常，顯示數(shù)值明顯偏離經(jīng)驗數(shù)值。

③原有設備數(shù)據(jù)采集儀器儀表陳舊，測量值漂移失真嚴重，造成控制系統(tǒng)精度下降。

針對上述問題，應及時采取以下措施：①在設備生產(chǎn)廠家指導下，根據(jù)實際運行情況，調(diào)整DCS系統(tǒng)定制設置，提高水位調(diào)節(jié)靈敏度；同時對負荷變化情況進行分類，通過條件循環(huán)語句控制自動選擇合適的調(diào)節(jié)模式。廠家現(xiàn)場處理后問題消除。②更換現(xiàn)場原有陳舊變送器和流量計等測量元件。更換測量元件后問題消除。