分散控制系統(tǒng)改造現(xiàn)狀及展望

陳勝利,劉 冰,張 興,章正林,李 雷,陳 濤

(1.大唐華東電力試驗研究院,安徽 合肥 230088；2.大唐淮南洛河發(fā)電廠，安徽 淮南 232008)

0 引言

自1975年由美國HOLLYWELL公司推出TDC-2000分散控制系統(tǒng)(distributed control system,DCS)以來，該系統(tǒng)已迅速成為工業(yè)自動化的主要控制系統(tǒng)。我國電力系統(tǒng)第一套DCS是1985年遼寧朝陽電廠采用的瑞士BBC公司的Procontrol-P系統(tǒng)，之后歷經(jīng)原電力工業(yè)部準入的進口“八大家”，到國產(chǎn)新華、和利時、中控、科遠、國電智深、上海自儀、魯能等，形成了目前進口、國產(chǎn)DCS品牌群雄逐鹿，自動化、智能化水平快速提升的行業(yè)形勢[1-2]。

在電廠DCS的使用和維護過程中，隨著其運行時間的增長，往往在性能、功能及可靠性等方面存在各種問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

①按照業(yè)內(nèi)通用管理規(guī)范及電子產(chǎn)品廠家推薦，DCS硬件產(chǎn)品的有效壽命一般為8～12年，一旦工作時間超限，容易導致硬件故障率上升、安全隱患大[3]。

②隨著生產(chǎn)工藝的復雜程度不斷加深，同時也為了減輕運行人員的勞動強度，生產(chǎn)過程對自動化要求越來越高，對DCS系統(tǒng)的軟、硬件的各項指標要求也越來越高。老式DCS的處理及運算能力、軟件功能、數(shù)據(jù)庫容量等，在投產(chǎn)十余年后難以滿足電廠安全、經(jīng)濟、靈活、環(huán)保生產(chǎn)和管理，以及信息化、智能化的需要[4]。

③DCS廠家往往在產(chǎn)品多次更新?lián)Q代后，逐步停止較老一代產(chǎn)品零備件的生產(chǎn)及技術服務，導致備件難以購買、價格昂貴。

綜合上述原因，DCS在投產(chǎn)十年左右進行替換或者升級，已成為目前我國火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)主要的升級和技術改造方式。

1 我國DCS改造歷程回顧

我國火力發(fā)電廠的DCS改造，主要經(jīng)歷了以下幾個時期。

1.1 20世紀90年代中后期DCS改造情況

一批20世紀80年代甚至更早之前投產(chǎn)的中、小型發(fā)電機組，由DDZ-II型或TF-900組裝儀表、繼電器、可編程控制器(programmable logic controller,PLC)，朝機組DCS一體化進行改造。

由于國內(nèi)DCS應用歷史較短、工業(yè)控制系統(tǒng)尚未普及、技術人員掌握不足等原因，此階段的DCS改造對于提升電廠自動化水平意義重大。因此，原各省電力局及電廠對改造工作高度重視。除電廠專業(yè)人員和DCS廠家外，電力設計院、電力調(diào)試所全力支持，實際形成了原省電力局和電廠總體把控，設計、調(diào)試單位高標準實施，DCS廠家全力供貨和服務的局面。從費用決算來看，此時期主流品牌DCS的單機造價往往高達1 000萬元以上，實際改造項目的規(guī)模及工作量也與目前同等容量基建機組的熱工部分相當。

這一時期DCS改造的主要目的在于提高機組自動化水平和實現(xiàn)運行一體化操作。在此期間，產(chǎn)出了一批在熱工行業(yè)具有較深遠意義的改造項目和技術成果。

1.2 2010年前后DCS改造情況

這一階段主要是對我國20世紀90年代初、中期投產(chǎn)的300 MW和第一批600 MW等級機組進行改造。它們屬于我國第一批投產(chǎn)即整體應用DCS的發(fā)電機組，其中部分機組已屬于第二次DCS改造。這些機組DCS改造，主要包括DCS老化、故障率升高、備件停產(chǎn)、軟硬件性能及功能難以滿足新時期電力行業(yè)的控制需要等原因。

隨著全國600 MW機組大批量上馬和DCS在火電機組的基本普及，我國熱工從業(yè)人員總體技術水平得到提高，DCS改造在技術層面的難度客觀上較20世紀90年代要低。加之此時DCS價格較20世紀90年代大幅下降，如某品牌DCS在300 MW機組DCS改造的中標價尚不足200萬元(包括施工、調(diào)試)，項目規(guī)模較火電廠其他大型改造要小的多。DCS改造的主要目的除前述的解決硬件老化、完善DCS功能、提高DCS性能及備件購買等以外，還包括了完善廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(supervisory information system,SIS)、電廠管理信息系統(tǒng)(management information system,MIS)及各類分析、管理平臺的接口功能，但總體對于火電機組自動化程度的提升幅度有限。因此，各發(fā)電集團及電廠客觀上對于DCS改造的重視程度較20世紀90年代有所下降。

這一時期，DCS改造項目往往由中標的DCS廠家實施。但從實際效果來看，由于DCS改造的復雜性上升和改造時間的大幅壓縮，因此在DCS改造質量方面也暴露了諸多問題。如重要保護回路的可靠性、自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制性能，難以在DCS改造中的設計和調(diào)試過程中全面高質量完成，往往需要在改造結束后由第三方再行優(yōu)化，給機組后續(xù)的長周期運行、安全與節(jié)能控制、源網(wǎng)協(xié)調(diào)性能提高等方面工作帶來隱患。

這一時期，DCS改造的總體目的實際是實現(xiàn)信息化和標準化，即在保障和提升DCS控制功能的基礎上，推進SIS、MIS及各類生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)分析、專家指導系統(tǒng)的接入和應用。

1.3 近期DCS改造情況

第三個DCS改造高潮正是近幾年，隨著2003年我國“電荒”后，大批量上馬的600 MW及以上等級超(超)臨界及循環(huán)流化床等形式發(fā)電機組投產(chǎn)時間達到10年以上，其控制系統(tǒng)DCS也進入了老化和故障的高發(fā)階段。近年來，該類型問題所導致的機組異常甚至非停在行業(yè)內(nèi)屢見不鮮，因此DCS改造項目也紛紛列入這些電廠及所屬發(fā)電集團的技術改造計劃[5-6]。

當前，隨著各發(fā)電集團在隱患排查、技術監(jiān)督、可靠性提升等方面開展的大量工作，以及電力行業(yè)對于火電機組熱工系統(tǒng)可靠性、安全性及控制性能的不斷探索和總結，對于DCS改造的安裝質量及投產(chǎn)后的性能指標，都提出了更高的要求。同時，由于國家在“十三五”期間對節(jié)能減排領域制定的嚴格規(guī)定，加之電網(wǎng)側“兩個細則”考核要求不斷提高、“深度調(diào)峰”任務的提出，以及發(fā)電企業(yè)在設備故障預警及診斷、大數(shù)據(jù)分析、專家級決策等方面的新要求、新任務和新目標，DCS改造的目標進一步向智能化、專家型邁進[5]。

2 DCS改造技術管理現(xiàn)狀

以某發(fā)電集團為例，該集團華東區(qū)域2010年至今開展并完成DCS改造的7臺機組均為DCS壽命達到或者超過10年的300 MW亞臨界機組，后續(xù)幾年將進一步擴展至2003年后投產(chǎn)的一批主力600 MW及以上等級超(超)臨界機組。

現(xiàn)將現(xiàn)階段已完成的DCS改造歸納為以下幾對主要矛盾。

①前期投入與人力資源的矛盾。

由于開展DCS改造的機組往往投產(chǎn)時間久、系統(tǒng)復雜、設備改造多、組態(tài)邏輯垃圾和錯誤繁雜，因此在改造前必須對熱力系統(tǒng)及設備、原DCS組態(tài)、硬件配置、I/O點分配、電纜分布進行細致的分析和整理。在此過程中，對機組控制系統(tǒng)進行全面檢查，進而根據(jù)《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》、DL/T 774等規(guī)程的相關要求進行充分的優(yōu)化和設計，是后續(xù)所有改造工作的基礎和關鍵[6]。

從以往改造完成的項目來看，目前存在的問題如下。其一，各電廠DCS系統(tǒng)改造一般都在機組A級或B級檢修中進行，這期間往往由于電廠熱工人員力量不足、現(xiàn)場消缺工作較多等原因，只能粗略地對原有組態(tài)、配置進行復制和拷貝，系統(tǒng)性的梳理、分析工作不到位。其二，DCS廠家僅根據(jù)接收的現(xiàn)場復制信息開展后續(xù)設計、組態(tài)工作，往往只是在原來的基礎上略加修改。由于改造前期的基礎工作不扎實、不系統(tǒng)，很多長時間隱藏的邏輯問題、配置問題、分布問題沒有得到發(fā)現(xiàn)，反而埋下更多的隱患。

②組態(tài)設計與廠家能力的矛盾。

對于DCS數(shù)據(jù)采集、順序控制及保護系統(tǒng)，大部分改造后的組態(tài)是基于原有DCS文件的翻譯和轉換。但由于各品牌DCS特點、邏輯模塊算法、功能細節(jié)不同，有時兩個品牌DCS中同一功能的模塊往往也會在參數(shù)設置、邏輯細節(jié)中存在各種區(qū)別，導致簡單的組態(tài)轉換也會帶來很多的問題。

各DCS廠家的技術人員往往專精于本廠家的DCS系統(tǒng)，對其他系統(tǒng)無法逐一涉獵，對于其他DCS邏輯模塊的算法、功能更是無法全盤掌握，導致邏輯轉換時容易出現(xiàn)“顧名思義”、不得要領的情況發(fā)生。如某廠300 MW亞臨界機組DCS改造過程中，用于計算給水流量的差壓信號，在原DCS中是在卡件中直接進行補償計算，之后引入保護邏輯。新系統(tǒng)的組態(tài)人員由于未在邏輯檢查中看到流量補償?shù)挠嬎氵^程，在組態(tài)過程中直接將來自I/O卡件的差壓信號作為“流量信號”引入給水泵保護邏輯，而下一步的調(diào)試和試驗中又未能及時發(fā)現(xiàn)，最終在機組運行后造成了一次保護的誤動和機組非停，給電廠帶來了很大的經(jīng)濟損失，后果嚴重。

③調(diào)試深度與廠家經(jīng)驗的矛盾。

對于改造機組，往往之前的設備改造較多，各臺機組在各個方面具有不同的特點，必須在組態(tài)設計,主要是模擬量控制系統(tǒng)的設計和優(yōu)化過程中進行充分的考慮。特別是在目前各大發(fā)電集團對于機組安全性、可靠性、經(jīng)濟性和靈活性提出較高要求的背景下，必須將技術監(jiān)督、基建調(diào)試和控制優(yōu)化的經(jīng)驗融入DCS改造的設計過程中，以避免機組發(fā)電后的反復調(diào)整。

DCS廠家的技術人員一般長期從事組態(tài)設計和配合調(diào)試，對機爐的運行情況缺乏進一步理解，缺乏獨立開展控制優(yōu)化、基建調(diào)試、性能試驗的經(jīng)驗，對于技術監(jiān)督和很多行業(yè)規(guī)程、文件熟悉度也不高。這導致很多機組的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計往往是常規(guī)方案的移植，其適應性、靈活性和先進性相對較弱，造成機組啟動后一些重要系統(tǒng)，如協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、汽溫控制系統(tǒng)、脫硝控制系統(tǒng)的控制品質不佳，進而導致機組的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性、靈活性受限，無法實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[7]，嚴重時甚至會影響設備壽命和安全，對運行人員操作造成較大壓力。

DCS改造后通過第三方開展自動控制系統(tǒng)的優(yōu)化，不僅需要一個甚至多個檢修、停機周期來進行組態(tài)的設計、優(yōu)化和調(diào)試，而且需要額外支出優(yōu)化的費用。這種工作方式所花費的時間成本和經(jīng)濟成本極高。

④調(diào)試時間與調(diào)試質量的矛盾。

目前，DCS改造一般是利用機組A級檢修甚至是B級檢修進行，總體工期往往為30天左右。而前期施工、安裝及其他專業(yè)的改造、檢修工作往往又占用大量時間，加之啟機前的熱工人員現(xiàn)場消缺工作繁重，因此DCS改造的實際調(diào)試時間非常緊張。一旦調(diào)試人員在專業(yè)能力和調(diào)試經(jīng)驗上有所欠缺，就會導致很多DCS軟、硬件的檢查工作不能深入、動態(tài)傳動試驗不能全面開展，進而造成很多深層次的隱患問題無法發(fā)現(xiàn)[8]，最終使得改造工作難以達到發(fā)電集團及基層企業(yè)的目標和要求。如前述的給水流量計算的邏輯錯誤，就未能在啟機前傳動保護試驗時發(fā)現(xiàn)。

3 DCS改造項目管理現(xiàn)狀

自20世紀90年代電力行業(yè)出現(xiàn)DCS改造以來，主要形成了以下兩種方式的改造項目的管理體制。

①以電科院(中試所)與電廠為主體，20世紀90年代為代表的調(diào)試項目型。采用基建調(diào)試的項目管理方式推進DCS改造，由電廠及上級單位主管并全力配合，設計、調(diào)試單位按照基建調(diào)試的管理方式，完成從設計到調(diào)試、投運的全部過程，DCS廠家僅提供軟、硬件的技術支持。從技術歸口而言，此階段的實施主體是電科院(中試所)與電廠。由于電科院與電廠熱控人員的深度參與，他們可以憑借豐富的調(diào)試和生產(chǎn)經(jīng)驗，提供機組在運行中發(fā)生的一些故障現(xiàn)象以及運行人員的一些合理化建議。這有益于機組的控制優(yōu)化和邏輯優(yōu)化。

②以DCS廠家為主體，2000年以后普遍采用的DCS廠家主導型。由中標的DCS廠家(往往是最低價中標的DCS廠家)全面負責DCS改造的設計、施工、調(diào)試及測試。而省網(wǎng)電科院的介入主要體現(xiàn)在DCS驗收測試、涉網(wǎng)性能試驗及改造結束后的技術監(jiān)督和控制優(yōu)化等方面，實際上失去了其技術優(yōu)勢。由于配合DCS廠家工作，電廠熱工專業(yè)人員的工作積極性也不高。

從電力行業(yè)的發(fā)展歷程來看，無疑第一種類型DCS改造的效果更為優(yōu)越，其充分發(fā)揮了各參與單位的能力、經(jīng)驗和優(yōu)勢，集中攻堅克難。特別是在火電裝機發(fā)展速度相對緩慢的20世紀90年代，這些DCS改造項目無論在人才培養(yǎng)、科技研發(fā)還是在成果培育方面，都為我國熱工專業(yè)提供了良好的發(fā)展平臺[9]。

但從現(xiàn)實角度來看，第一種改造的管理機制也是建立在當時DCS在我國尚未普及、成熟，技術缺口大的基礎上，其資金計劃和時間成本也要遠超第二種機制。在當前時期發(fā)電企業(yè)全面貫徹降本增效、電量任務和經(jīng)營壓力不斷提升的背景下，可能難以重現(xiàn)。

在DCS改造的項目管理機制中，再次形成了改造實施主體與改造深度、改造投入與改造質量的兩對重大矛盾。

4 DCS改造展望

本文第二節(jié)和第三節(jié)，分別針對DCS改造的技術管理和項目管理兩方面提出了四對主要矛盾和兩對重要矛盾。其貫穿了近年來各大發(fā)電集團、發(fā)電企業(yè)DCS改造的全部過程，在大量論文、案例匯編及發(fā)電集團事故通報中均有體現(xiàn)。

為解決上述問題和矛盾，全面管控、保障和提升DCS改造項目的深度和質量，本文提出了一種適應廠網(wǎng)分家后當前發(fā)電集團發(fā)展形勢的解決辦法，即發(fā)電集團科學研究院總體負責制。

在我國電力體制改革、廠網(wǎng)分家十余年后，“五大五小”發(fā)電集團逐步建立了自己的電力試驗、科研體系，特別是五大發(fā)電集團均成立了集團級的科學研究院，開展集團內(nèi)技術監(jiān)督、技術服務、基建調(diào)試，并依托集團開展科技研發(fā)。很多院(所)主要專業(yè)的組成、實力、經(jīng)驗和成果已不亞于或者超出省網(wǎng)電科院的電源側專業(yè)。又因其發(fā)電集團科學研究院的特殊定位和代表集團公司履行技術監(jiān)督的特定責任，因此考慮將本文第三節(jié)介紹的兩種DCS改造管理機制有機結合，形成由發(fā)電集團科學研究院主導的DCS改造管理機制。

從項目管理來看，這種機制的特點如下。

①客觀上形成工程設計、采購、施工總承包(engineering procurement construction,EPC)的工程總承包形式，即由發(fā)電集團科學研究院總體把控項目實施和質量。由于該單位在開展改造的同時代表集團實施技術監(jiān)督責任，因此對于項目質量的管控、關鍵節(jié)點的要求、自身問題的閉環(huán)，無疑是要求較為嚴格。更進一步來說，將隱患排查、可靠性提升、自動優(yōu)化成果經(jīng)驗與動態(tài)調(diào)試有機結合，將輔機故障快速減負荷(runback,RB)等風險性試驗、高調(diào)門流量特性優(yōu)化等特殊試驗在改造期間預先考慮并完成。這樣不僅有效保障了改造后機組的安全、經(jīng)濟運行，更有利于集團公司、分子公司全面掌控DCS改造的進度、質量。

②DCS廠家由項目實施主體還原為硬件和服務的提供者，一方面發(fā)揮了DCS廠家在硬件設計和供應，軟件服務和組態(tài)搭建等方面的優(yōu)勢，將其品牌的產(chǎn)品優(yōu)勢和服務優(yōu)勢充分發(fā)揮；另一方面也規(guī)避了目前很多DCS廠家在實際設計、調(diào)試過程中，特別是在熱工信號回路及控制方案的隱患治理、優(yōu)化設計、動態(tài)調(diào)試等方面的短板。在這種管理機制下，DCS的招標將從原來的產(chǎn)品招標轉變?yōu)榭偘秸袠?。這種管理方式已屢見于火電機組的基建項目調(diào)試，只要嚴格過程管控，并不違反招投標的法律法規(guī)。

③對于電廠而言，在科學研究院總承包模式下開展DCS改造，無疑是較為省心和有質量保障的。電廠的熱工專業(yè)人員可以更專心于新控制系統(tǒng)的操作培訓、先進方案的學習領悟和調(diào)試經(jīng)驗的融會貫通，有效避免了DCS改造過程中由于DCS廠家人力資源有限所造成的電廠人員“一邊干檢修、一般拉電纜；一邊忙現(xiàn)場、一邊忙驗收”的問題出現(xiàn)。這對于電廠熱工專業(yè)人力資源的最優(yōu)利用和水平提升，效果不言而喻。

需要特別指出的是，由于工作內(nèi)容和人力、智力成本的增加，本文所述的這種DCS改造管理機制的總體費用，從成本核算和計劃列支來說，肯定高于DCS廠家方案，但較之電廠在DCS改造后再逐項開展控制優(yōu)化、保護核查、隱患排查、特殊試驗等諸多項目，總體費用反而更低，符合各發(fā)電集團、發(fā)電企業(yè)的經(jīng)營理念和實際政策。

5 結束語

本文針對我國火電機組開展DCS改造多年來的歷程，回顧了改革開放以來幾次大的DCS改造高峰期的技術路線、技術特點?？偨Y了在當前電力體制下，發(fā)電企業(yè)開展DCS改造中暴露的主要矛盾和問題。與普通的技術改造設備采購相比，DCS改造的關鍵在于DCS各主要子系統(tǒng)和環(huán)節(jié)的檢查、梳理、設計、完善和調(diào)試，更多的在于將技術監(jiān)督、隱患排查及控制優(yōu)化的豐富經(jīng)驗注入DCS改造[10-11]。因此必須轉變原有以DCS廠家為改造實施主體的項目管理機制，重鑄以發(fā)電集團科學研究院為主體的項目總承包形式，充分發(fā)揮發(fā)電集團科學研究院在熱工可靠性提升、隱患排查、控制優(yōu)化等方面的成果和經(jīng)驗，充分發(fā)揮科學研究院從業(yè)人員在規(guī)程掌握、組態(tài)設計、基建調(diào)試等方面的優(yōu)勢和經(jīng)驗，從代表集團行使技術監(jiān)督權利的高度，對DCS改造進行謀劃、推進和管控。

本文所提出的DCS改造管理新機制可供各發(fā)電集團、發(fā)電企業(yè)參考。相信這一機制的建立和實施對提高我國發(fā)電機組DCS改造工作的效率、質量，實現(xiàn)火電機組安全、可靠、經(jīng)濟、靈活、環(huán)保運行，和支持鞏固我國能源建設及環(huán)境保護事業(yè)具有重要的意義。