火力發(fā)電DCS自動(dòng)化技術(shù)研究

潤電能源科學(xué)技術(shù)有限公司 宋 丹 國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院 徐恒博

引言

DCS 所代表的自動(dòng)控制技術(shù)在國家發(fā)展各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域內(nèi)都有著十分重要的意義，比如工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及科技現(xiàn)代化等，自動(dòng)化控制水平已經(jīng)成為衡量某一行業(yè)先進(jìn)水平的重要尺度。隨著國家進(jìn)行科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的發(fā)展，DCS 技術(shù)得到了更進(jìn)一步的普及，其重要意義也逐漸在凸顯在生產(chǎn)的過程中，運(yùn)用DCS 技術(shù)意在提高生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)安全性，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

我國作為一次能源消耗大國，每年煤炭發(fā)電量占總發(fā)電量八成以上，由于發(fā)電所造成的煤炭消耗量更是占國家煤炭消費(fèi)總量六成以上，隨著未來工業(yè)進(jìn)一步發(fā)展以及國家產(chǎn)業(yè)調(diào)整，我國發(fā)電企業(yè)必將迎來全新的發(fā)展格局，必須通過不斷創(chuàng)新與改造，逐漸實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、高效的生產(chǎn)能力，才能夠更好的迎合國家可持續(xù)發(fā)展需求?，F(xiàn)在我國所建設(shè)的諸多等級(jí)機(jī)組已經(jīng)基本采取了DCS 控制系統(tǒng)來對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行統(tǒng)一控制，使自動(dòng)化控制技術(shù)得到了極大的普及。

本文將對(duì)火力發(fā)電DCS 自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行研究分析，以提高技術(shù)品質(zhì)為出發(fā)點(diǎn)，使自動(dòng)化技術(shù)以及自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠更好的保障火力發(fā)電運(yùn)行質(zhì)量，提高火力發(fā)電運(yùn)行安全以及經(jīng)濟(jì)效益。

1 DCS 簡介

DCS 是Distribuede Control System 的縮寫，中文翻譯名稱為分散控制系統(tǒng)，是隨著技術(shù)發(fā)展，在集中式控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上演變而來的一種全新智能化的控制系統(tǒng)。DCS 需要以互聯(lián)網(wǎng)作為功能基礎(chǔ)，可以滿足整個(gè)火力發(fā)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、可靠性和功能可擴(kuò)充性等需求，所以具有很強(qiáng)的重構(gòu)能力。在使用過程中，一套DCS 系統(tǒng)之中要設(shè)置I/O 控制站，這些控制站會(huì)起到分擔(dān)系統(tǒng)控制功能的作用，以此便可以避免某一控制站出現(xiàn)失效而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)功能失效的風(fēng)險(xiǎn)出現(xiàn)，進(jìn)而具備良好的系統(tǒng)使用可靠性[1]。

由于在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置了控制站，可以使各個(gè)站點(diǎn)具備了分擔(dān)數(shù)據(jù)采集以及自動(dòng)化控制負(fù)擔(dān)的作用，這對(duì)于提高整個(gè)火力發(fā)電廠生產(chǎn)系統(tǒng)性能而言也將有著十分重要的意義?？刂艱CS 系統(tǒng)的操作人員主要的職責(zé)是對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行運(yùn)行操作管理，在工作壓力上相較于與以往，會(huì)得到明顯的減輕[2]。

2 DCS 應(yīng)用情況及火力發(fā)電DCS 自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用面臨的問題

2.1 DCS 應(yīng)用情況

從上個(gè)世紀(jì)80年代末開始，DCS 技術(shù)開始在我國石油化工領(lǐng)域得到了推廣使用，之后隨著國家經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，DCS 相關(guān)的技術(shù)產(chǎn)品逐漸在其他領(lǐng)域內(nèi)得到了肯定，比如冶金行業(yè)、輕工業(yè)行業(yè)、建筑行業(yè)等。

我國從最開始引進(jìn)DCS 技術(shù)到現(xiàn)在已經(jīng)有近40年的歷史，這40年的發(fā)展歷程，使得DCS 技術(shù)已經(jīng)成為主流控制技術(shù)在我國工業(yè)控制系統(tǒng)體系內(nèi)發(fā)揮著重要的作用，目前國內(nèi)DCS 系統(tǒng)市場(chǎng)雖然仍然被國外企業(yè)所壟斷，包括西門子、霍尼韋爾等，而國內(nèi)的DCS 廠商比如新華和中控也在呈現(xiàn)出快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，在未來有望進(jìn)軍世界領(lǐng)先地位[3]。

火力發(fā)電作為我國重要的能源生產(chǎn)形式，所構(gòu)建起的電器自動(dòng)化系統(tǒng)是近幾年來行業(yè)的發(fā)展焦點(diǎn)，其側(cè)重點(diǎn)便是對(duì)火力發(fā)電廠電氣系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化的管理控制，意在提高整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的保護(hù)效果，使其具備更好的安全、效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。當(dāng)前DCS 技術(shù)已經(jīng)在火力發(fā)電系統(tǒng)中得到了普及，為發(fā)電廠自動(dòng)化運(yùn)行帶來了諸多技術(shù)支持，也使我國電力生產(chǎn)相關(guān)的電氣控制更加安全與可靠。

圖1 火力發(fā)電廠DCS 系統(tǒng)

2.2 火力發(fā)電DCS 自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用面臨的問題

一是，火力發(fā)電自動(dòng)化系統(tǒng)工作環(huán)境仍然存在大量復(fù)雜干擾，對(duì)于DCS 系統(tǒng)應(yīng)用可靠性上必須進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其是導(dǎo)致熱工系統(tǒng)運(yùn)行異常的事故最近幾年逐漸增多。

二是，傳統(tǒng)技術(shù)下的火力發(fā)電廠電氣自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足集散控制系統(tǒng)下自動(dòng)化功能要求，無法實(shí)現(xiàn)電氣全通信控制功能，在通信速度、系統(tǒng)可靠性上已經(jīng)出現(xiàn)不足。

在所在的學(xué)校是否開設(shè)創(chuàng)業(yè)教育課程這一問題的測(cè)量上，接近90%的學(xué)生選擇所在學(xué)校已經(jīng)開設(shè)創(chuàng)業(yè)課，這反映了目前高職院校在創(chuàng)業(yè)教育課程開設(shè)方面具有一定的普遍性。而對(duì)于是否參加過創(chuàng)業(yè)培訓(xùn)或者講座的調(diào)研中，僅有55.89%的學(xué)生選擇曾經(jīng)參加過。從創(chuàng)業(yè)教育課的課程滿意度調(diào)研來看，接近一半的受訪者認(rèn)為創(chuàng)業(yè)教育滿意度為一般，比較滿意的占27.24%，接近15%的對(duì)學(xué)校創(chuàng)業(yè)教育不滿意。

三是，電氣自動(dòng)化系統(tǒng)控制邏輯、控制水平和自動(dòng)化管理水平需要加強(qiáng)。利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)該更進(jìn)一步構(gòu)建起完善的電氣自動(dòng)化系統(tǒng)，在辦公自動(dòng)化環(huán)境上、控制機(jī)、元件級(jí)等范圍內(nèi)，要全面提高數(shù)據(jù)信息傳輸暢通無阻。

3 火力發(fā)電DCS 自動(dòng)化技術(shù)問題應(yīng)對(duì)功能完善策略

3.1 打造人機(jī)界面，保障系統(tǒng)可靠性

在這一技術(shù)領(lǐng)域中，需要按照火力發(fā)電廠工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)已有的設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)性的收集和管理，所獲得的測(cè)點(diǎn)信號(hào)應(yīng)該納入到歷史數(shù)據(jù)庫中，繼而實(shí)現(xiàn)DCS 功能中的信息共享。要求操作人員需要依靠完善的人機(jī)界面功能才能夠發(fā)揮出最大的控制效果，該界面應(yīng)該能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)控需求，可以對(duì)整個(gè)工藝系統(tǒng)以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督管理，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的工況故障，提高系統(tǒng)可靠性。

人機(jī)界面內(nèi)也含有工程師功能，該功能主要是幫助維護(hù)工程師可以對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行維護(hù)，同時(shí)也具備檔案?jìng)浞莨δ?。工程師站需要設(shè)計(jì)出相應(yīng)的權(quán)限管理以此來避免系統(tǒng)遭受非法入侵的風(fēng)險(xiǎn)。人機(jī)界面內(nèi)對(duì)于信號(hào)的采集與保護(hù)配置功能需要在控制處理器的I/O 中，如果信號(hào)采集還涉及到機(jī)械設(shè)備、電路保護(hù)等，則需要在DPU 那設(shè)計(jì)出完善的信號(hào)通道，以保障重要信號(hào)能夠得到及時(shí)的收集。用于監(jiān)視和記錄信號(hào)的設(shè)置，可以安排在DPC 之中，也可以分散到DPU 中，DPU 主要是指其他工藝控制系統(tǒng)。

火力發(fā)電DCS 自動(dòng)化技術(shù)關(guān)于人機(jī)界面設(shè)計(jì)中需要具備以下新的功能內(nèi)容，包括：顯示功能、記錄功能、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索功能等。

顯示功能是指能夠?qū)φ麄€(gè)火力發(fā)電廠的工藝流程、生產(chǎn)趨勢(shì)工藝參數(shù)以及風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警進(jìn)行顯示，按照工藝運(yùn)行要求，以結(jié)構(gòu)式或者是樹形結(jié)構(gòu)式進(jìn)行展現(xiàn)，可以幫助運(yùn)行管理人員及時(shí)便捷的查閱到所需要監(jiān)控的信息畫面。在對(duì)某一畫面進(jìn)行選擇時(shí)，一般限制在兩次擊鍵，也可以設(shè)置一些特殊的快捷鍵，重要的系統(tǒng)以及相關(guān)功能可以通過快捷鍵直接調(diào)出畫面。工藝運(yùn)行有所不同、所涉及到的工藝流程顯示畫面也應(yīng)該有所不同，所以畫面數(shù)據(jù)以及畫面數(shù)量都應(yīng)該有一定的豐富度，這樣才能夠更好的滿足運(yùn)行管理人員對(duì)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備和工藝環(huán)節(jié)監(jiān)視的需求，畫面顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)刷新周期應(yīng)該小于1秒之內(nèi)。

記錄功能涉及的是事件記錄、跳閘追憶記錄、操作記錄、定期記錄等順序事件記錄。記錄的數(shù)據(jù)應(yīng)該滿足系統(tǒng)全天候運(yùn)行的要求，分辨率可以根據(jù)DCS 的性能來進(jìn)行設(shè)置。跳閘追憶記錄包括跳閘原因、信號(hào)變量分析；設(shè)備跳閘記錄需要按照跳閘之前十分鐘和跳閘之后五分鐘、以一秒時(shí)間間隔來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。

操作記錄主要是指運(yùn)行管理人員在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行所有操作項(xiàng)目都要進(jìn)行精準(zhǔn)記錄，這樣才能夠便于操作人員進(jìn)行監(jiān)控，并且查找出系統(tǒng)中出現(xiàn)故障的原因。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存48小時(shí)內(nèi)的操作記錄，該項(xiàng)設(shè)置也需要實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存功能；定期記錄主要是指按照火力發(fā)電廠的用戶需求，通過采取相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行日?qǐng)?bào)記錄和月報(bào)記錄等文件記錄與存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的數(shù)量應(yīng)該根據(jù)用戶要求來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 模擬量控制，滿足自動(dòng)化功能要求

模擬量控制系統(tǒng)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)諸多針對(duì)單元機(jī)組以及輔機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制的功能要求，能夠?qū)﹀仩t、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)進(jìn)行整體化的控制，使整個(gè)火力發(fā)電廠相關(guān)設(shè)備可以同時(shí)完成控制任務(wù)，確保整個(gè)機(jī)組可以安全、穩(wěn)定、快速的滿足負(fù)載變化，保持生產(chǎn)運(yùn)行的穩(wěn)定。同時(shí)也應(yīng)該滿足控制機(jī)組安全啟動(dòng)、穩(wěn)壓運(yùn)行的要求。模擬量控制系統(tǒng)需要?jiǎng)澐譃槿舾蓚€(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該遵循各自的完整原則，這樣才能夠保持整個(gè)系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)上信息交換量最優(yōu)化。

冗余狀態(tài)下的控制系統(tǒng)，如果局部出現(xiàn)故障，巧妙的設(shè)計(jì)可以避免整個(gè)機(jī)組同時(shí)進(jìn)入危機(jī)狀態(tài)，而且能夠?qū)⒐收纤斐傻呢?fù)面影響限制到最低。模擬量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)汽輪機(jī)控制、鍋爐燃燒控制、汽輪機(jī)旁路控制等各個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行，使整個(gè)機(jī)組都可以保持安全穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)可以滿足不同負(fù)荷變化所帶來的壓力。

3.3 公用設(shè)備控制，升級(jí)自動(dòng)化管理水平

DCS 對(duì)于公共設(shè)備控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)上總體要求，是要各個(gè)公共設(shè)備能夠共同服務(wù)與多臺(tái)機(jī)組鍋爐和電主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系和協(xié)同控制，而且需要在DCS 自動(dòng)控制設(shè)備上對(duì)多臺(tái)單元機(jī)進(jìn)行監(jiān)視與操作。在技術(shù)允許的條件下，循環(huán)水泵等重要的設(shè)備控制功能都應(yīng)該在單元機(jī)組DCS 中得以實(shí)現(xiàn)，公共控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為獨(dú)立的DCS 系統(tǒng)，并且設(shè)計(jì)出完整的DPU 和人機(jī)界面。按照比如OPC 協(xié)議等通用協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以保障良好的通信效果。當(dāng)公用設(shè)備控制系統(tǒng)并沒有設(shè)置出單獨(dú)的人機(jī)界面時(shí)，就必須設(shè)計(jì)出獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，而且該通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是冗余的。

通過隔離網(wǎng)關(guān)或者是路由系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)多臺(tái)單元機(jī)組與主系統(tǒng)的DCS 通信，具體功能包括任意主系統(tǒng)均能夠利用公共控制系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)、任何關(guān)聯(lián)主系統(tǒng)的人機(jī)界面都能夠?qū)崿F(xiàn)控制和操作功能，但是同一時(shí)間段內(nèi)只能夠?qū)σ粋?cè)主系統(tǒng)進(jìn)行控制，另一側(cè)阻系統(tǒng)則不應(yīng)該具備發(fā)出和接受指令的能力。需要注意的是，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該滿足與公用控制系統(tǒng)聯(lián)系的任何一側(cè)主系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致停運(yùn)時(shí)，不應(yīng)該影響到另一側(cè)主系統(tǒng)監(jiān)視和控制功能。

4 火力發(fā)電DCS 自動(dòng)化技術(shù)軟硬件要求

硬件和軟件系統(tǒng)的要求包括環(huán)境要求、抗干擾要求、可靠性要求等環(huán)境要求，是指DCS 系統(tǒng)硬件需要在良好的環(huán)境條件下保持正常的運(yùn)行狀態(tài)。比如，控制室溫度應(yīng)該控制在5～40℃；安裝現(xiàn)場(chǎng)溫度應(yīng)該控制在零下25～55℃；儲(chǔ)存環(huán)境溫度應(yīng)該控制在零下40～85℃；允許濕度應(yīng)該在90%～96%。振動(dòng)情況應(yīng)該控制在頻率在10赫茲到150赫茲，抗干擾主要是指抗電干擾?？煽啃砸笫侵父鞴δ茉O(shè)備不會(huì)被隨意更改和損壞，任何單件出現(xiàn)故障與損壞不會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。DCS 應(yīng)該具備診斷故障的功能，并且可以將診斷數(shù)據(jù)通過通信頻道發(fā)送給主機(jī)。

軟件要求包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求、通信速率要求、電源系統(tǒng)要求等。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般會(huì)采取分級(jí)層次化的結(jié)構(gòu)類型，通信速率應(yīng)該控制在能夠滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳遞信息的要求，節(jié)點(diǎn)通信速率應(yīng)該達(dá)到每秒100Mbit，I/O 通信速率應(yīng)高于每秒1Mbit。

5 結(jié)語

DCS 自動(dòng)技術(shù)對(duì)于提高或電廠生產(chǎn)效率以及安全保障能力上能夠發(fā)揮出顯著的效果，但是該項(xiàng)技術(shù)較為復(fù)雜，需要火電廠投入充分的精力以及資源才能夠使DCS 技術(shù)發(fā)揮出最大價(jià)值。本文對(duì)DCS自動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了淺要的介紹，目的是能夠使火力發(fā)電廠認(rèn)識(shí)到，DCS 技術(shù)的普及將成為火力發(fā)電廠未來發(fā)展進(jìn)程中最為重要的技術(shù)手段，將直接關(guān)系到火力發(fā)電廠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，所以該項(xiàng)技術(shù)的具體利用必須能夠迎合火力發(fā)電廠運(yùn)行實(shí)際，不斷完善、不斷優(yōu)化，要真正促進(jìn)其為火力發(fā)電廠帶來經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，也將成就我國火力發(fā)電廠高科技發(fā)展。