DCS在电厂中的应用及发展方向探讨.pdf

2 2 内 蒙 古 电 力 技 术 I N NE R MON G O L I A E L E C T R I C P O WE R 2 0 0 7年第 2 5卷第 6 期 D C S在电厂中的应用及发展方向探讨 Ap p l i c a t i o n o f DCS T e c h n o l o g y i n P o w e r P l a n t a n d D i s c u s s i o n t o i t s De v e l o p me n t a l T e n d e n c y 陈瑞军 1 , 2 ( 1 天津大学， 天津3 0 0 0 7 2 ； 2 内蒙古京秦发电有 限责任公 司， 内蒙古 薛家湾0 1 0 3 0 0 ) f 摘要1介绍 了当前电力系统 D C S的特点及应用情况 ， 针对电气系统控制纳入分散控制 系统所存在的不足 ，认为建设发 电厂电气监控 系统是当前发电厂机组监控 系统的发展方向， 并给 出了发 电厂 电气监控 系统 的结构及 功能 关键词1发电厂 ； D C S ； 现场总线控制 系统； 电气监控 系统； 监控管理 中图分 类号1 T M7 6 文献标识 码1 C 文章编号1 1 0 0 8 6 2 1 8 ( 2 0 0 7 ) 0 6 0 0 2 2 0 3 火力发电厂的 自动化包括热工 自动化和电气 自 动化 2大部分。热工 自动化由于在新建机组和老机 组 改 造 中 广 泛 采 用 了 分 散 控 制 系 统 ( D i s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m， 以下简称 D C S ) 实现对 机 、 炉 的监 控 ， 其控制水平有了很大的提高 ， 但是电气控制纳入 D C S却存在着很多不足， 以下介绍电力系统 D C S应 用情况 ， 探讨发电厂电气监控系统的发展方向。 1 D C S及其特点 2 0世纪 7 0年代中后期 ，以微小型计算机为核 心， 综合了计算机技术 、 控制技术 、 通信技术和图形 显示技术等的集散控制系统 D C S开始出现。 它利用 多台微型计算机实现地理上和功能上的分散控制 ， 同时通过高速数据通道把各个分散点的信息集 中起 来 ， 进行集中的监视和操作， 并实现复杂 的控制和优 化。 它的设计原则是分散控制 、 集中操作 、 分级管理 、 分而 自治和综合协调。 D C S不仅具有传统的控制功 能和集中化的信息管理和操作显示功能，而且具有 大规模数据采集处理功能 ， 强大的数据通信能力 ， 是 实现先进程控技术和生产管理的有力手段和工具。 D C S已广泛应用于各个行业的过程控制中， 并取得 了显著的经济效益和社会效益 ，就 目前来说 D C S 的发展代表了工业 自动化领域 的发展方向和水平。 1 1 特点 ( 1 )独立性 ： 各工作站通过网络接 口相连， 各 自 独立 自主地完成规定任务。 控制功能与负荷分散 危 险分散 ， 使 系统具有较强的可靠性。 ( 2 )协调性 ：各工作站问通过通信网络传递各种 信息并协调工作 ，完成控制系统的总体功能和优化 处理。采用实时 、 安全 、 可靠的工业控制局部网络和 标准通信网络协议 ， 实现整个系统信息共享。 ( 3 )友好性 ： 操作方便 ， 显示直观 ， 提供 了装置 运行下的可监视性 。 D C S提供组态软件包括系统组 态 、 过程控制组态 、 画面组态 、 报表组态等 ， 极大地方 便了用户设计新的控制系统 ， 进行系统灵活扩充等。 ( 4 )适应性 、 灵活性和可扩充性： 硬件和软件采 用开放式 、标准化和模块化设计 ，系统为积木式结 构， 改变生产工艺或流程时 ， 只需改变系统的某些配 置和控制方案 ， 通过组态软件 ， 进行一些填写表格式 操作即可。 ( 5 )实时性 ： 通过人机接 口和 I O接 口， D C S对 被控对象进行实时数据采集 、 处理 、 记录 、 监视和操 作控制。并可实现对系统结构和组态回路 的在线修 改 、 局部故障的在线维护等。 ( 6 )可靠性 ： 高可靠性 、 高效率和高可用性是 D C S的生命力所在 ， D C S中采用的可靠性保证技术 主要包括 ： 容错设计 ， 冗余设计 、 软件恢复 、 电磁兼容 【 收稿 日期2 0 0 7 1 0 1 6 【 作者简介陈瑞军( 1 9 6 3 一) ， 男 ， 内蒙古凉城县人 ， 毕业于中国社科院研究生院 ， 管理硕士， 高级工程师 ， 主要从事发电企业管理 工作。 维普资讯 内 蒙 古 电 力 技 术 2 3 技术 、 结构 、 组装工艺 的可靠性设计 ， 在线快速排除 故 障 设计 等 1 2 管控一体 化 的 D C S 当 前开放式结构 和集成技术 的广泛 应用 使 D C S向综合化 、 开放化发展 形成了生产过程控制系 统与信息管理系统 紧密结合的管控一体化的新一代 集散控制系统。在数据通信方面则向开放系统互联 模型( O S I ) 方向发展 。各 D C S厂家纷纷将 自己的专 用网络改造成符合同际标准的网络 ，或存专用网络 与普通网络之问加入网关 ， 使得其能与以太 网、 MA P 网等相联。 这种开放型结构使得 D C S可方便地与指 挥生产管理的上位机进行信息交换 ，构成计算机集 成生产系统。 在硬件方 面， D C S 主机采用速度更快 、 容量更大的多处理器或 R I S C工作站 ，而过程控制 则采用 3 2位或更先进的微机 ， 成用智能 I O技术和 现场总线技术 ， 将反馈控制 、 顺序控制和批景控制集 中于一体。 实现各种复杂控制策略和先进控制 。 通过 P L C、 D C S 和其他控制 回路之 间 的接 口将 P I C和 D C S融合在一起， 以适 离散和批量过程控制的要 求 。在大型 D C S进一步完善和发展的同时，小型 D C S的发展也在加快步伐 ，随着 P C机性能的不断 提高和价格的下降， 使得采用 I P C、 配置 了工业控制 组态软件的叶 1 小规模 D C S得到了很大的发展 2 D C S在 电厂 中的应用及存在 的问题 2 1 热工 自动化 在发电厂中热工 自动化在新建机组和老机组 改造中广泛采用了分散控制系统 D C S实现对机 、 炉 的监控 ， 其控制水平有 了很大的提高 D C S通常按 功能划分为 ： 模拟量控制 系统 MC S 、 顺序控制系统 S C S 、 数据采集 系统 D A S等 ， 因为在整个机组 的机 、 炉 、 电控制过程巾， 有些控制系统具有 自己的特色 ， 所以又提出了锅炉炉膛安全监控系统 F S S S 、 锅炉燃 烧 器管理系统 B MS 、 旁路控制系统 B P C、 汽机电调 系统 D E H、 汽机保护系统 E T S和电气监控系统 E C S 以及机炉协调控制 C C S 。目前， D C S在机 、 炉中的应 用技 术已经 十分成熟 2 2 电气 系统 虽然电气 系统重要运行参数 已进入 D C S ， 实现 丫基于 C R T的画面显示 、 越限报警 、 记录等功能 ， 但 是大部分的运行参数和状态仍采用安装存盘台上的 模拟或数字仪表和信号灯显示。电气系统运行过程 的信息反映不完整，更不可能在整个机组的控制中 达到信息共享 ，电气系统的运行操作只能按功能和 项区分，通过单独 没置专用的电气操作开关和按 钮来完成 。电气系统接人 D C S系统仔在的问题有 ： ( 1 )系统接人问题。日前电力系统接人 D C S系 统一般采用所谓的硬连接方式，它的缺点是投资过 大 ， D C S系统的投资随着接入量的数量而增加 。 ( 2 )通信数据问题 ( 3 )通信接口问题。 由于没有统一的规范， 系统 连 接 困难 。 ( 4 )电气联锁问题 。基于 R S 一 4 8 5 R S 一 2 3 2的通 信不稳定， 容易造成通信中断 ， 因此任联锁的通信方 式上采用硬接线方式 。 ( 5 )功能问题。 没有体现出系统接人 D C S实现 联 网 自动化 的优越性 。 可 见： 电气系统的运行监控水平和基于 D C S的 热力系统监控水平形成巨大反差 ，制约了机组综合 自动化水平的进一步提高。 3 发 电厂电气监控管理系统 从 目前的技术来看 ，在接人 D C S的方式上 以 数字通信取代“ 硬连接” ， 增强现有电气系统的功能 研制发电厂电气监控管理系统是发展方向。微机 自 动化系统普遍采用分散分布式技术 ，保护和测齄装 置就地安装于开关柜， 通过现场总线连接起来 ， 经通 信管理机接至后台机 3 1 应用 现场 总线 现场总线是用于现场仪表与控制窄系统之问的 一 种全数字化 、 双向 、 多站的通信系统：因为它与现 场仪表连接 ， 所以在整个通信系统中处于最底层。 由 于它能支持双向多变量通道，这是优于传统通信的 主要优点之 ， 传统的通信是基于模拟或离散技术 ， 4 2 0 mA的模拟电流回路， 只能传输一个参数 而且 只能一个方向， 现场总线是基于数字通信 ， 因 在 现场 与控制室之间能进行多变量双向通信。随着在 通信速率 、通信距离以及抗干扰能力等方面技术的 不断提高 ，利用现场总线构成的现场总线控制系统 ( F C S ) 成 为继 集 中式 数 字 控 制 系统 、 集散 控 制 系 统 D C S后的新一代控制系统。 现场总线的出现 ，将对传统的控制系统带来革 命 ， 因为它可以产牛出先进的现场仪表， 如多变量变 送器， 还可以将 P I D控制模块植入变送器或执行器 中， 当调节功能下放到现场仪表后 ， 传统的 D C S将 会消失。此外 ， 现场总线的应用 ， 可以减少一半到三 维普资讯 2 4 内 蒙 古 电 力 技 术 2 0 0 7 年第2 5 卷第 6 期 分之二的隔离器 、端子柜 、 I O卡件 、 I O文件及 I O 柜子 ， 这样就减少了 I O装置及装置室的空间； 由于 减少 了 D A、 A D变换 ，精度可以从 0 5 提高到- t- O 1 ； 由于减少 了电缆 ， 费用可以减少很多。 3 2 发电厂电气监控管理系统的设计 3 2 1 硬 件 结构 发 电厂 电气 监控 管理系统 通过现 场总线 将 电气 侧众多的保护和 自动装置有机地结合起来 ，经通信 管理装置接至 D C S系统和电气工作站。 基本的控制 仍 由D C S系统完成 ， 电气工作站除实现电气监视维 护等功能外还可以充分利用电气系统联网后信息全 面的优势 ， 加强电气信息的应用 ， 完成较为复杂的电 气运行管理工作。 发电厂电气监控管理系统的硬件框架如图 I 所 示 ， 可以看出： 系统明显地分成三个层次 ， 最底层的 保护测控层设备通过现场总线连接到通信管理层的 前置机，前置机对这些设备的通信信息进行解释处 理，再通过前置机的以太网通信结构上传到电气主 站层的数据库服务器 3 2 作站； D C S系统 与发电厂电 气监控管理系统之间的连接也通过以太网进行。 3 2 2软件 功能 根据发电厂电气监控管理的要求 ，利用组件技 术可将软件体系结构分为 5个部分 ： ( 1 )实时运行子系统 ： 实时运行是整个电气监 控管理的基础和核心 ， 主要负责各单元之间的通信 、 监测、 整定 、 维护和实时数据处理等功能。 ( 2 )数据库组态子系统 ： 数据库组态是一个对 电气系统进行描述的过程 ，为实时运行系统提供必 要的运行参数设置。通过数据库组态子系统可以完 整地将整个 电气系统以数字方式描述出来，并保存 到实时数据库中。 ( 3 )人机界面子系统 ： 人机界面子系统可分为 电气主站层 通信管理层 保护测控层 离线部分和在线部分。离线部分主要提供对画面进 行绘制和组态配置的功能，通过它定义需要显示的 界面， 并对界面中需要显示的信息进行配置 ， 提供用 于显示系统 的报警信息 、 曲线 、 棒图等 ， 以及与历史 数据库有关 的查询和显示功能。在线部分根据实时 运行子系统发送过来的数据信息显示相应的运行信 息 ， 实现系统与运行监视人员的实时交互功能。 ( 4 )报表管理子系统 ： 实现报表的自定义 、 数据 统计 、 打印及存档功能。 ( 5 )高级应用子系统 ： 主要指在实现了电气系 统联网， 并建立电气监控系统以后 ， 可以在主站使用 的一系列的高级应用功能。 4 结论 我国发电厂大容量机组的热工控制系统发展迅 速 ， 而电气系统的整体控制水平则进展较慢 ， 造成整 个机组监控的不协调 ， 且在监控、 管理技术上与国外 水平有较大差距 。现场总线技术 的发展和发 电厂 电 气设备微机化程度的提高，为以数字通信方式实现 发电厂电气接人 D C S 、建立电气监控管理系统提供 了技术上的保证。发电厂电气监控管理系统是进一 步提高电厂 自动化水平 ，特别是 电气运行管理水平 的必然趋势，采用 电气监控管理系统新建或改造发 电厂 D C