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电厂自动控制第一章火电厂DCS控制系统简介 彭司华浙江大学电厂热能动力及自动化研究所 本课程目录 第一章火电厂DCS控制系统简介第二章基于Matlab的控制系统分析与设计基础第三章热工自动调节系统的分析与整定第四章火电厂单元机组控制系统 第一章火电厂DCS控制系统简介 1 1DCS系统概论1 1 1DCS系统简介DCS是分散控制系统 DistributedControlSystem 的简称 国内一般习惯称为集散控制系统 它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统 综合了计算机 Computer 通讯 Communication 显示 CRT 和控制 Control 等4C技术 其基本思想是分散控制 集中操作 分级管理 配置灵活 组态方便 DCS的构成方式 DCS的构成方式十分灵活 可由专用的管理计算机站 操作员站 工程师站 记录站 现场控制站和数据采集站等组成 也可由通用的服务器 工业控制计算机和可编程控制器构成 过程控制级 处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站 数据采集站等就地实现数据采集和控制 并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机 生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理 如各种优化计算 统计报表 故障诊断 显示报警等 DCS的特点 1 高可靠性由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现 系统结构采用容错设计 因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的失效 此外 由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一 可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机 从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高 DCS的特点 2 开放性DCS采用开放式 标准化 模块化和系列化设计 系统中各台计算机采用局域网方式通信 实现信息传输 当需要改变或扩充系统功能时 可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下 几乎不影响系统其他计算机的工作 DCS的特点 3 灵活性通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态 即确定测量与控制信号及相互间连接关系 从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面 从而方便地构成所需的控制系统 DCS的特点 4 易于维护功能单一的小型或微型专用计算机 具有维护简单 方便的特点 当某一局部或某个计算机出现故障时 可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换 迅速排除故障 DCS的特点 5 协调性各工作站之间通过通信网络传送各种数据 整个系统信息共享 协调工作 以完成控制系统的总体功能和优化处理 DCS的特点 6 控制功能齐全控制算法丰富 集连续控制 顺序控制和批处理控制于一体 可实现串级 前馈 解耦 自适应和预测控制等先进控制 并可方便地加入所需的特殊控制算法 8家国外公司垄断电厂DCS 过去 国内大型发电机组分散控制系统 DCS 一直是从国外进口 被原能源部 电力部热工自动化领导小组指定的八家国外公司产品所垄断 限定的8家DCS ABBINFI90ContronicProcontrol西屋Ovation西门子Teleperm福克斯波罗I A日立HIACSMCSMAX 2002年6月8家限制废止 关于撤销原 部热工自动化领导小组 通知各有关单位 1992年 1994年期间 原能源部 电力部热工自动化领导小组根据热工技术的发展趋势对微机分散控制系统 简称DCS 在火电大机组上应用的问题提出了指导性意见 根据DCS产品的先进性及其在火电厂的应用业绩 工程经验及与国内制造厂家合作等情况 曾先后提出了推荐的DCS产品供工程招标选用 该指导性意见在DCS技术引进初期 对促进其推广应用 规范市场竞争 降低造价 促进技术进步 支持国产化等方面发挥了重要的作用 为适应我国加入WTO后的要求 经公司研究决定撤销原部热工自动化领导小组 原领导小组关于DCS选型的推荐意见也同时废止 各发电企业在今后的DCS招标工作中可根据工程的需要通过公平竞争自行选择适用的产品 国家电力公司办公室2000年6月11日 1 1 2国产三大DCS系统介绍 上海新华控制技术 集团 有限公司北京和利时系统工程股份有限公司浙大中控 上海新华控制技术 集团 有限公司 新华公司继上世纪80年代末期成功研制汽轮机数字式电液控制系统DEH 结束了我国大型汽轮机自动控制系统DEH完全依赖进口的历史 使新华公司国产DEH在中国市场的占有率超过60 以后 90年代中期 新华集团独立开发出拥有自主知识产权的分散控制系统XDPS 400 并由其控股的新华控制工程有限公司首次用于国内300MW机组 上海新华控制技术 集团 有限公司 在贵州盘南电厂一期工程4 600MW分散控制系统招标中 新华公司DCS系统在与ABB BAILEY WESTINGHOUSE MAX 北京和利时等DCS的激烈竞争中 一举中标2台600MW机组 新华公司国产DCS系统XDPS 400 中标该项目 标志着国产DCS系统首次进入600MW机组 上海新华控制技术 集团 有限公司 继2002年首次在新建300MW机组应用以来 截止2003年10月 已有42套国产DCS系统XDPS 400 在新建300MW机组应用 贵州盘南 响水 电厂此次采用新华公司XDPS 400 系统 打破了国内600MW机组DCS市场被进口DCS一统天下的局面 对实现电站自动控制行业重大装备国产化有着积极的意义 上海新华控制技术 集团 有限公司 XDPS 400 北京和利时系统工程股份有限公司 和利时公司创业于1993年3月 经历了十年的历程 公司由原来电子部六所的一个事业部发展成一个拥有1500多项工程业绩 员工600人 几类成熟先进产品的现代企业 公司注册资本1亿元人民币 北京和利时系统工程股份有限公司 和利时公司已培育出工业自动化各行业 核电 火电 热电 化工 石化 水泥 玻璃 制药 造纸等 轨道交通 城市轻轨 地铁综合自动化监控系统 铁路信号自动化系统 机电产品 数控电机 电子政务以及电力线载波等管理系统的专业化设计与实施能力 北京和利时系统工程股份有限公司 该公司的主要产品 MACSSCADA大型综合监控系统 MACS大型分散控制系统 HOLLiAS第四代分布式控制系统 HOLLiAS PLC可编程控制器等产品 北京和利时系统工程股份有限公司 HOLLiAS第四代分布式控制系统 浙大中控 浙大中控以工业自动化国家工程研究中心 工业自动化国家重点实验室和浙江大学先进控制研究所为依托 自93年成立以来 目前总资产8000多万元 净资产5000多万元 拥有员工400多人 其中具有高级职称或硕士以上学历的占到了总人数的40 浙大中控 开发出一系列具备国际先进水平的工业自动化新技术 新产品并成功实现了产业化 铸就了 SUPCON 与 浙大中控 这两个国内工控界的著名品牌 浙大中控 浙大中控于93年在国内率先推出了双机热冗余的SUPCONJX 100DCS 填补了国内空白 之后又相继推出了JX 200 JX 300 JX 300X系列DCS 浙大中控 在此基础上 又融合了最新的现场总线技术 嵌入式软件技术 先进控制技术 网络技术等 推出了新一代基于网络技术的控制系统WebField 使工业自动化系统真正实现了网络化 智能化 数字化 浙大中控 目前浙大中控的系统已大量应用于石化集团 福建炼化 广石化 吉化公司等全国29个省市共600多套 国内市场占有率已达20 以上 在国产系统中市场占有率高达50 以上 居同行业首位 1 2西门子DCS控制系统简介 1 2 1西门子TELEPERM XPDCS控制系统 TELEPERM XP系统概貌 系统采用电厂总线 终端总线两级总线结构 通信介质为光纤 分为3个信息级 1 自动控制级 自动控制单元AS620挂于电厂总线工业以太网上 用以实现过程任务的控制 2 过程级 包括组控制和单独控制 信息处理单元 PU 和信息服务单元 SU 位于电厂总线与终端总线之间 用以处理 协调和储存来自底层的自动控制级及上层操作员级的信息 3 操作监视级 操作员终端 OT 以及厂级信息系统接口与终端总线相连 两级总线网通过星型耦合器监视模件中的开断点 实现环形结构 1 2 1西门子TELEPERM XPDCS控制系统 TELEPERM XP 是西门子公司专门为电厂开发设计的控制系统 该系统主要由五大部分组成 实现过程自动控制的自动控制系统 AS620 实现操作和监视的中央过程控制和信息处理系统 OM650 具有诊断功能的计算机系统 DS670 实现系统组态和设计的系统 ES680 还有连接所有AS OM DS ES的SINEC总线系统 SiemensNetworkCommunication 局域网LAN 以太网 标准机柜 屏蔽条 SAE机柜接线单元 按需安装 总线电缆槽 机柜灯 带自动断路器及抑制二极管的输电模件 FUM子机架 电源条 带有接入端子的二极管盒用于冗余的24VDC供电 双AP子机架 屏蔽接线板 过程电缆槽 II C监视分配模件 SIMATICNET工业以太网 AS620自动控制系统 OM650操作和管理系统 ES680工程设计系统 DS670诊断系统 CT675调试工具 TXP模块结构 分布型 面向功能 ExternalNetwork 处理级 成组控制级 单项控制级 现场级 OT OT ES DS OT SU PU PROFIBUS DP FUM B FUM B DP PA Electric actuators ET200 PROFIBUS PA AS interface SIM T SIM B SIMOCODE DP ASi OT OT DT ET AP APT TELEPERMXP系统结构 S5E A S5E A S5 AG AP AP PROFIBUS XU Router S5 AG AP AP 什么是S5 S7 西门子公司的可编程控制器产品序列 可编程序控制器 PLC 可编程序控制器是一种以微处理器为基础的数字控制装置 一般包括以下几个部分 中央处理器 存贮器及扩展板 I O接口 通信接口 扩展接口 编程器 PLC作为一种很有特色和很有发展前途的控制设备 就目前的应用特点来看 主要用于有大量开关量和少数模拟量的控制系统中 AS620自动控制系统 AS620自动控制系统担负基本的自动化控制任务 它从过程中采集测量值和状态值 完成开环和闭环控制 并把产生的命令送往过程 AS620是T XP系统与过程的接口 它将OM650过程控制及管理系统所需信息从过程传送到操作及监视级 并把OM650所发出的命令传送给过程 FUM B FUM B SIM SIM AS620B集中或分布的基本型自动系统 利用SIM进行信号输入输出 所有的部件及FUM可以以冗余方式运行 利用FUM进行信号采集 开闭环控制 冗余的机柜总线及FUM接口 分布式应用 集中式应用 电厂总线 机柜总线 AP FUM B 类 FUM F 类 FUM210 最多8 FUM360 最多24 FUM210 最多4 FUM210 最多28 FUM310 最多16 FUM280 最多2 FUM230 最多16 FUM330 最多4 FUM232 最多28 FUM232 最多14 FUM531 最多4 4 FUM511 最多16 16 AS620B AS620F FUM531 最多4 4 FUM511 最多16 16 FUM B的功能 冗余模件 驱动控制 步进闭环控制 开关量信号处理 连续闭环控制 模拟量信号处理 20mA 热电偶 热电阻 模拟量信号耦合I O 开关量信号耦合I O AS620BTELEPERMXP的结构 远程I O FUM 远程I O ET200 ET200 SIM ET200 DP PA DP ASi PROFIBUS DP现场总线 Automation processor PROFIBUS DP现场总线 电厂总线 Automation processor Automation processor 接线架 Trunccable FUM 功能模件 智能现场设备 配电柜 子配线盒 SIM 信号模件 FUM AS620B非冗余AP及功能模件的配置 FUM B IM FUM B IM FUM B IM FUM B IM FUM B 1 4 1 4 机柜总线 CPU CP IM IM 电厂总线 非冗余AP架 SIMATICCPU 机架19个插槽 AS620B冗余AP及功能模件的配置 FUM B IM IM FUM B IM IM FUM B IM CPU CP IM CPU CP 冗余AP架 SIMATICCPU 机架19个插槽 Max 6FUM Bracksinterconnected 机柜总线 电厂总线 AS620B种类很少却可提供各种功能的FUM模件 M PID FUM210 FUM232 FUM280 FUM230 驱动控制步进控制状态信号处理 传感器信号热电偶及热电阻信号处理 连续型闭环控制 传感器信号模拟量信号处理 AS620B非冗余AP及信号模件的配置 SIM IM SIM IM SIM 1 5 CPU CP IM IM PROFIBUS DP 电厂信号 现场总线 非冗余AP架 SIMATICCPU 分布外设单元ET200 AS620B具有PROFIBUS接口的现场设备的分布式控制 Sensors DP PA Link PROFIBUS PA SIMO CODE ET200U M DP AS iLink AS i PROFIBUS DP ET200M SIPOS5 Y Switch Y Switch IM CPU CP IM CPU CP PROFIBUS DP PROFIBUS DP 带冗余现场总线接口的现场设备 带冗余PROFIBUS主站的冗余AP 冗余现场设备 非冗余现场总线 具有现场总线接口的现场设备 AS620T SIM T SIM T OM ES 用于汽轮机的快速闭环控制 AP APT SIMADYN处理单元用于快速闭环控制 位置控制 燃汽轮机及蒸汽轮机时为6ms SIMT快速信号处理 1ms 闭环控制采取2取1冗余 Plantbus 通过AP与OM通讯 OM650过程控制和管理系统 OM650过程控制和管理系统是功能强大的人机接口 它是对过程进行操作和监视的窗口 OM650 提供过程控制及管理的网络配置 PU SU PU OT OT XU OM 1 4 1 4 OT 终端总线 外部 电厂总线 Router 网络 路由器 Router 当两个不同类型的网络彼此相连时 必须使用路由器 例如LANA是TokenRing LANB是Ethernet 这时你就可用路由器将这两个网络连接在一起 如图所示 OM650 紧凑型配置用作OM或OM ES以满足各类需求 电厂总线 CU OM mMT Terminal mMT Terminal OM650 通过现代软件结构实现高度的运行性能及模块化 UNIX 统一的人机接口 全网络的功能分配 全网络的数据分配 人机接口 过程控制 过程信息 过程管理 数据库管理系统 图形系统 通讯系统 OM650 过程控制对电厂数据的直接存取 电视实况显示报警处理 故障检测报表报警 事件报表运行报表状态报表 分层显示结构电厂模拟图过程显示曲线棒图动态特性操作窗 指示窗 细节窗动态功能图 OM650 过程信息所有的数据存取于一个系统 长期存档性能计算锅炉部件寿命监视和应力估算电厂统计事故追忆电厂部件维护 服务操作次数及事件记数笔记本数据输入 输出 编程接口环境监视 OM650 过程管理优化电厂运行 给水加热器 温差比 利用率给水泵 热力效率 能量平衡蒸汽发生器 效率计算空预器 效率 温差比 利用率 泄漏率蒸汽轮机 效率 轴输出功率冷凝器 温差比 利用率 污秽情况热力函数 蒸汽熵 蒸汽焓 水焓 蒸汽及水量日热效率锅炉部件寿命及寿命耗损 OM650 电厂画面 屏幕眉标 电厂画面标题 电厂画面画面选择图符模拟量开关量 屏幕底标 OM650 大屏幕显示 单幅显示与操作画面 四幅显示与操作画面 多屏显示 OM650 实况显示窗 OM650 数据存贮短期存档 OT PU AS PU中全部数据的短期存档 信号 状态 计算量和报警 开关量与模拟量 所有信号的存贮量约为12小时 每20秒存入长期存档库一次 短期存档设计为环状存贮的RAM结构 环状存贮器可调整600000信号 短期存档 Terminalbus Plantbus OM650 数据存贮长期存档 SU OT PU AS MOD 以与短期存档相同的密度长期存档所有的数据 长期存档设计为环状存贮的硬盘结构 所有信号的存贮容量约为8天 转存数据至光盘 直接访问光盘上所有的数据 光盘的存贮容量约为24天 长期存档 环状存贮器120 x106信号可扩充 Terminalbus Plantbus OM650 与外系统的通讯 OT OT PU PU SU XU OM AS AS XU OM 数据输出 输入通过SQL访问短期 长期存档库在公共服务器上进行电厂画面和过程画面的仿真 外部网络 终端总线 电厂总线 外系统 OM650 通过ISDN与外系统通讯 PU SU PU 终端总线 OT OT 1 4 ISDN Brouter ISDN Brouter 非TXP产品 XU OM OM650 通过OPC服务器从办公访问 PU SU PU 终端总线 OT OT 1 4 非TXP产品 OPC 服务器r Netzwerk 外部l 什么是OPC OPC全称是OLEforProcessControl 它的出现为基于Windows的应用程序和现场过程控制应用建立了桥梁 在过去 为了存取现场设备的数据信息 每一个应用软件开发商都需要编写专用的接口函数 由于现场设备的种类繁多 且产品的不断升级 往往给用户和软件开发商带来了巨大的工作负担 通常这样也不能满足工作的实际需要 系统集成商和开发商急切需要一种具有高效性 可靠性 开放性 可互操作性的即插即用的设备驱动程序 在这种情况下 OPC标准应运而生 什么是OPC OPC标准以微软公司的OLE技术为基础 它的制定是通过提供一套标准的OLE COM接口完成的 在OPC技术中使用的是OLE2技术 OLE标准允许多台微机之间交换文档 图形等对象 OPC现已成为工业界系统互联的缺省方案 为工业监控编程带来了便利 用户不用为通讯协议的难题而苦恼 OM650 利用监控终端总线监控多台机组 OT 终端总线 OT OT PU PU SU 网桥 SU AS AS 终端总线 OT OT PU PU SU 网桥 AS AS 监控终端总线 Unit1 电厂总线 Unit2 Unitn 电厂总线 什么时候用网桥 当两种相同类型但又使用不同通信协议的网络进行互连时 就需要使用桥接器 也就是通常所说的网桥 如图所示 网桥对应OSI参考模型的第二层 包括物理层与链路层 因此网桥只能连接同一类型的网络 如以太网与以太网 OM650 终端总线级多台机组间的通讯 OT OT 终结总线 PU SU Bridge AS AS PU OT OT 终结总线 PU SU AS AS PU 电厂总线 电厂总线 Unit1 Unit2 ES680 服务于全TELEPERMXP系统的工程系统 AS620 1 M T T T T P OM650 ES680 DS670 子机架布置机柜布置 过程操作过程信息近程管理 逻辑图 接线图转接盒布置 电厂总线 拓扑结构图 布置图 ES680 分阶段工程设计 AS620T SIMATIC AS620B CU OM ES ES OM 终端总线 PU SU AS620B 网关 DS 电厂总线 大电厂工程采用强大的网络方案 紧缩方案 ES DS ES680 0 00 A W F B F B F B F B F B F B F OM650人机接口设计 dimension 图符库 标准图符库 通过拖拉方式布置标准图符 画面设计方便 自动安排操作窗 细节窗和标准图符 画面设计 DS670诊断系统 DS670诊断系统是提供信息和诊断功能的工具 它能作详细的系统状态评估和系统分析 它显示所有自动化系统的故障报警 包括故障部件的信息 电厂总线 工业以太局域网SINEC 在T XP系统中 AS620 OM650 ES680 DS670子系统之间的通讯任务由电厂总线SINEC来承担 在T XP系统中采用的总线是一种符合国际标准的工业以太局域网络 LAN 采用工业以太局域网 无通讯限制 SIMATICS5 AS WAN 工业以太网 工业以太网 CS275 ES 网关 DS 网关 网桥 CP CP CP CP CP OM CP 什么时候用网关 当连接两个完全不同结构的网络时 必须使用网关 例如Ethernet网与一大型电脑主机网络 例如IBMSNA 相连 必须用网关来完成这项工作 如图所示 网关工作在OSI模型的最高层 应用层 在转换信息包格式时 必须将各层协议一一转换 LAN 用作终端总线电厂总线 CP AP CP AS CP PU CP OM AP CP AS FO 虚拟环 星型耦合器 光纤电缆 FO 星型耦合型 星型耦合型 LAN全DCS系统的时钟同步 CT OT AS PU SU OT DS ES OT DT AS OT ET GPS DCF 终端总线 电厂总线 时间发送器 Trans mitter 时钟接收器 每10秒1次 PCS7 1 2 2西门子新一代过程控制系统 PCS7 随着工业自动化过程控制理论和计算机技术的迅猛发展 以及对工业自动化过