火电厂当前DCS应用设计探讨.doc

火电厂当前DCS应用设计探讨河北省电力勘测设计研究院 胡立国摘要：本文简单叙述了DCS概念的提出、DCS的应用及其发展，并分析了DCS的应用现状和现场总线的应用前景，对当前火电厂热工自动化设计中现场总线的采用与DCS应用的改进谈了自己的看法，指出在提高火电厂自动化水平方面，设计者应努力的重心，与同行探讨。关键词：火电厂 DCS 现场总线一 DCS概念的提出1. 计算机控制本世纪六十年代以前，工业控制过程还均由常规模拟仪表组成，具有可靠性高、成本低、抗干扰能力强等许多优点。但是，随着生产的发展，以及对控制系统功能、精度的要求越来越高，常规模拟仪表组成的控制系统的局限性也表现的越来越明显，尤其是难以实现对多变量相关对象的控制，实现复杂控制规律非常复杂；控制盘的尺寸越来越大，集中监视困难；对控制规律的变更难以实现。随着计算机技术的发展，为计算机应用于控制系统创造了条件，依靠编制计算机软件完成高级和复杂的控制规律，控制规律的变更和调整仅需改变算法、修改或重新编制软件即可实现，克服了模拟仪表控制所无法克服的局限和缺点，给控制领域带来了无限光明。五、六十年代，控制领域内开始进行计算机控制实验，在电厂热工自动化领域，早在1965年，美国小吉普赛电厂率先进行直接数字控制而以失败告终，我国上海南市电厂与此同时也进行过此项实验，其后，北京石景山电厂在此方面也作过积极的工作，都未取得成功。原因是，当时的计算机硬件不很可靠，一台计算机完成数十甚至上百个控制回路，软件的编制也就相应繁杂错综，一旦硬件或软件出现故障，整个控制系统失败，这注定了计算机控制系统可靠性低、危险十分集中。2. DCS概念的提出及当时的控制思想七十年代初期，随着大规模集成电路的出现，各种各样的由大规模集成电路芯片构成的计算机相继问世，这些可靠性极高、体积小、价格低廉的元器件为新型计算机控制系统的研制提供了物质基础。吸取模拟控制系统可靠性高的优点，接受原来计算机集中控制失败的教训，七十中期，控制界提出了“分散控制，集中监视”的控制概念，从而掀起了控制领域的革命。新一代控制系统集散控制系统（DCS）产生并迅速发展成熟起来。在此，我想指出的是：控制系统发展到今天，远程I/O的应用，现场总线控制系统（FCS）概念的提出与发展等等，从控制本质上都符合当时提出的“分散控制，集中监视”的控制概念。二 DCS现状及发展目前，DCS生产厂家众多、竞争激烈、各有特色。二十万千瓦以上新建机组均配备了DCS控制系统。为了开拓市场，许多制造厂家推出了小型DCS系统，大大降低了价格，相当大部分十万和五万千瓦机组也都由DCS系统实现其监视控制。在火电厂自动化方面，已有数百套DCS系统成功应用于火电机组的监视控制中。1、控制范围DCS控制系统实现了“分散控制，集中监视”的控制思想。在功能上，已包括了DAS、CCS、SCS、FSSS（BMS）、DEH、ETS等大部分的机组控制监视任务。其中DAS、CCS、SCS已无可争论的由DCS来完成。近几年，DCS承包商在承接DCS控制系统的施工及应用调试中，积累了丰富的火电厂运行经验，熟悉了FSSS的任务及功能，在消化吸收的基础上，成功的将FSSS纳入DCS，由DCS完成锅炉的各项保护，以及燃烧和负荷管理任务，称其为锅炉燃烧管理系统-BMS（BURNER MANAGER SYSYTEM）。现在，多数火电机组DCS招标时已明确标明，DCS系统应包括DAS、CCS、SCS、BMS等功能。我们再谈一谈汽轮机调节系统。DEH和汽轮机关系十分密切，没有配套良好的DEH，汽轮机的功能和性能无法尽善尽美的发挥出来，因此、国外汽轮机生产厂十分重视DEH的生产，DEH毫无例外的由汽轮机厂配套供应，汽轮机厂中都有一批经验丰富的DEH专业队伍和专门的生产工厂，即使有外购配套部件，也在其整体设计框架的范围之内。这不仅有利于汽轮机厂的整体竞争力，也有利于发挥各自优势和采用成熟的技术。而国内汽轮机生产厂家大多不重视DEH的研究与开发，给专业DEH生产厂家配套各汽轮机厂汽轮机产品提供了机会而快速发展起来，造成多家汽轮机依赖唯一DEH生产厂家的局面。近年来，汽轮机生产厂家和用户都有改变这一局面的愿望，但汽轮机厂家都不生产DCS，对DCS 不甚了解，又造成了国外DCS生产厂家进军渗透各型汽轮机的机会，WESTING HOUSE、BALLEY、ABB等公司已成功把我国汽轮机的DEH 纳入其DCS系统。因此在汽轮机和DCS条件允许的情况下，将DEH纳入DCS亦为技术成熟的选择。2、控制算法在工业生产发展的同时，控制领域的发展也日新月异，许多成熟的控制理论逐渐应用于生产，由最初的单回路PID控制，到多变量、非线性控制，到现代控制理论的发展，自动辩识自动建模的自适应控制、模糊控制、专家控制系统等控制技术的成熟，为完成生产过程的最优控制提供了条件。这些先进的控制技术在航空航天领域展现了无尽的风采，甚至在一些家用电器内都采用了先进的控制技术，象空调、全自动洗衣机都运用了模糊控制技术。在火电厂生产过程中，计算机的采用为在火电厂采用先进的控制技术提供了物质基础，靠计算机软件的编制来实现复杂控制算法变得相对容易。但是，由于PID控制的鲁棒性强、原理简单明了、参数易于整定、已为火电生产领域控制工程师所熟悉等诸多优点，另外，又由于火电机组生产过程的大迟延、非线性等不利于控制的因素的存在，这诸多因素导致了目前火电厂生产过程的自动调节绝大部分为PID控制，高级控制算法应用甚少，远未发挥以计算机为核心的集散控制系统的强大功能。机组自启停、汽轮发电机组自诊断等技术早已成熟，但在许多采用DCS控制的电厂仍未采用。磨煤机负荷控制、出口温度控制、入口负压控制，现在大多数仍然采用独立的PID控制，由于这些控制回路耦合严重，多数不能理想工作，甚至成为空摆设。因此，随着计算机控制技术的不断进步，火电控制领域的软件应用未能跟上发展，DCS承包商和火电厂控制领域工程师在控制方案方面尚需努力，应用前景非常广阔。3、物理结构前面已经提过，DCS是吸收常规模拟仪表控制的优点（分散控制），改变了常规模拟仪表控制的局限性（集中监视困难、灵活性差），充分利用计算机强大的计算逻辑能力而形成的控制分散、监视集中的控制系统。在此就这两方面简单叙述DCS的应用现状。控制分散包括两方面内容，一为功能分散、一为物理分散。DCS系统的本质就是分散控制，各生产厂家在结构上均按功能实现了分散，利用数据高速公路将各控制机柜联系为一整体，实现资源共享。但由于当时的应用环境：电厂的工程环境差、许多用户对DCS硬件的可靠性心存疑虑，为可靠起见，倾向把DCS控制机柜集中放置于防尘、防电磁干扰、有空调的电子设备间内，大多DCS生产厂家也都愿意把他们的设备放置于工作环境好的地方，因而，目前大多数DCS系统的工作结构几乎都是：在控制室设置操作员站，实现人机对话，完成监视控制；在控制室的后面设置电子设备间，布置各控制机柜；通过大量模拟信号电缆将生产现场的一次仪表信号引入电子设备间的控制机柜，同时，通过控制电缆将控制机柜的输出信号送至生产现场的执行部件。这样就导致了在电子设备间和生产现场之间数量非常庞大的电缆，在电子设备间下需设置电缆夹层才能完成电缆的敷设。计算机技术发展到今天，硬软件都非常可靠，DCS的应用也已非常成熟，控制机柜要求的工作环境并不苛刻（例如北京和利时公司的HS2000的工作环境温度为0-40、工作环境湿度为40-90%；西门子的TELEPERM XP机柜运行环境温度为+5-40、相对湿度要求25时最大95%非凝结），高速数据总线的通讯距离已满足厂房内控制机柜物理分散的要求（例WESTINGHOUSE的WDPF控制站之间的最远通讯距离为6Km，西门子SINEC H1 FO总线虚拟环周长4.3Km），因此，完成DCS系统物理上的分散（例如分别建立锅炉电子设备间和汽机电子设备间，并采用远程I/O），节省大量的电缆和施工费用，压缩施工周期，在技术上已十分可行，并且非常必要。在这里特别提出的是，近几年大多数DCS制造厂开发的远程I/O都充分考虑了现场环境，外壳密封、接线单元和线路部分隔离、采用低功耗元件等许多技术措施，使远程I/O能适应现场环境，无须专门为其建立封闭设备间、加装空调就能良好稳定的工作。利用DCS系统的远程I/O，完成对相对集中测点（象汽包、过热器、再热器金属壁温，汽机金属、发电机线圈温度，给水泵、磨煤机轴承温度）的检测，完成对较独立单元（例如循环水泵房）的检测控制，在火电厂已有应用业绩。由于DCS系统在物理分散过程中发展迅速、方向各异，因此在现阶段的远程I/O产品中，性能、价格各异。有的DCS系统远程I/O产品价格和传统I/O卡机柜价格相近，而有的远程I/O机柜价格昂贵，而少数DCS制造商尚未开发出自己的远程I/O产品。近几年，国内仪表生产商成功开发出自己的分布式测控网络，比较有代表性的有南京总参工程兵工程学院微机测控技术研究所开发的893-数据采集网络，锡山市阳山仪器仪表厂生产的IDAS智能数据采集网络。结构上有相似之处，采用智能数据采集前端（素称黑匣子，采用较高的防护等级，可直接放置于现场测点附近）就近布置于生产设备附近，采集过程参数并进行工程变换、越限报警等数据处理，通过串行总线和置于主机内的网络适配器与主机进行数据通讯。现在已大量应用于火电厂数据采集系统，在小机组生产过程监控方面应用非常广泛，在某些大中型火电机组采用DCS监控的同时，为减小DCS规模，降低DCS价格，对一部分数据的监视也采用国产数据采集网络，通常称之为小DAS，其缺点是它的主机一般采用工控机，其监视器与DCS的操作员站不够协调，另外，又增加了一个监视点。为此在一些电厂的设计中，取消了小DAS的监视器，利用其数据采集与处理功能，采集过程参数，通过其主机的RS232、RS485串口把采集到的参数传给DCS进行监视，相对DCS而言，称之为远程智能I/O。在控制系统的配置中到底采用DCS一体化的远程I/O，还是采用国产化的远程智能I/O，需要根据DCS的具体情况进行技术经济性比较而定。对远程I/O开发比较成熟，价格不是很贵的DCS系统，建议选用一体化的远程I/O，这样设备选型统一、便于施工管理，设备间的工作也更协调，通讯也更可靠，价格和选用国产智能I/O产品相差不大。对于没有远程I/O，或者远程I/O产品非常昂贵的DCS系统，可以选用国产智能I/O产品，但要充分考虑DCS和远程智能I/O产品的通讯问题（例如可行性、可靠性、通讯速率等），也要作好两家在通讯编程上的协调工作。另外，在监视方面同样是由于人们对DCS可靠性的信赖程度的原因，在采用DCS监视控制的同时，仍然保留了BTG盘。目前，集散系统的可靠性为取消BTG盘提供了基础，已为工程实际应用所证明，为火电机组控制工程师所接受，键盘、CRT监控方式为运行操作人员所熟悉。CRT技术的发展，大屏幕的成熟应用又为其创造了方便的条件。实践证明：取消BTG盘，实现全CRT炉机电集中监控是可行的，同时缩小控制室面积，减员增效。三 DCS发展的趋向现场总线控制系统（FCS）1. 现场总线的概念及应用前景几年来，DCS在工业生产过程中广泛应用，其优异的表现带来了巨大的经济效益和社会效益，工程人员对其信赖感备增，数字化控制的特点和优越性越来越深刻的被人们所认识。同时，随着工业生产过程控制水平的提高，检测控制项目越来越多，控制系统规模亦随之越来越大，信号、控制电缆数量变得非常庞大，电缆费用、电缆安装费用在控制系统投资中占了相当大的比例，电缆敷设也加长了施工周期，这些模拟信号的传输成为阻碍控制系统发展一大障碍。因此，广大工程技术人员对变革DCS系统，实现全数字控制系统，取消模拟信号电缆，组成彻底的“分散控制，集中监视”的控制系统的愿望越来越强烈。微电子技术、计算机网络技术的发展为实现彻底的分布式控制系统创造了条件。在这种环境下，现场总线（FIELDBUS）的概念提了出来。现场总线是指在生产现场的测量控制设备以及控制中心之间实现全数字、双向、串行、多节点数字通信网络，基于这种开放型的工厂底层控制网络构造了新一代的网络集成式全分布控制系统现场总线控制系统（FCS）。现场总线系统有如下技术特点：l 现场控制设备具有通信功能，便于构成工厂底层控制网络。l 通信标准的公开、一致，使系统具备开放性，设备间具有互可操作性。l 功能块与结构的规范化使相同功能的设备间具有互换性l 控制功能下放到现场，使控制系统结构具备高度的分散性现场总线系统的应用使自控设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域，一对双绞线上可挂接多个控制设备，节省电缆及安装费用，节省维护开销，为用户提供了更为灵活的系统集成主动权，对现场设备的诊断也更加方便，在控制领域将是一场革命性的变革。2. 现场总线的应用现状现场总线概念的提出，促进了控制领域的变革，同时也为控制领域商家创造了巨大的商机，各生产厂家积极加入制定现场总线标准、开发现场总线产品的行列中。有实力的国际大公司都努力制定自己的现场总线标准，力争以自己的标准和产品影响国际标准的确定，因为其中隐含着其将来的市场占有份额和商业利益，为将来的商业竞争占据有利地位。过去的十年间，出现了多种现场总线标准，如：德国Bosch公司的CAN总线，美国Echelon公司的lonwork总线，德国标准的profibus总线，以罗斯蒙特为首的HART协议等等，呈现了各种标准纷争的局面。由于市场竞争激烈，国际性的标准化进程十分缓慢，1992年形成了两大集团组织：ISP和World FIP。但现场总线标准仍未统一，广大用户对选用现场总线产品持观望态度，这同样影响了两大商业集团的利益，因此，在两大集团竞争过程中，又出现了联合的趋势。1994年，两大集团成立了现场总线组织FF（Fieldbus Foundation）及FF用户协会。FF组织的成立标志着现场总线标准有可能统一，基于统一现场总线标准的的FCS才有实际意义。但是，虽然FF成立了，在制定统一标准过程中的竞争依然会十分激烈，另外现场总线标准的制定几乎牵涉到每个工业领域，有许多技术难点.另外由于不同行业的特点、习惯的继承等问题，从应用实验，到推广应用还是一个长期的过程。目前，各厂家仍然采用各种各样的网络总线，例如国内电子部六所和利时公司采用的是CAN总线、罗斯蒙特采用的是HART协议、德国西门子采用PROFIBUS总线，智能仪表、智能控制设备也不齐全，协议也不统一。因此，FCS大规模应用的条件仍未成熟四 当前热控设计中的工作重点总结以上内容，根据火机组控制的特点以及DCS、FCS的发展现状，在当前阶段火电厂控制系统设计中，我们应着重在以下几个方面做工作，降低控制系统造价，提高控制水平，改善调节质量。1. 把电子设备间分散开来，在全厂建立几个相对集中的小电子设备间，减少电缆用量。2. 大力推广运用远程I/O，革命电缆和缩短安装工期，对DCS一体化的远程I/O和国产智能远程I/O作技术经