集散控制系统的在电力方面有应用

1、集散控制系统的在电力方面的应用姓名:徐茂涵 班级:自动化03 学号:6102160318 随着科学技术不断发展，一系列先进科学技术被研发出来，使得全球经济发展得到了飞速提高。集散控制系统虽然并非新兴科学技术系统，但其在近几年得到一定的提高与改善，适应了科学技术的发展潮流，在各行各业中得到了广泛应用。不言而喻，其给社会带来很大的效益，但同时也存在一些问题，急需要我们去解决。 一:集散控制系统概述  1.1 含义   集散控制系统，即Distributed Control System，简称DCS，主要指的是在生产过程中进行集中

2、管理与分散控制的一种计算机系统，其随着现代化型工业生产技术不断提高而进步，并且在过程控制越来越复杂的今天，这种综合性的控制系统减少了传统控制的复杂化。DCS属于一种综合性技术，包含了网络技术、计算机技术、自动控制技术及通讯技术等，其将危险进行分散，控制那些集中优化的系统。总的来说，DCS主要包括了三个组成部分，即集中管理、通讯网络和分散控制。  1.2 工作过程对于DCS的具体工作过程而言，包括控制回组态、控制方案的选择及趋势画面的生成等。在制回路组态完成后，便会生成一系列组态信息件当系统开始运行之前，就会根据不同的文件属性行组态信息的分类，将它们分类后下装到各个

3、控单元和操作员站，控制单元能够根据该组态的信件的具体内容，将安置在EPROM（Erasable Programmable ReadOnly Memory）库里的相关控制算法找出来，然后一一执行计算作；结果计算出来之后，利用驱动装置就能将们送到相关的执行机构，从而完成控制的目的；作员站的相关工作人员根据组态所提供的内容，便能对系统生产状况进行监控。  1.3 特点  DCS运用在监控系统中，有着很多优势，其与传统的常规监视控制系统比较，主要具有以下几个方面的特点：  1.3.1 分级递阶

4、式的控制，实现了彼此间的相互协调DCS系统中所具有的分级递阶系统的优点在于各个分级系统拥有自身的分工范围，相互之间是彼此阻碍，而是彼此之间共同协作。一般而言这样的协调合作只需要通过上一分级就能完成。  1.3.2 分散控制能有效提高设备利用率：这里的分散不是单纯的分散控制，其含义还包括了诸如地域分散、设备分散、人员分散、危险分散及操作分等内容。分散控制的主要目的在于分散危险，从而提高设备的可利用率，从而开放系统使其产品更换更加简易化。  1.3.3 开放系统属于专门通讯系统：这种开放系统是以规范化且实际存在的接口作为标准依据，从而建立

5、的网络系统、计算机系统及相关联的通讯系统。这种开放系统具有以下特征：相互操作性、可移植性、可用性及可适宜性。此外，其具有放系统全部的特征，能将控制系统的应用分散，从而使得选择产品及更换产品更加方便。     1.3.4 利用自治与协调性来实现其他控制：DCS自治性主要体现在各个组成部分上，这些组成部分分别需要完成生产中的信号处理、数据集、数据计算及数据的发送等，它们属于各司其职的自治系统，并不会相互妨碍；DCS的协调性主要体现在了通讯系统上，主要作用在于完成各项数据的传输，即分散过程控制装置与操作管理装置之间的数据传输，以及完成数据的协调，即上

6、下级之间或同级之间的数据协调作用。二、电厂自动控制及其系统 汽包水位自动调节系统一般采用典型的三冲量系统或串级系统,在大型单元机组中一般设计有全程调节,因此有单冲量, 三冲量之间的切换逻辑,一般依据负荷来切换。采用启动电泵和汽泵的系统还有电泵与小汽机之间的切换,也依据负荷来切换。大型机组的水位控制一般直接控制电 泵或小汽机的转速,给水调门全开以节约能源。 燃烧调节系统中的送风系统通常采用风煤比加氧量校正,炉膛负压系统与送风系统之间采用动态联系,通常设计有加负荷时先加风再加煤减负荷时先减煤后减风逻辑以及过燃烧逻辑。主汽压力调节系统通常为串级调节系统。 主汽温度调节系统一般以减温水调节为主,辅以尾

7、部烟道档板调节或喷燃器角度调节系统。由于汽温调节对象是一个多容环节,它的纯迟延时间和时间常数都比较 大,在热工自动调节系统中属于可控性最差的一个调节系统,因此专家们也特别关注对这一类系统的研究,许多新的控制策略或控制理论是对这一类系统研究的成 果,如史密特时间预估算法控制,模糊控制,具有观察器的状态变量控制等。 机炉负荷协调控制在大型单元机组中都有设计。通常设计有这样一些运行方式:基本方式,锅炉跟随方式,汽机跟随方式和协调方式。基本方式是因为锅炉和汽机的自动调节系统或多或少存在一些问题,锅炉及汽机主控都在手动方式。 另外,由于机组的自动化水平的不断提高,对机组的运行参数的测量也提出了更高的要求

8、,控制用的参数测量与监视用的参数测量一般都要求有各自的测量元件,控制用的测量参数还需要经过数据保险的有关逻辑以提高控制系统的可靠性。 开环控制包括了联锁保护,顺序控制,选线控制等控制内容。火电厂单元机组中主辅机设备都有联锁保护,如停机停炉的大联锁,一些重要辅机的保护跳闸,备用 泵的自启动,成组设备的顺序启停等。这些联锁保护现在一般都能投入运行而且必须投入运行。顺控方面一般的泵或风机的子组启停控制也都能投入运行,但锅炉风 烟系统大顺控这样的成组控制因为牵涉的设备比较多而很少有经常投运的。 三、电厂DCS功能分析 目前大机组的仪控系统大多选用DCS系统。 DCS系统在火电厂发电机组控制中的应用已有

9、10多年的历史了,而且正在越来越多地得到应用。DCS系统是相对于计算机集中控制系统而言的计算机(或微 机)控制系统,它是在对计算机局域网的研究基础上发展起来的,是过程控制专家们借用计算机局域网研究成果,把局域网变成一个实时性,可靠性要求很高的网络 型控制系统,运用于过程控制领域。这样的控制系统给我们带来以下一些好处: (1)故障分散是推出DCS系统的最大理由,DCS系统就是要解决集中控制系统致命的弱点故障集中。故障分散的理由是DCS系统采用了大量的微处理器,各个微处理器承担一个范围较小的(地域上)控制任务,某个微处理器故障不会影响整个系统的正常工作。 (2)缩小控制室尺寸或控制表盘的长度。 (

10、3)大量缩减控制系统所需的电缆。 (4)大量减少控制系统所需的备品备件种类及数量。 (5)减少工艺生产的运行对仪表控制设备厂商的依赖,减少仪控人员培训所需的费用。 (6)提供了控制系统构成的灵活性,具有组态便利和可扩展性。 (7)实现过程实时参数和历史数据的管理,提供性能计算,设备寿命计算等功能。这是传统的仪表控制系统所望尘莫及的。 DCS系统是否确实给我们带来了这些好处呢? 以一些在火电厂单元机组控制系统中应用的DCS系统来考察,如在浙江省电力系统发电厂中应用的BAILEY的INFI-90,C&E的MOD-300,以及SIEMENS的TELEPERM-ME/XP 等,综合分析如下:

11、(1)关于故障分散。大多数DCS生产厂商现阶段所提供的系统在实际应用中并非象我们想象的那么故障分散。由DCS系统控制的火电厂单元发电机组,因为 DCS系统的某些故障而被迫停运的事情时有发生。这与传统的仪表控制系统相比后者似乎要优于前者。所以DCS系统的构成越接近传统的仪表控制系统,即微处 理器或多功能控制器所承担的控制任务从地域上越分散,越能做到故障分散。 (2)关于控制室的尺寸和表盘长度。这一点所有的DCS系统都能做到大大缩小。不过与传统的仪表控制系统相比,电子室的尺寸和设备相对增加了。 (3)关于节约电缆。由于DCS系统所采用的设备器件在现阶段来说仍然是比较娇贵,需要防尘和空调,REMOT

12、EI/O还不能大量使用,因此,DCS系 统的主要设备都需要安置在条件比较好的电子室,大量的现场信号仍然需用电缆接到电子室。与传统的仪表控制系统相比,电缆有所缩减,但效益有限。 (4)关于减少备品备件的种类和数量。备品备件的种类和数量有所减少,并且需要与之打交道的仪表控制设备制造厂商也有所减少。 (5)关于减少机组运行对仪表控制设备制造厂商的依赖。由于DCS系统在应用技术方面还不能尽如人意,因此,在机组运行时,尤其在机组试行期间,DCS生产厂家的专家服务似乎成了必不可少。使得培训所需花费也有所增加。 (6)关于控制系统构成的灵活性,组态的便捷性和系统的可扩展性。大多数DCS系统的组态也是比较方便

13、的。不过多数系统在在线组态功能方面尚有许多工作 可做,好多系统为离线组态,在工程师站编程,然后编译,再下载。有些系统这一过程比较费时,在调试期间这一问题尤其突出。 (7)关于DCS系统提供的一些独特的控制功能。由于DCS系统可提供历史数据和实时数据的管理,性能计算等功能,把过程控制推向一个新的更高层次的领域。 . MaxDNA系统介绍MaxDNA集散控制系统是由上海仪表自动化有限公司引进美国MCS自动化公司研发的MAXDNA控制系统消化吸收国产化后的产品，功能强大，高效稳定，并且该系统拥有多项世界领先的专利技术，在火电控制领域有很好的应用。该套系统以自动控制为核心，实现了机组的数据采集、处理运

14、算、监视控制、连锁保护等多项功能，包括：数据采集功能（DAS）、模拟量控制功能 （MCS）、旁路控制功能（BPS）、锅炉炉膛安全监控功能（FSSS）、顺序控制功能（SCS）、汽轮机数字电液控制功能（DEH）、汽动给水泵小汽轮 机数字电液控制及保护功能（MEH、METS）、汽机主保护功能（ETS）、电气监控功能（ECS）、锅炉定期排污程序控制功能系统。系统配置。操作员站 MaxSTATION、工程师站MaxSTATION、历史纪录站 MaxSTORIAN、值长操作台、标准的液晶显示器LCD21、特制的操作员键盘和球标、网络彩色屏幕打印机、网络黑白点阵式连续形式的打印机、锅炉系 统RPU机柜组、汽

15、机系统RPU机柜组、DEH&MEH机柜组、公用系统机柜组、配电机柜组、继电器机柜组、工作站机柜组。机组网络原。MaxDNA采用工业以太网为构架的网络拓扑特性，采用星形的网络拓扑结构。多重系统下实现工作站与现场处理单元（RPU）的互为通讯， 并允许全局访问实时数据。双重以太网（Network A 和Network B）提供通讯网络的冗余，提供超过100Mbps全双工的通讯带宽，最大带宽甚至可以达到1Gbps，保证了最大限度的系统可用性和数据容错功能。如图1 所示。图1 MAXDNA系统网络结构图MaxDNA硬件部分。分散处理单元DPU（Distributed Processing Uni

16、t）：DPU直连与MaxNet网络连接，不需通过服务器中转数据。该电厂使用的DPU是新版的Model4E型的DPU，可以执行各种控制运算法 则，顺序控制逻辑，记录顺序事件，精确到1ms。I/O模件包括：开关量输入卡、开关量输出卡、高电平模拟量输入卡件、热电偶模拟量输入卡件、热电阻输入卡件、模拟量输出卡件、计数/时间（脉冲）卡件、I/O总线扩展卡件。各种卡件有不同的容量和适配电源以及工作特性。MaxDNA的通讯网络MaxNet采用符合IEEE802.3规约的双层以太网介质，物理星型，逻辑环型拓扑。具有通讯冗余功能，网络带宽可以高达1Gbps，工作站和DPU4F直连MaxNet网络，它们之间的数据

17、通讯不需服务器中转。系统电源和接地：MaxDNA系统中的每一个RPU柜中有系统电源、变送器电源、逻辑电源。变送器电源提供24VDC给现场变送器，这些变送器发送 420mA电流信号到的AI模件。逻辑电源一般可以是24VDC，48VDC，或110VDC，主要是为提供干接点的开关量输入输出模件提供电源。而 MaxDNA系统的接地也是按照上述三种电源的方式区分接地的。一般分为系统接地，变送器电源接地和逻辑电源接地。与外系统接口服务器：允许其他控制系统通过MaxLINK接口实现外围设备并入DCS系统。MaxLINKS接口服务器的功能使得一切符合标准工业通 讯协议的一些工业子系统的设备，如对一些特殊的大设

18、备进行汽机控制的DEH系统和进行化水处理的分析仪器仪表，都能与DCS系统间进行数据通讯。电气控制系统接入DCS：电气监控系统（ECS）采用开放式、分层分布式网络结构，整个系统分为站控层和间隔层。电气监控设备分为两个部分配置： 发变组、厂用电系统设备控制通过通讯处理机接入电气监控系统100M以太网，电气数据网通过网桥与DCS 100M以太网数据网络通讯联接。 辅机系统电动机设备通过串口通讯（RS232C、MODBUS协议）至电气的通讯管理机，再通过现场总线至电气测控单元，监控相应的设备。SIS系统接入DCS：MaxDNA系统与SIS（厂级监控信息系统）的接口配置单独接口服务器，每一套DCS提供一

19、套SIS接口机，以满足SIS对 实时数据的大量需求。SIS接口服务器通过100M以太网与DCS相连。通讯接口为冗余配置，DCS能在进行数据转换的同时与SIS系统双向交换传输数 据。MaxDNA软件部分。MaxVUE：操作员可完成监视工厂过程状态功能、开始控制动作功能、对报警做出响应并开始纠正动作、监视系统状态、使用按钮 或热点启动、停止、切换至其它Windows应用程序、使用目标的连接和嵌人（OLE）与其它Windows应用程序交换数据。MaxTOOLS包括功能块图、阶梯图、顺序功能框图、指令表、结构文本等各种工具。MaxSTORIAN 允许MCS公司的用户采集、管理和重新获得有关他们的过程运

20、行中的历史信息。 Software Backplane实现了系统内部数据的连接与访问，可以让操作管理人机交互的上层采用的Windows 2000平台与DPU4F采用的嵌入式操作系统Windows CE平台之间进行通讯。2 .MaxDNA分散控制系统实现的主要功能该电厂MaxDNA分散控制系统以热工自动化为核心，实现了机组的数据采集、处理运算、监视控制、连锁保护等重要功能。它实现了如下控制功能：数据采 集功能（DAS）、模拟量控制功能（MCS）、旁路控制功能（BPS）、锅炉炉膛安全监控功能（FSSS）、顺序控制功能（SCS）、汽轮机数字电液控制 功能（DEH）、汽动给水泵小汽轮机数字电液控制及保

21、护功能（MEH、METS）、汽机主保护功能（ETS）、电气监控功能（ECS）、锅炉定期排污程序 控制功能。MaxDNA实现机组生产运行的基本功能框架如图2所示。模拟量控制系统MCS。该系统的基本控制策略采用美国MCS公司的专利技术DEB/400直接能量平衡策略。DEB利用汽机和锅炉固有的物理特性，实 现了机、炉并列系统交叉作用的解耦，采用了这种技术的MCS系统运行稳定，操作简单，调试容易，提高了协调控制的投入率。该系统具有无扰动切换特点，不需 要编程或组态。在重新加载或启动时能与执行结构的位置自动平衡。无扰动切换的特性是MaxDNA 特有的。数据采集功能DAS。据采集系统(DAS)主要负责连续

22、采集和处理与机组有关的测量信号及状态信号，同时以多种形式提供给操作和管理人员，以便操作人员及时了解有关的运行信息，包括：操作显示、成组显示、棒状图显示、趋势显示、报警显示、模拟图显示等。顺序控制系统（SCS）。该系统主要功能是实现单元机组的主要设备功能组在启动、停运及事故状态下的顺序控制，通过连锁、联跳和保护跳闸功能可保证机 组的主要设备的安全运行，在炉启停时减少机组运行人员的常规操作。在MaxDNA系统中，采用了专用的软件模块对应顺序控制系统（SCS）的子组级和设备 级。炉膛安全监控系统（FSSS）。包括锅炉点火准备、点火枪点火、油枪点火、煤燃烧、炉膛吹扫、油燃料系统泄漏试验、燃料跳闸MFT等功能。系统内部结 合该厂自身特点设有大量的逻辑严格控制操作的进行条件，保证了操作人员每一步操作的科学性与合理性。系统中的MFT功能能快速切断所有进入炉膛的燃料，确 保在非安全情况下快速停运燃料设备，