大型热电厂机组的控制系统及其技术特点探析

2012-08-15蔡杰

科技视界 2012年30期

蔡杰

（宁夏电投银川热电有限公司宁夏银川 750021）

0 引言

DCS 系统因能充分体现分散控制与集中操作管理的思想，并以先进的技术、丰富的控制功能、友好的人机界面和愈来愈可靠的工作性能等优势，近年来占据了大、中型热电长机组主控的自动化领域。对于热工系统，将其纳入DCS 进行监控，有利于实现机、炉、电一体化控制而成为一种趋势。

1 大型热电厂电机组的特点

1.1 热力系统庞大，生产过程复杂

1.2 由于单机容量大，它的辅机和辅助设备数量多，容量大，结构也复杂

1.3 生产工况变化多、操作频繁和复杂

1.4 大型机组的控制对象和参数多，控制机构多，各种扰动也多

2 当前热电厂机组控制系统发展现状

热电厂的自动化包括热工自动化和电气自动化两大部分，控制方式主要有继电器、PLC、DCS 三种。由于新建机组和老机组的更新改造中广泛采用了分散控制系统（DCS）实现对机、炉的监控，形成了数据采集（DAS）、模拟量控制（MCS）、顺序控制（SCS）、锅炉炉膛安全监控（FSSS）这四大相互协调的系统，从而使得热电厂热工自动化的监控水平跃上了一个新的台阶。PLC 由于其逻辑处理功能强、环境适应性好、系统独立性强、系统构成成本较低等特点，成为电厂辅助生产系统（水、煤、灰）的首选控制系统。

电气系统监控过去很长一个时期内，都采用强电“一对一”硬手操控制，依靠常规的仪表、光字牌，采用继电器、控制开关及其接点组成的控制逻辑来实现。发电厂电气设备的控制绝大部分为作用于断路器的简单的跳、合逻辑控制，其操作开关布置在电气控制屏台上，电气常规控制的最大问题是所有断路器需要运行人员一对一手动操作，而且因控制室屏面的限制，大量厂用电系统的开关只能就地操作，这种控制模式对当前发电厂的“减人增效”不利，也使电厂自动化水平的提高受到制约。目前，电气的专用控制装置如继电保护、励磁调节、自动同期等装置己逐步实现了微机化，但其自动化的整体水平一直未能实现质的飞跃，主要表现为：电气系统中，保护装置、安全自动装置基本独立运行，与DCS 间通过硬接点方式进行有限的控制和信号交换；电气系统的控制，基本上采用常规控制手段，电气系统的测量、保护动作、定值整定、事故追忆、电量和潮流报表等电气运行参数在DCS 系统无法完整反应。因此，尽管电气系统个体装置的自动化程度已达到一定水平，但从电气系统的整体自动化水平来看，还有待进一步提高。

3 控制系统的选择

随着现场总线技术的兴起，工业自动化目前正朝现场总线控制系统方向发展。基于现场总线的控制系统FCS 成为新一代的工业控制系统。现场总线的出现，使贯穿于控制系统的各个层次获得了广泛的新功能，例如：在现场仪表中实现更多的控制、多变量的测量和传输、基于自查的现场设备维护和管理等等。这些新的功能将为系统生命周期内各个阶段带来实际的效益和利益，从项目早期开始，到实际运行期间，利用现场总线技术所带来的这些新功能均可实现实质性的成本节约，增加效益和收益，而传统的系统则不具备这种能力。

但是纯粹的现场总线控制系统也有缺点。 FCS 将DCS 的三层典型结构简化成二层结构，把由DCS 控制站完成的控制任务完全下放到了现场智能设备。然而，当数据量超过一定值过于偏大时，如果同层的设备过于独立，则很容易导致数据网络的堵塞。要解决这个问题，必须设立一个适当的监控层用以协调相互通讯的设备，DCS 就能轻松地胜任这一工作。对于热电厂机组，其复杂的控制策略DCS 难以胜任，而DCS 在这方面的应用已经十分成熟，另外还可以实现各种先进控制技术如模糊控制、人工智能控制等。

4 新型DCS 的体系结构

4.1 现场仪表层

其主要工作是把现场的各种物理信号（如温度、压力、流量、位移等）转变成电信号或数字信号，并进行一些必要的处理（滤波、简单诊断等）；或者把各种控制输出信号转变成物理变量（如阀位、位移等）。到目前为止，该层的主要功能没有根本的变化。该层与装置控制层的传统接口是4-20mA（模拟量），或电平信号（开关量）。随着现场总线技术的普及和现场总线智能仪器仪表的成熟和成本的大幅度降低，将来应用现场总线通信的各种智能仪表和执行机构会越来越流行。随着全厂综合自动化的发展，各种控制电机特别是集成控制和驱动于一体的电机设备也归为这一类。

4.2 装置控制层

装置控制层的任务是完成各生产过程的优化控制计算和最佳设定值的设定，负责现场仪表层的协调管理以及与上位工厂监控与管理层的联系。同时还可以实现综合显示、操作指导、集中操作、历史数据记录、定时报表打印、控制回路组态和参数修改、故障报告和处理功能。

4.3 工厂监控与管理层

工厂监控与管理层负责全厂的生产协调，指挥和控制生产的全局。包括制定生产计划，实现生产调度，协调生产运行；安排设备检修，组织备品备件；收集生产信息，监督生产状况，调整生产策略；分析生产数据，进行生产评估等等。一般说来，第四代DCS 主要采用提供开放的数据库接口方式来支持DCS 与第三方的ERP、SCM 等软件集成。

5 新型DCS 的特点

5.1 集成化

当今的DCS 厂商更强调的系统集成性和方案能力，DCS 中除保留传统DCS 所实现的过程控制功能之外，还集成了PLC、RTU、FCS 等各种多回路调节器、各种智能采集或控制单元等。此外厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS 的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM 方式。

5.2 DCS 变成真正的混合控制系统

第四代的DCS 已经将这种划分模糊化了。几乎所有的第四代DCS 都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。

5.3 DCS 采用现场总线技术，功能进一步分散化

所有的第四代DCS 都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各DCS 还改变了原来机柜架式安装I/O 模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O 模块（导轨安装），或小型化的I/O 组件（可以现场安装），或中小型的PLC。

5.4 DCS 平台开放型与应用服务专业化

第四代DCS 全部支持某种程度的开放性。开放性体现在DCS 可以从三个不同层面与第三方产品相互连接:在企业管理层支持各种管理软件平台连接；在工厂车间层支持第三方先进控制产品、SCADA 平台、MES 产品、BATCH 处理软件，同时支持多种网络协议（以以太网为主）；在装置控制层可以接多种DCS 单元（系统）、PLC、RTU 等各种智能控制单元等，以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。