DCS在垃圾电厂全厂自动化中的应用与发展

2021-11-28张天昊孙梦雪

中国科技纵横 2021年11期

张天昊孙梦雪

（1.光大环保能源（天津）有限公司，天津 300000；2.中国海洋大学，山东青岛 266000)

0.引言

随着城市垃圾的增多与环境意识的提升，垃圾焚烧的处理方式越来越被人们接受和采用，垃圾焚烧电厂应运而生。电厂控制部分由于电厂规模的增大、现场设备的增加、对可靠性要求提高等原因由以前的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制就地与分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）通讯结合控制的方式逐渐转变成全部由DCS实现集散控制。

锅炉部分的仪表由DCS实现控制，汽机部分的汽轮机监视系统（Turbine Supervisory Instruments，TSI）、汽轮机数字电液控制系统（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH)、汽轮机跳闸保护系统（Emergency Trip System，ETS）等通过对测点的监测建立逻辑保护与锅炉部分DCS实现通讯集成控制，电气部分也由各个厂家的厂用电气监控管理系统（Electric Control System，ECS）系统将功率、频率等测点以及发电机运行状态等信号也与DCS实现信息交互，从而实现了DCS对全厂“机、炉、电”的控制。

1.DCS系统的组成与特点

1.1 DCS系统组成

DCS机柜部分根据作用不同，可以分为电源柜、网络柜与控制柜，另外汽机部分根据生产要求部分厂家也有DEH柜与ETS柜[1]。

人机交互操作台根据作用不同，可以分为工程师站、历史站与操作员站。

1.2 DCS系统特点

DCS硬件如DPU、IOBUS、开关电源及通讯线等均采用主、从机热、备冗余结构，一个处于工作状态（主机），另一个控制器处于备用状态（从机）。使得在主机出现故障时，从机可以实现无扰切换，很好地保障了整个控制系统的可靠性[2-3]。

通讯方式支持上位冗余Profibus-DP主站系统与下位非冗余Profibus-PA设备系统、Modbus设备、下位非冗余Profibus-DP设备系统等通讯方式的多种设备进行数据交换，满足了现场设备多样性和控制系统的包容性。

DCS控制器与操作员站、工程师站以及历史站的实时交互性为生产实时传递现场生产数据，传输生产指令。而且在为管理信息系统（Management Information System，MIS）、安全仪表系统（Safety instrumentation System，SIS）等相关系统提供经优化处理后的实时数据，实现厂内的信息共享，满足生产管理的实时性。

2.DCS具体在“机炉电”应用

2.1 DCS之汽机应用

在汽机系统之中的汽轮机监视系统（Turbine Supervisory Instruments，TSI）对机组转速、零转速、偏心、键相、轴向位移、胀差、大轴振动、轴承振动寄热膨胀这些参数进行测量，再输出模拟量实时值与数字量报警即危险值开关量接点，其中危险值接点送至汽轮机跳闸保护系统（Emergency trip system，ETS）对机组进行停机保护。汽轮机数字电液控制系统（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）根据运行生产要求以及当时工控，选择手动的阀控方式或者自动的压控和工控，使汽机运行效率最大化[4]。

随着DCS逻辑的逐渐完善和测速模块、测速模块的等相应硬件模块的增加，DCS开始应用于汽机之中，其便于编辑的功能块与更为准确周全的逻辑，使得DEH与ETS可以共同接受TSI测点的信号，形成双重保护的同时，更为快速地根据实时工况做出相应的调整。

2.2 DCS之锅炉应用

锅炉系统根据结构与作用可以分为焚烧系统与烟气处理系统。焚烧系统中的炉排液压系统、蒸汽吹灰系统、激波吹灰系统、辅助燃烧系统、送风与引风系统在以前建造的电厂里采用的是PLC控制。操作由就地操作或者与DCS进行通讯，实现远程的启停操作。这样有以下几个缺点：（1）浪费人力，过多占用值班员，而且就地操作操作步骤繁琐，步序错误容易对设备和人身造成伤害。（2）远程一键启停设备会导致操作员对现场具体设备动作不清晰，出现问题不确定具体步骤的现象。（3）通讯可靠性相对较差，易发生故障，导致操作不畅[5]。而DCS系统的普遍运用恰恰解决了PLC控制及两者通讯的缺陷，可以更加全面直观地将现场的开关量与模拟量传到DPU之中，其自身的处理能立也决定了它可以比PLC处理数据更多、速度更快。而且无论是逻辑性控制还是过程性控制都能满足现场特别是锅炉部分设备厂家众多、型号规格难以统一的情况。

随着DCS可支持的信号种类与数量及支持设备控制越来越多，为了实现设备控制系统的统一化与兼容性，DCS成为涵盖多种设备的锅炉系统的首选，如今很多电厂已把沼气入炉系统、启燃辅燃系统、吹灰系统等多个辅助系统直接由DCS控制。

2.3 DCS之电气应用

在电气系统之中，由于与偏向于硬件的锅炉、汽机相比较中，更需要一些仪表来测量判断它的运行状态，由此也对它的通讯与控制的安全性、及时性及可靠性提出了更高的要求。关于发电机部分ECS的控制大部分针对“四遥”功能的实现以及靠硬件进行的继电保护等。为了提高电气系统的可靠性以及其他系统的协调性，将发电机（温度、振动等重要测点、发电机重要保护与其他系统联跳等）、变压器（温度、油位等测点与控制）、高低压电动机（温度、振动等测点与控制）、直流系统应急电源（电压、电流等）以及继电保护信息等引入到DCS，实现ECS与DCS的通讯及相关电气重要设备元件的监视控制。

电气系统操作相对较少，更多的是监视其测点的变化与状态的转变。这对模拟量与数字量的输入输出模块以及它的各个通道的可靠性提出了更高的要求。DCS硬件的高可靠性以及软件系统每个通道的自判断性可以更好地满足电气高精度、高稳定性以及历史长期可查的要求。

3.DCS在垃圾电厂其余方面的应用

像如今一些垃圾电厂在主焚烧板块的基础上加入了水处理板块、餐厨处理板块、粪便处理板块等，对于整体控制系统的可操控性于可监视性要求越来越高。正是由于这种刚性需求的不断增加，这些板块的控制系统也逐渐由PLC系统转变为DCS系统。DCS根据不同的程序较为容易的设置扫描时间、中断程序和程序块的编写与调用功能，更好的满足了用户对编写与查看的需求。

在如今的延展板块中，随着工艺的愈加成熟与复杂以及对后续处理产物要求的增加，DCS在这方面的运用会越来越多、越来越广。

而且在“工业4.0”以及全球工业智能化的背景下，MIS、SIS系统的逐渐普及，DCS成为两者信息获取的主要来源，提供了管理者与企业运营者提供可靠的状态监视与数据分析的基础[6]。