火力发电DCS自动化技术研究

润电能源科学技术有限公司 宋 丹 国网河南省电力公司电力科学研究院 徐恒博

引言

DCS 所代表的自动控制技术在国家发展各个行业领域内都有着十分重要的意义，比如工业、农业、国防以及科技现代化等，自动化控制水平已经成为衡量某一行业先进水平的重要尺度。随着国家进行科学技术现代化的发展，DCS 技术得到了更进一步的普及，其重要意义也逐渐在凸显在生产的过程中，运用DCS 技术意在提高生产效率以及生产安全性，并获得良好的经济效益。

我国作为一次能源消耗大国，每年煤炭发电量占总发电量八成以上，由于发电所造成的煤炭消耗量更是占国家煤炭消费总量六成以上，随着未来工业进一步发展以及国家产业调整，我国发电企业必将迎来全新的发展格局，必须通过不断创新与改造，逐渐实现节能、环保、高效的生产能力，才能够更好的迎合国家可持续发展需求。现在我国所建设的诸多等级机组已经基本采取了DCS 控制系统来对整个生产过程进行统一控制，使自动化控制技术得到了极大的普及。

本文将对火力发电DCS 自动化技术进行研究分析，以提高技术品质为出发点，使自动化技术以及自动化控制系统能够更好的保障火力发电运行质量，提高火力发电运行安全以及经济效益。

1 DCS 简介

DCS 是Distribuede Control System 的缩写，中文翻译名称为分散控制系统，是随着技术发展，在集中式控制系统基础上演变而来的一种全新智能化的控制系统。DCS 需要以互联网作为功能基础，可以满足整个火力发电厂生产系统实时性、可靠性和功能可扩充性等需求，所以具有很强的重构能力。在使用过程中，一套DCS 系统之中要设置I/O 控制站，这些控制站会起到分担系统控制功能的作用，以此便可以避免某一控制站出现失效而导致整个系统功能失效的风险出现，进而具备良好的系统使用可靠性[1]。

由于在现场设置了控制站，可以使各个站点具备了分担数据采集以及自动化控制负担的作用，这对于提高整个火力发电厂生产系统性能而言也将有着十分重要的意义。控制DCS 系统的操作人员主要的职责是对人机界面进行运行操作管理，在工作压力上相较于与以往，会得到明显的减轻[2]。

2 DCS 应用情况及火力发电DCS 自动化技术应用面临的问题

2.1 DCS 应用情况

从上个世纪80年代末开始，DCS 技术开始在我国石油化工领域得到了推广使用，之后随着国家经济的进一步发展，DCS 相关的技术产品逐渐在其他领域内得到了肯定，比如冶金行业、轻工业行业、建筑行业等。

我国从最开始引进DCS 技术到现在已经有近40年的历史，这40年的发展历程，使得DCS 技术已经成为主流控制技术在我国工业控制系统体系内发挥着重要的作用，目前国内DCS 系统市场虽然仍然被国外企业所垄断，包括西门子、霍尼韦尔等，而国内的DCS 厂商比如新华和中控也在呈现出快速发展的态势，在未来有望进军世界领先地位[3]。

火力发电作为我国重要的能源生产形式，所构建起的电器自动化系统是近几年来行业的发展焦点，其侧重点便是对火力发电厂电气系统进行自动化的管理控制，意在提高整个生产系统的保护效果，使其具备更好的安全、效益和经济价值。当前DCS 技术已经在火力发电系统中得到了普及，为发电厂自动化运行带来了诸多技术支持，也使我国电力生产相关的电气控制更加安全与可靠。

图1 火力发电厂DCS 系统

2.2 火力发电DCS 自动化技术应用面临的问题

一是，火力发电自动化系统工作环境仍然存在大量复杂干扰，对于DCS 系统应用可靠性上必须进一步加强，尤其是导致热工系统运行异常的事故最近几年逐渐增多。

二是，传统技术下的火力发电厂电气自动化系统已经无法满足集散控制系统下自动化功能要求，无法实现电气全通信控制功能，在通信速度、系统可靠性上已经出现不足。

在所在的学校是否开设创业教育课程这一问题的测量上，接近90%的学生选择所在学校已经开设创业课，这反映了目前高职院校在创业教育课程开设方面具有一定的普遍性。而对于是否参加过创业培训或者讲座的调研中，仅有55.89%的学生选择曾经参加过。从创业教育课的课程满意度调研来看，接近一半的受访者认为创业教育满意度为一般，比较满意的占27.24%，接近15%的对学校创业教育不满意。

三是，电气自动化系统控制逻辑、控制水平和自动化管理水平需要加强。利用网络结构应该更进一步构建起完善的电气自动化系统，在办公自动化环境上、控制机、元件级等范围内，要全面提高数据信息传输畅通无阻。

3 火力发电DCS 自动化技术问题应对功能完善策略

3.1 打造人机界面，保障系统可靠性

在这一技术领域中，需要按照火力发电厂工艺系统设计的标准，对已有的设计测点信号进行连续性的收集和管理，所获得的测点信号应该纳入到历史数据库中，继而实现DCS 功能中的信息共享。要求操作人员需要依靠完善的人机界面功能才能够发挥出最大的控制效果，该界面应该能够满足实时监控需求，可以对整个工艺系统以及设备的运行状态进行监督管理，以及时发现运行过程中出现的工况故障，提高系统可靠性。

人机界面内也含有工程师功能，该功能主要是帮助维护工程师可以对系统软件进行维护，同时也具备档案备份功能。工程师站需要设计出相应的权限管理以此来避免系统遭受非法入侵的风险。人机界面内对于信号的采集与保护配置功能需要在控制处理器的I/O 中，如果信号采集还涉及到机械设备、电路保护等，则需要在DPU 那设计出完善的信号通道，以保障重要信号能够得到及时的收集。用于监视和记录信号的设置，可以安排在DPC 之中，也可以分散到DPU 中，DPU 主要是指其他工艺控制系统。

火力发电DCS 自动化技术关于人机界面设计中需要具备以下新的功能内容，包括：显示功能、记录功能、历史数据存储和检索功能等。

显示功能是指能够对整个火力发电厂的工艺流程、生产趋势工艺参数以及风险报警进行显示，按照工艺运行要求，以结构式或者是树形结构式进行展现，可以帮助运行管理人员及时便捷的查阅到所需要监控的信息画面。在对某一画面进行选择时，一般限制在两次击键，也可以设置一些特殊的快捷键，重要的系统以及相关功能可以通过快捷键直接调出画面。工艺运行有所不同、所涉及到的工艺流程显示画面也应该有所不同，所以画面数据以及画面数量都应该有一定的丰富度，这样才能够更好的满足运行管理人员对整个系统设备和工艺环节监视的需求，画面显示的实时数据刷新周期应该小于1秒之内。

记录功能涉及的是事件记录、跳闸追忆记录、操作记录、定期记录等顺序事件记录。记录的数据应该满足系统全天候运行的要求，分辨率可以根据DCS 的性能来进行设置。跳闸追忆记录包括跳闸原因、信号变量分析；设备跳闸记录需要按照跳闸之前十分钟和跳闸之后五分钟、以一秒时间间隔来进行数据收集。

操作记录主要是指运行管理人员在整个系统内进行所有操作项目都要进行精准记录，这样才能够便于操作人员进行监控，并且查找出系统中出现故障的原因。系统会自动保存48小时内的操作记录，该项设置也需要实现历史数据转存功能；定期记录主要是指按照火力发电厂的用户需求，通过采取相应的工艺参数进行日报记录和月报记录等文件记录与存储，存储的数量应该根据用户要求来进行设计。

3.2 模拟量控制，满足自动化功能要求

模拟量控制系统应该实现诸多针对单元机组以及辅机系统进行调节控制的功能要求，能够对锅炉、汽轮机、发电机进行整体化的控制，使整个火力发电厂相关设备可以同时完成控制任务，确保整个机组可以安全、稳定、快速的满足负载变化，保持生产运行的稳定。同时也应该满足控制机组安全启动、稳压运行的要求。模拟量控制系统需要划分为若干个子系统，每个系统应该遵循各自的完整原则，这样才能够保持整个系统通信网络上信息交换量最优化。

冗余状态下的控制系统，如果局部出现故障，巧妙的设计可以避免整个机组同时进入危机状态，而且能够将故障所造成的负面影响限制到最低。模拟量控制系统设计时，应该实现协调汽轮机控制、锅炉燃烧控制、汽轮机旁路控制等各个系统之间的协调运行，使整个机组都可以保持安全稳定的运转，同时可以满足不同负荷变化所带来的压力。

3.3 公用设备控制，升级自动化管理水平

DCS 对于公共设备控制系统技术设计上总体要求，是要各个公共设备能够共同服务与多台机组锅炉和电主机系统进行联系和协同控制，而且需要在DCS 自动控制设备上对多台单元机进行监视与操作。在技术允许的条件下，循环水泵等重要的设备控制功能都应该在单元机组DCS 中得以实现，公共控制系统可以设计为独立的DCS 系统，并且设计出完整的DPU 和人机界面。按照比如OPC 协议等通用协议进行数据通信，可以保障良好的通信效果。当公用设备控制系统并没有设置出单独的人机界面时，就必须设计出独立的通信网络，而且该通信网络应该是冗余的。

通过隔离网关或者是路由系统来实现多台单元机组与主系统的DCS 通信，具体功能包括任意主系统均能够利用公共控制系统采集数据、任何关联主系统的人机界面都能够实现控制和操作功能，但是同一时间段内只能够对一侧主系统进行控制，另一侧阻系统则不应该具备发出和接受指令的能力。需要注意的是，在设计时，应该满足与公用控制系统联系的任何一侧主系统出现故障导致停运时，不应该影响到另一侧主系统监视和控制功能。

4 火力发电DCS 自动化技术软硬件要求

硬件和软件系统的要求包括环境要求、抗干扰要求、可靠性要求等环境要求，是指DCS 系统硬件需要在良好的环境条件下保持正常的运行状态。比如，控制室温度应该控制在5～40℃；安装现场温度应该控制在零下25～55℃；储存环境温度应该控制在零下40～85℃；允许湿度应该在90%～96%。振动情况应该控制在频率在10赫兹到150赫兹，抗干扰主要是指抗电干扰。可靠性要求是指各功能设备不会被随意更改和损坏，任何单件出现故障与损坏不会影响到整个系统的正常运作。DCS 应该具备诊断故障的功能，并且可以将诊断数据通过通信频道发送给主机。

软件要求包括网络结构要求、通信速率要求、电源系统要求等。网络结构一般会采取分级层次化的结构类型，通信速率应该控制在能够满足控制系统实时传递信息的要求，节点通信速率应该达到每秒100Mbit，I/O 通信速率应高于每秒1Mbit。

5 结语

DCS 自动技术对于提高或电厂生产效率以及安全保障能力上能够发挥出显著的效果，但是该项技术较为复杂，需要火电厂投入充分的精力以及资源才能够使DCS 技术发挥出最大价值。本文对DCS自动技术进行了浅要的介绍，目的是能够使火力发电厂认识到，DCS 技术的普及将成为火力发电厂未来发展进程中最为重要的技术手段，将直接关系到火力发电厂的市场竞争力，所以该项技术的具体利用必须能够迎合火力发电厂运行实际，不断完善、不断优化，要真正促进其为火力发电厂带来经济效益，在实现技术进步的同时，也将成就我国火力发电厂高科技发展。