分布式计算机控制系统DCS特点及在火电厂自动化控制中的应用

2022-12-26李选慧LIXuanhui

价值工程 2022年35期

李选慧LI Xuan-hui

（国家能源集团谏壁发电厂，镇江 212000）

0 引言

在国家经济的发展过程中，电力系统的作用是非常关键的。在科技的不断进步背景下，火电厂对其控制系统的要求也越来越高，因此，其已经不再是单纯依靠一般的仪表来实现日常的生产与检测就能实现的，并且在对电力系统进行调配与科学的管理进行有效完善方面也不再满足。通过采用分布式计算机控制系统DCS可以解决上述问题。由于DCS的迅速发展，其应用得到迅速普及。

1 DCS的产生背景

1.1 计算机集中控制具有一定的弊端

由于计算机控制的集中性，成百上千个回路都需要被一个计算机控制，如计算机出现了一定的问题，系统的运行状况就会受到阻碍，进而影响系统的运行，降低系统的可靠性。安全起见，运行中通过使用双机的模式，可以将系统的可靠性予以提升，但是，这样做会增加运行成本。在工业化高速发展的上世纪70年代，使得生产不断壮大以及过程不断复杂化，其中主要以石油化学工业为代表。但是这导致了发生事故的频率加剧，采用集中控制的方式，在事故发生时可以使生产中断，因此，在生产过程中，计算机控制系统的可靠性显得尤为重要。

1.2 生产过程日益提高的要求

正常的模拟式调节仪表在进行生产过程的系统控制方面具有较多优点，操作与维护比较方便，并且不需太高的成本投入，但是可靠性却不是十分乐观。在生产的不断发展下，模拟式仪表的弊端日趋明显，在进行多变量解耦控制的操作以及其他比较繁琐的控制规律控制方面，其性能显得不再合理。其控制精度已经不符合生产要求，在生产工艺不断优化以及生产规模不断扩大的背景下，会增加较多的仪表控制系统，这样控制室的仪表屏就会随之增大，在进行系统的显示与具体操作过程中，就会越来越困难。每个系统之间进行通信联系也显得比较困难，而且在出现变更生产工艺的需要时，仪表就要进行变更与调解。针对上述问题，通过使用计算机控制系统就可以解决，其不但可以解决控制规律比较复杂的情况，各个子系统之间进行通信的情况也能得到解决，而且有效提升了其控制精度，并且能够实现集中显示与操作。

2 DCS自动化控制的特点

分散控制系统，简称为DCS。从1975年发展开始，其发展历程也是十分漫长的。它主要是通过计算机实现综合控制。DCS控制系统是将“聚”与“散”相结合，主要包括对操作、监视以及管理进行集中管理与控制，此外，还能实现以上内容的分散控制。通过采用微型计算机，DCS系统在功能上分散化与阶层化。随着科学技术的推进，控制中心与各个子系统之间的联系更加紧密，在动作与指令的执行方面更加协调。

DCS是微型的应用处理器，将计算机控制系统中的计算机技术、通信、控制以及网络技术集中于一体。其主要组成部分为操作站、通信网络以及控制站，操作站的主要作用是对现场的参数实现监视，而且在授权的情况下还可以使工程师站得以实现，并且实现系统的维护与组态等功能；通信网络的作用是保障系统的运行，确保网络更加真实可靠，并且具有可扩充性。DCS主要以控制站为依托，如果出现无网络的情况，可以对企业的生产实现控制，确保生产的有序进行。其特点总结如下：

①可以实现对系统优化后的人工智能、自动适应、推理预测以及专家系统等要求，并且能够实现智能化的发展目标。

②由于之前的系统构成比较简单，在生产需求的不断扩大下，可以实现集管理与控制于一体的综合系统，从而保障DCS的现场与系统通信之间实时准确以及全面的契合。

③DCS系统能实现与数字视频技术、无线网络技术以及容错以太网相结合，这样在现场中出现故障的时候可以进行直接操作处理，并且可对操作进行实时监控，以及校验仪表，在进行操作与维护过程中，衔接更加顺畅。

④采用无底版模块结构的技术，从而确保控制站更加安全可靠与稳定。

3 火电厂自动控制系统简介

3.1 软件设计

为了便于用户操作，在工艺流程图中需要实时显示监控画面，包括分炉分仓计量与煤量位置煤位等，并且在出现系统故障报警时能够对警报进行实时显示，并可以生成报表，查询历史数据，同时实现选择工艺流程的一些功能，在对火电厂自动控制系统软件进行设计的过程中，设计方法为组态式，编程语言为高级（C++、VB、VC）而且全面利用Win-dows视窗技术，通过图形的方式使用户在操作与管理过程中更加便捷，通过选线棒对工艺流程进行甄选，也就是从对煤源的选择开始，到运输路径，最后到目的地的方式，确保操作与管理方面更加便捷，以及取得最佳的视觉效果。其特点如下：操作可靠，在选择流程、开放式操作以及应对故障、配煤环节中更加方便灵活；将整个工艺流程的画面呈现得更加直观，并且能够随时查看或者打印系统的运行状况，使得管理更加方便快捷。系统框架图见图1，其系统构成见图2。

图1 火电厂自动化控制系统设计框架图

图2 DCS系统构成

3.2 自动控制内容

火电厂在进行发电作业中，自动控制主要有以下几点：

自动检测：对一些物理与化学参量实现自动检查与测量，并且对生产设备中反应出的工作状态数据实现自动检测，以上数据能够实时体现生产过程中的具体状态，并将这些数据作为生产中的状态正常与否以及发展趋势的依据，从而对后期生产过程中出现的状况进行科学调整，确保正常生产。

自动保护：一旦出现事故，系统将会自动启动保护系统。这样能够有效避免事故出现进一步蔓延的情况，从而对生产设备起到了一定的保护作用，使其破坏程度得到有效降低，保障系统运行更加安全可靠。

顺序控制：对系统的程序与运行条件进行提前设定，在满足预设好的运行条件与运行程序后，系统将会自动操作设备，确保系统运行的准确性，并且从根本上降低了人力操作。

自动控制：也被称之为自动调节，功能在于如果出现生产过程脱离所设计好的程序后，系统将会自动对运行情况进行调整。

火电厂自动控制系统比较复杂，并且需要庞大的数据支撑，想要实现同步控制主机与辅助设备，所使用的控制方式也有一定的差异，并且系统的内容与结构也不尽相同。因此需要具体分析与研究控制系统各个模块的组成，从而实现单独控制的目的。

4 火电厂DCS自动化控制设备的应用

4.1 安装环境的选取

对DCS安装环境的科学控制，是火电厂实现自动化控制的先要条件，因设备使用周期会受到安装环境的影响，设备是否运转良好以及发挥情况如何，将受环境的直接影响。如果安装环境不能达到标准，DCS自动化控制系统出现故障的频率就更高，影响火电厂的发电效率，所以，在进行安装过程中，DCS设备一定要确保其安全与稳定性，安装环境显得尤为重要。

我国大多数的火电厂都为原料导向型，也就是说与原材料产地比较近，设备的运转过程中，会受到火电厂生产环境的影响，同时，DCS自动化控制系统与相关设备的安全与稳定行都会受到一定的影响。因此，在进行安装过程中，在安装环境的选择方面，应尽量做到科学合理，还需要对安装环境进行必要的优化与完善。具体为，在安装设计前，应根据环境中的土建工作进行合理规划，以保证土建与环境相协调，确保相关的土建工作以及厂房的建设已经完成，方可进行设备的安装。对自动化控制设备进行安装的过程中，由于空气中可能有粉尘的存在，其将对设备信号产生干扰，需要对空气中出现的粉尘进行有效处理，尽量将粉尘含量降至最低。在相关的实践可以看出，如果设备的安装与土建工程同时进行，虽然缩短了施工工期，但是，设备运行的故障将会更多，对火电厂的安全性造成一定的影响，并且大大缩短了设备的寿命周期。在安装DCS设备时可以凭借越来越高新的除尘技术，将空气中的粉尘对设备的干扰降到最低。最后，在进行安装工作中，还要合理选择安装的位置，防止因位置原因而干扰设备的正常运转。

4.2 硬件环境安装的选择

DCS自动化控制系统具有较强的综合性，因此在进行安装与调试过程中，其硬件的选择是非常重要的，这是确保具有较强的信息化与智能化的前提。因所需的硬件需要完全匹配于系统中，所以涉及到的电子设备要求精密度比较高，并且在应用环境中也要求达到一定的标准。强磁场、环境的湿度与温度也会影响DCS控制系统，并且会对系统的使用寿命造成严重的影响，降低系统运行的效率。综合以上因素，在安装系统过程中，应该选择防潮除尘的环境，还要求在50m范围内不得安装具有较强电磁设备的位置，防止因强电磁对系统运行造成不良影响。完成硬件安装工作后，对设备的各个部分进行调试，确保后期设备运转更加流畅，进而实现系统间自动化控制。

4.3 顺序控制系统

操作系统的程序通过顺序控制得到了一定的简化，运行人员在进行操作时，不需要浪费太多的时间，就可以通过对几个按钮，甚至一个按钮，来实现整个系统的运行或者停止。在条件满足运转的情况下，通过系统的自动化判断，对系统实现自动启停与转换的操作，操作人员通过简单的按钮就可以实现控制与转换，并且对系统显示信息进行选择，比如故障或者报警信息；程序自检，可以实现在一定时期内对程序进行自动检测，判断其当前状态的正确与否；程序保护，在系统出现故障时，可以实现自动中断功能，并且在系统恢复正常后，可实现系统的自动恢复（见图3）。

图3 火电厂顺序控制系统流程图

4.4 电缆敷设

由于DCS自动控制系统运行功率较高，所以加重了电缆的载荷，所以，在系统安装前，需要对电缆方面进行高度关注，确保所设计与敷设的电缆确保日后自动化控制系统高效运行。首先，应该对是否为系统屏蔽信号进行判断，确保DCS系统信号源不被无信号源干扰。其次，对电缆进行敷设时，应确保一致性，对强电缆与弱电缆进行有效区分，在进行敷设时也要分开实施，防止二者之间出现交叉搭设而造成不良后果的情况发生。最后，在对电缆进行敷设时，应按照由强到弱的顺序进行，即使磁场环境不是较强，也要确保导线具有良好的绝缘效果，连接处不得涉及潮湿与遇水的情况。

4.5 对接地的要求

接地在火电厂DCS系统运行中起到了极其重要的作用，因此应确保接地规范，结合大地零基准带压点与设备的实际情况，正确选择接地模式。因DCS控制系统在运行中的电流较大，所以在接地过程中需要单独使用，这样系统就会更加独立，电流在进行传导过程中的速度就会更快，防止了电流载荷较大的情况，从而有效将风险予以降低。将接地系统单独进行，在连接过程中，可有效实现屏蔽的情况，从而对DCS系统起到保护作用，在对干扰信号进行屏蔽以及抵抗的能力方面能够得到有效提升，从而确保系统安全与稳定的运行。

5 DCS自动控制系统的未来展望

在科技的不断进步下，新产品层出不穷，软件的功能也出现日新月异的变化，其表现得更加灵活而且更加强大，因此在工业自动化的背景下，DCS需要进行不断升级与完善，并且其不断向各个行业进行扩大，因此，设计方案与系统的功能就会受到越来越高的要求，使其更具优势，在各个行业的广大用户的不同需求下，变得更加专业。这样成为日后DCS厂家的发展方向与竞争目标，此外，也是其从中获利的主要动力。