发电厂热控自动化系统设计与优化分析

2023-10-07梁瑞庆

中国设备工程 2023年18期

梁瑞庆

（国能（肇庆）热电有限公司，广东肇庆 526000）

合理运用热控自动化系统可有效提升设备工作效率，使整体电力生产过程更加智能化、合理化。因此，设计人员必须结合发电厂实际运营状态，合理设计网络监控、分散控制及辅助控制各个子系统功能，并对系统单元、硬件、逻辑等方面进行深入分析，采取合理措施加以优化，进而提升整体系统的使用性能。

1 发电厂热控自动化系统构成

1.1 分散控制系统

分散控制系统主要功能在于对发电厂内部设备及技术应用状态进行监督和控制，运用系统数据分散处理功能对内部控制系统进行深入剖析，将其划分为不同的功能模块，再通过与运行操作、过程管理、开发维护及通信等几个功能接口的连接，最后采取分散控制与集中显示两种不同方式来实施对整体设备运行数据的处理。该子功能系统可通过程序设计与自动化热控主系统通信网络相结合，形成综合性过程管理系统。在设计此系统模块时，必须以功能模块为主体，通过灵活组态与科学配置来保障各项主要功能的顺利实施。

1.2 监控系统

因发电厂内部整体生产设备过程普遍拥有一定复杂性，在实际生产运行时，难免因各种外部与内部因素而引发设备系统故障，为保障整体生产线持续安全、稳定运行，必须结合现代技术合理布设相应监控系统。而现代发电厂监控系统则多以视频监控为主，其主要适用于管理范围和管理难度相对较大的工作区域。运用视频监控，可随时掌握电厂内部真实设备运行与人员操作状态。构建此功能系统时，通常会在火电厂各个区域安装无死角监控摄像头，并与相关辅助系统端口结合运用。此外，应充分结合现代信息技术将视频监控系统与自动化热控系统形成有效连接，使其能够通过视频监控信息，全面了解设备运行状态，并及时针对危险信息在第一时间内做出预警提示，进而在保障生产效率的同时增强整体生产运营的安全性。

1.3 辅助控制系统

辅助控制系统主要属于自动化热控系统中的重要组成部分，其能够在污染控制的状态下按照内部程序设定，来进行对现场信息的传输和采集。其日常运行时，可通过编程控制装置来实施一系列自动化操作指令，并运用数据接口及交换机等装置来保障整体系统数据处理效率，进而真正实现数据信息共享效果。除此以外，该子系统还可以通过中控室人员操作来辅助主机系统进行集中控制，在保障发电厂部分区域在无人控制状态下，依然能够安全、稳定地运行，进而大幅度降低人力资源的投入，提升企业的整体经济效益。

2 发电厂热控自动化系统优化策略

2.1 单元设计优化

合理设计和优化热控系统单元控制系统，可进一步提高单元控制模块系统运行的信息化与智能化水平，全面提升DCS 分散控制系统运行效率，进而增强整体系统对生产数据及设备的监控能力。因此，应合理运用各种现代信息技术，将电子技术与互联网等技术融合其中，不定期优化和更新系统硬件和系统软件，进而构建一套全新的自动化热控分散控制系统。同时，还应全面优化系统软件设计过程，在对相关系统程序进行设计时，合理设计整体系统信息控制指标及信息控制范围，进而增强整体系统本身的抗干扰能力。应在设计过程中，尽可能地降低重复处理单元数据程序，减少冗余数据产生，从而进一步降低系统负荷，加快系统信息处理速度。

2.2 硬件设计优化

硬件作为保障热控系统运行效率的关键所在，若不能降低其在日常运行中的故障发生率，则会严重影响整体系统数据处理的安全性和准确性。因此，设计人员必须以系统硬件作为设计主体，制定完善的硬件控制方案。以保障增强硬件设备使用效率为设计核心，进行综合性系统设计。除此以外，为进一步提升设备抗老化能力，避免设备因外部环境因素而导致设备故障产生。硬件设备采购标准必须结合电厂实际情况及系统功能要求而定。在经济条件允许的情况下，尽量选择适应性强、性能好且符合系统建设要求的硬件设备，并在设备采购入场后做好一系列的质量检查工作，实时监测终端设备、系统电源及室内温度，并安排专门工作人员进行定期维护和检修，进而保障热控自动化系统安全、稳定运行。

2.3 逻辑设计优化

合理设计热控系统逻辑关系是保障整体系统稳定运行的关键所在。因此，必须采取合理措施来优化和降低系统拒动和误动等不良现象产生。这便要求设计人员在必须在系统初期设计期间，对逻辑设计模块进行全方位系统性能测试，合理布设逻辑测试点位，并针对每个质量测试码的测试数据结果进行综合判断。运用此类方法，可有效增强整体逻辑测试的真实性与准确性，保障取样信号数据的完整性，最大限度地降低误动现象产生。此外，需在满足系统功能持续稳定运行的前提下，运用逻辑优化方法，来减少工作人员的操作风险和劳动量，并运用对单点系统程序逻辑的更新和优化，进一步降低设备在日常运行中的故障频率。

2.4 APS 技术应用优化

目前，APS 技术主要应用于热控自动化系统中的顺序控制部分，对相关技术进行合理优化，不仅能够全面提升操作人员本身的技能操作水平，还可以全面控制工作人员日常操作行为，增强设备操作的规范性与合理性，杜绝违规操作、错误操作等不良现象发生。除此以外，该技术优化可以大幅度降低机组启停操作时间，进而提升整体自动化热控系统的运行效率和系统信息处理速度。期间，要求相关人员增强对现场相关设备的检修和维护，并在日常设备检修和维护过程中全程记录，并将其相关信息录入管理系统进行存储，进而为后续设备管理工作提供准确的数据依据。

3 发电厂热控自动化系统设计实践

3.1 设计概述与总体设计

（1）设计概述。本次案例热控自动化系统主要基于DCS 分散控制系统功能开展系统设计，详细设计原则及主要设计思想如下：运用DCS 分散控制系统中数据处理与综合控制功能模块，明确各个设计生产工序与控制系统之间的关系，将可能影响设备急停、系统稳定、设备正常启动与关闭的各种功能，按照不同等级来划分。制定规范化系统可靠性要求，选择适合的通信节点、电源设备、模板及CPU 等。此外，还应根据当下发电厂实际生产需求，合理分配各个子系统数据处理量，减少数据重复处理程序，降低系统运行荷载，进而增加系统数据处理速度，最大程度减少系统对通讯信息的依赖。均匀分配各个自动负荷，科学规划系统资源。

在系统设计条件方面，应主要注意以下几点：第一，设备布设位置。应在总设计图中清晰标记各个设备室及操作间的垂直与水平信息，充分掌握发电厂现有电缆线路、设备结构分布位置及规格。第二，工作站结构及设备配置。工作站结构主要包括工作站位置分布、配备数量及类型，其中主要设备包括机柜、计算机、打印机、键盘、监控显示屏等。第三，通讯网络。在通讯网络布设方面应根据工程场地各个设备实际距离来合理布设通讯介质。第四，必须充分考虑自动化系统与外围设备、控制器、交换机、电缆等主要设备之间的兼容性。第五，应全面掌握RFI 及EMI 环境对系统的整体干扰程度，其中主要包括人为失误、意外、设备运行产生的辐射性、传导性、静电放电及设备故障等，在主系统设计阶段，在综合考虑上述影响因素的基础上，将安全控制、报警、联锁装置等设备纳入系统设计中。

（2）总体设计。系统中所控制设备的复杂性、设备作用及设备型号，是影响DCS 系统控制效率的关键所在。因此，必须将公用设备、机组设备、电力生产专用设备及规律性较强且重复性相对较大的各种电力设备，全部划入DCS 系统控制范围内。整体系统控制中发电厂内多数设备由DCS 系统进行控制操作，少部分设备可通过人工方式辅助操作。而其余部分设备，自动化系统只负责全程监视其日常运行状态而无须施加控制。合理设计设备监控和控制范围，进而有效地提升火电厂电力自动化生产水平。

3.2 初步设计

关于系统硬件方面的初步设计主要是对分散控制系统对DCS 各方面的要求加以确定，且应明确分散控制系统对内部及外部连接接口要求。具体如下：还应基于I/O 点位来明确分散控制系统相应的I/O 卡；基于具体控制功能来明确分散控制系统布设等级及布设数量；基于技术应用分布来明确分散控制系统控制柜的分布及数量，进而设计DCS 整体系统网络构架；基于运行系统运行模式来设计辅助设备、工程师站及人机接口装置；基于其余设备对于系统接口要求来设计通行接口规格及和数量。关于系统软件方面的初步设计，主要针对系统组态图的布设，设计人员在经过一系列分析研究后，将系统软件初期设计任务主要设定为以下几点：第一，基于顺序结构要求合理编制控制说明并设计逻辑系统构架图。第二，合理设计调节系统构建图，并将各个控制回路连锁原则、扰动量、被调量及调节量等信息清晰描述。第三，编写相关的连锁保护细则。制定各类机械设备控制规范，如开关、启停操作允许条件等。第四，明确典型组态功能实现模式，如顺序控制、驱动控制、选择逻辑及回路调节等，并制定严格的归档和报警原则。

3.3 详细设计与实践

（1）系统硬件总体构成组态。硬件组态主要基于DCS 相关硬件设备在通信、电气方面的逻辑关系，进行组态设计。如可将DCS 系统组态功能菜单设定为系统配置、配置文件生成、系统配置限制及系统退出等。其中系统配置主要包括工程师、操作工及I/O 控制站站号范围设定。工程师站配置可通过系统功能图标点击进入配置页面，允许设置内容包括报警方式、警报级别、打印机型号选择、口令、LAN 网址、站名等。而I/O 配置主要分为有冗余和无冗余两种不同形式，详细子配置画面可设计为比其余二类站多一个“I/O 模板配置”功能，在点击该图标时，系统会立即弹出相应的子页面，以便于工作人员进行详细参数配置。子画面允许配置内容主要包括端子板型号、模板型号、槽位号、机箱号、机柜号等，并设置增加、修改、删除、查询、退出、完成、前一页、后一页等几个不同功能键。此外，当电机系统配置生产图标时，系统将结合当前参数配置情况自动生成内部实际配置数据文件，并自动实现数据库编译、配置文件生成及回路控制编译等功能模块，进而保障配置文件生成数据的时效性和准确性。某发电厂机组DCS 设计系统结构，如图1 所示。

图1 某发电厂机组DCS 分散控制系统架构图

（2）测点组态。本次案例系统测点组态设计依据：I/O 点位分布、类型及数量主要基于初步硬件设计而定；DCS 控制器等级和布设数量主要基于实际控制任务而定；DCS控制柜等级和布设数量主要基于工艺实施过程而定。测点组态信息设置以表格为主，但必须正确设置各个不同区域逻辑含义，就此便可完成整体硬件组态与系统组态的设置工作。除此以外，DCS 系统主要是将全部数据信息通过整合分类将其分布到相应的工作站，通过指定通讯设备完成数据共享。为降低数据重复发送增加系统负荷，应将每个管理系统分别设定不同标号任务，进而降低网络数据传输量。本案例系统除SID 序号外，在系统目录登记点对施工频率较高的词语进行了详细记录，如特征字符、工程单位、中文描述、类型、DPU 号等，从而便于工作人员下方位此类领域时，能够在目录历史记录快速找到关键词，节省操作时间。

（3）过程控制逻辑组态。过程控制部分主要包括通信接口、控制及算法控制组态，通过科学合理的程序设计，将其分别连接至指定硬件系统，进而全面控制硬件设备。功能块编程作为DCS 系统中最常用的设计方式，设计人员只需将全部计算模块和控制模块全部编入相应的处理器ROM 中即可，而操作者可根据需求选择相应的功能模块，将其根据项目要求进行衔接，再设定相关参数即可。自动化热控系统主要功能模块包括非门、或门、RS 锁存器、操作站、触发器、乘法器、开关量及模拟量的设置等，如图2 所示。

图2 DCS 系统调节逻辑组态结构图

除此以外，还包括部分关于人机接口方面的组态设计，本文不做过多表述。

（4）系统调试。在整体热控自动化系统构建完毕后，必须进行相应的调试工作，I/O 点位可通过运用全部功能通道调试来验证，DCS 系统功能可通过冗余CPU 切换、电源切换及网络切换的方式来验证，同时也可根据实际情况运用仿真模拟试验来验证整体系统运行参数的准确性。但系统主要功能，则必须通过结合现场汽机、锅炉等设备的实际运行状态来测试和验证，进而保障整体系统的科学性与合理性。