一体化在科右中电厂的应用修改

1、DCS一体化设计在科右中电厂中的应用潘海峰白国战 （内蒙古京科发电有限公司，内蒙古兴安盟246008；）摘要：本文介绍了DCS一体化在京科电厂330MW火力发电机组的成功应用，对同类机组的分散控制系统一体化设计、选型、维护和故障处理具有一定借鉴意义。关键词：DCS 一体化 方案 可靠性 完善改进当今大型火电机组炉、机、电的运行和管理水平不断提高，分散控制系统(DCS- Distributed Control System)在火电厂自动化控制中已得到大量应用，其极高的可靠性、丰富的控制功能和对运行操作的简化为减员增效提供了诸多的方便，极大地提高了电厂的运行、管理水平, 并取得了显著的经济效益和社

2、会效益。为使资源得到充分的调配、平衡和控制，最大限度发挥企业竞争力，必须实现电力企业生产制造资源与其它资源管理的一体化，实现电力生产现场设备在线动态监控，从而降低成本1。火电厂辅助生产系统的自动化设计正面临着如何适应技术发展潮流，改进现有管理方式，进一步降低运行费用，提高经济效益的问题。火力发电厂热工自动化的设计重点已经不仅局限于主厂房，人们也越来越重视提高辅助车间(系统)的自动化水平，合理地按工艺系统或地理位置设计控制系统或控制点，实现全厂CRT监控，提高系统运行的安全性和经济性，极大地增强电厂的市场竞争力，这些成为了电厂自动化设计的发展方向。如何优化和提高电厂的控制水平，受到了越来越多电厂

3、、设计院和工程单位的重视，成为新建电厂构建主机和辅控系统选择控制系统时面临的重要课题。本论文正是在这一背景下，在大量文献研究和实际科研工作的基础上，结合内蒙古京科电厂新建1×330MW空冷供热机组工程全厂控制系统的一体化设计，针对火电厂一体化DCS系统中的整体网络结构、产品造型、网络类型、数据交换、组态开发、性价比等问题，从设计、优化，维护等多方面进行了深入、细致的研究工作。1DCS的发展受信息技术（网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等）发展的影响，以及用户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各DCS厂商（以Honeywell、

4、Emerson、Foxboro、横河、ABB为代表）纷纷提升DCS系统的技术水平，并不断地丰富其内容。形成了以Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（过程知识系统）、Emerson 公司的PlantWeb (Emerson Process Management)、Foxboro公司的A2、横河公司的R3（PRM-工厂资源管理系统）和ABB公司的 Industrial IT 系统为标志的新一代DCS4 . 新一代DCS的体系结构主要分为四层结构：现场仪表层、控制装置单元层、工厂（车间）层和企业管理层。一般DCS厂商主要提供除企业管理层之外的三层功能，而企业管理层则通过提供开放

5、的数据库接口，连接第三方的管理软件平台（ERP、CRM、SCM等）。所以说，当今DCS主要提供工厂（车间）级的所有控制和管理功能，并集成全企业的信息管理功能。如下几个特点:信息化和集成化，DCS变成真正的混合控制系统；DCS包含FCS功能并进一步分散化；开放性更好,能从三个不同层面与第三方产品相互连接。同时，随着国内DCS技术的成熟，竞争力提高，DCS的的价格大幅下降，为其广泛应用提供了方便。3京科电厂DCS系统一体化设计方案京科电厂DCS系统的操作员站布置在集中控制室内，工程师站、历史数据站及打印机等布置在工程师室内，而控制机柜、I/O机柜、电源柜等设备分系统分别布置在锅炉和汽机就地电子设备

6、间内，大屏幕显示器布置集中控制室，远程控制站布置在各辅助车间控制室内，智能前端（远程I/O）分别布置汽机运转层和锅炉房50米平台。图一 和利时DCS一体化设计硬件结构4 系统主要控制功能 本系统一体化设计除满足通常的DAS、CCS、SCS、MCS等一般控制系统外，还将下列系统纳入DCS中，减少了不同控制系统之间通讯，信号传输不可靠能弊端，使整个系统变得简单，方便。从某种意义上讲，这种设计大大提高了整个系统的可靠性和稳定性。4.1 完成对旁路系统（BPS）的监视和控制功能旁路组成本旁路系统由控制、阀门及电动执行机构组成。控制由DCS负责实现。阀门由德国SIPOS 5电动执行机构。阀门包括高旁蒸汽

7、变换阀、高旁喷水调节阀、高旁喷水隔离阀和低旁蒸汽变换阀、低旁喷水调节阀、低旁喷水隔离阀和三级喷水调节阀。改善机组的启动性能(1) 机组在各种工况下(冷态、温态、热态和极热态)用高压缸或中压缸启动时，投入旁路系统控制锅炉蒸汽温度使之与汽机汽缸金属温度较快地相匹配，从而缩短启动时间和减少蒸汽向空排放及减少汽机循环寿命损耗，实现机组的最佳启动。(2) 机组正常运行时，高压旁路装置作为主汽压超压保护安全装置，一旦主蒸汽压力超过高压旁路装置的设定值，高压旁路阀应能快速开启，并按照机组主蒸汽压力进行调节，直至恢复正常值；低压旁路装置依据机组负荷（调节级压力）调节再热汽压，当再热汽压超过负荷对应汽压时，低压

8、旁路开启调节，并控制再热蒸汽压力。(3)旁路系统装置应能适应机组定压和滑压两种运行方式，并配合机组控制实现负荷调节。(4)当电网或机组故障跳闸甩负荷时，旁路系统装置应快速动作（高旁快开，低旁同时快速打开），实现维持锅炉最小负荷运行功能，使机组能随时重新并网恢复正常运行。(5)在启动和甩负荷时，旁路系统装置应能保护布置在烟温较高区的再热器，以防止烧坏。(6)旁路系统装置应具有回收工质，减少噪音作用。旁路系统装置设备性能应满足机组在各种工况下（包括启动、正常运行、甩负荷时），能自动或手动（遥控操作）地正常动作和快速动作（高旁快开<10秒、高旁正常调节<30秒、低旁快关<10秒、低

9、旁正常调节30秒）。4.2 完成对空冷控制系统（ACC）的监视和控制功能 主要功能为更好的实现对空冷系统的控制，保证该系统的安全可靠的经济运行，结合其他电厂的成功经验，利用和利时DCS系统强大的组态功能，实现了全自动控制。 实现的主要功能如下 （1）背压控制； （2）冬季模式下风机的自动投切; （3）夏季模式下风机的自动投切; （4）冬季运行时，空冷岛防冻； 机组在冬季运行时,空冷岛防冻问题是第一位的,因此在以上这些功能实现的过程中,空冷岛防冻程序的优先级是最高的。也就是说，当执行防冻逻辑时，其它任何程序相关的步序都将被禁止。4.2.2背压控制² 风机自动的投入与切除 当风机的自动/

10、手动切换开关在自动位置时，风机启停和转速由背压自动控制，同时运行人员可以人为改变偏置；当风机的自动/手动切换开关在手动位置时风机启停和转速由运行人员人为控制。² 列自动的投入与切除 投入列自动，同一列任一风机均投入自动，可以人为切除本列任一台风机；切除列自动，同一列所有风机均切除自动。² 背压自动的投入与切除 背压自动在自动位置，任一列的列自动投入自动，背压自动有效;切除背压自动时，所有列自动切至手动位置。² 给定值给定值由操作员给定，操作员根据负荷、环境温度和运行经验确定背压给定值，即PS=f（环境温度、机组负荷）。风机在上切/下切指令发送过程中（阀门组操作开启

11、或关闭），自动闭锁调节器的增减输出，目的是防止由于风机突然增加或减少，背压剧烈波动而造成调节器输出的剧烈变化。² 自动跟踪总操输出跟踪所有正转风机变频器的平均操作指令；每列自动跟踪同一列正转风机变频器的平均指令。4.3完成对汽机电调系统（DEH）的控制功能采用和利时公司开发设计的DCS&DEH一体化控制系统。其中DEH（Digital Electro-Hydraulic Control System）电气部分采用和利时公司的S/M系列硬件产品，并配有MACSV控制系统软件，液压控制部分采用了上海汽轮机厂设计的高压抗然油系统，来共同完成机组运行的控制要求。DEH电调主控画面DE

12、H控制系统主要包括以下功能：² 转速控制：实现转速的大范围控制功能，从机组启动到3000r/min定转速，到110%超速试验，在并网之前为转速PID回路控制，其目标转速及升速率可在DEH画面设定。² 自动同期并网：DEH可接受自动准同期装置指令， 自动控制机组转速到电网同步转速，完成并网操作。² 功率控制：并网后可实现功率PID回路控制，其目标功率及负荷率可在DEH画面设定。² 阀位控制：并网后可实现阀位控制，操作员可通过设置目标阀位或点击阀位控制的增、减按钮来改变调门开度。² 压控方式：可设置目标压力和压变率，由PID调节器自动控制机前主汽压

13、力。² 阀门管理：实现单阀、顺序阀转换。² CCS方式：DEH可接受负荷中心指令信号，实现CCS控制。² 一次调频：DEH根据频差变化，自动调整机组负荷，以维持电网频率稳定。² 限制保护功能：103超速限制；阀位限制；高负荷限制；低负荷限制；主汽压力低限制；快卸负荷（RB）；真空低限制；110%超速保护。² 阀门严密性试验：可分别对主汽门、调门进行严密性试验，并自动记录惰走时间。² 阀门活动试验：可对高中压、左右侧油动机分组进行全行程活动试验，或对单个阀门进行部分活动试验。² 运行参数监视：包括DEH控制参数及汽机本体参数等

14、。4.5 完成对汽机电调系统（DEH）的控制功能采用和利时公司开发设计的DCS&DEH&MEH一体化控制系统。单台汽轮机组配备一台电动给水泵，两台汽动给水泵。其中汽动给水泵MEH（Micro Electro Hydraulic Control System）电气部分采用和利时公司的S/M系列硬件产品，并配有MACSV控制系统软件。来完成给水泵汽轮机组运行的控制要求。MEH控制系统主要包括以下功能：² 转速控制：实现转速的大范围控制功能，可使小汽机转速在06000RPM转之间实现定速控制。转速控制采用PID(Proportional-Integral-Derivativ

15、e Controller)闭环控制系统，在设定好目标转速之后，给定转速将以设定的升速率向目标转速靠近，实际转速与给定转速的偏差作为控制高低压汽源调门的指令。小汽机的超速跳闸转速初设值为6300RPM。² 调门控制：MEH可实现转速控制与阀位控制之间的无扰切换。在阀位控制方式下，机组的高压汽源与低压汽源采取联动方式，当低压调门开度达到85%后，将联开高压调门。² 遥控方式：遥控方式为转速控制方式的一种特殊形式。在遥控方式下，转速控制的目标转速不由MEH端人为设置，而是由DCS端设定。² 限制保护功能： 110%超速保护。² 阀门严密性试验：可分别对低压主汽

16、门、低压调门进行严密性试验，并自动记录惰走时间。² 阀门活动试验：可分别对低压主汽门、高压主汽门进行部分活动试验。² 运行参数监视：包括MEH控制参数及小汽机本体参数等。4.6和利时DCS对辅控系统的监视功能 对化学水系统、除灰、输煤、电除尘、脱硫、凝结水精处理等系统进行监视和控制，并对就地控制设备PLC进行通讯，真正实现全厂一体化设计。为了全厂控制系统、电气系统的时钟与网控中心的时钟统一，保证电网的安全，需设置GPS对时装置，为全厂提供统一时钟上。DCS系统设计了GPS卫星时钟接口。时钟接口采用NTP等网络时间同步协议，支持NTPv4.0，v3，v2等协议，局域网同步精度

17、1ms，将GPS时钟信号接至辅助车间集中控制网络的网络交换机上，实现全网自动对时，各工艺子系统在时钟上保持一致。各现场控制站主控单元IP地址设置#10站主控单元#11站主控单元#12站主控单元#n站主控单元A机128网段128.0.0. n129网段129.0.0. nB机128网段128.0.0. (128+n)129网段129.0.0. (128+n)各工程师站、操作员站计算机IP地址设置计算机0计算机1计算机2计算机n(0n88）128网段129.0.0.（50+ n）129网段129.0.0.（50+ n）5DCS系统功能设计系统功能设计如下，包括：数据采集、控制运算、控制输出、设备和

18、状态监视、报警监视、远程通信、变量的趋势和历史显示、日志记录、事件顺序识别、图形显示、控制调节、顺控设备等。数据采集：完成实时模拟量、开关量的实时数据采集功能，系统扫描周期为1s；用于控制的点，系统扫描周期为250ms；重要系统扫描周期为50 ms；开关量SOE扫描周期为1ms。控制运算：除了一般的运算功能外，还支持方案的在线修改，即在系统投运后，仍可以适当增加、删除指定方案程序或变量，并只将改动内容通知系统，进行无扰动在线增量下装。控制输出：主要为模拟量的输出，包括模拟量的输出时基、模拟量转换、模拟量输出禁止、模拟量输出无扰、模拟量输出保持、模拟量输出有效性检查、模拟量输出回读检查、模拟量输

19、出冗余、开关量输出时基、开关量输出禁止、开关量输出无扰、开关量输出保持、开关量输出有效性检查等。设备和状态监视：从操作员站上可监视到系统本级以下的所有硬件的状态，特别是通过现场控制站可以监测到 I/O 模件一级的设备，采用带ProfibusDP现场总线设备还可以检测到通道一级；还可以诊断到各节点、打印机、网卡的故障。报警监视：系统报警监视的内容包括工艺报警和一般故障两种类型。工艺报警的对象来自现场采集站采集的外部变量、内部计算处理的变量、由网络或串行通讯接收的来自其它系统的变量。一般故障报警反映系统本身及其相关设备故障以及某些特定事件，并提供“故障的详细信息。远程通信：系统可以通过通讯控制站与

20、其它系统进行通讯，也可以通过现场控制站主控模块的多功能接口卡上的RS-232、RS-485与其它系统进行通讯。变量的趋势和历史显示：系统的历史数据库可按照模拟量扫描周期和开关量状态变化保留最近72小时内的所有点历史数据和事件，在此基础上，系统支持变量的成组跟踪显示和历史显示。日志记录：日志功能是按时间顺序自动记录、存储和查询运行过程中发生的各种随机突发事件的功能，为运行人员提供事故分析的详细依据。包括所有模拟量超限报警、超量程；开关量状态改变、开关量抖动；计算机系统故障、电源故障；人工操作记录等。事件顺序识别：事件顺序记录功能以1ms的时间分辨率记录不同的相关事件发生的先后顺序的功能。事件顺序

21、记录一般由一个触发事件顺序记录的事故源点和若干个开关量状态变化事件组成（称为一次SOE事故），事故源点可以是若干个外部中断开关量。事件记录点可以根据事故源预先定义相关点，如果未定义事故源相关点，即隐含为全部SOE属性的点为相关点。图形显示：模拟流程图以图形方式表现现场的主要工艺流程和有关的动态信息，并具有对动态点进行操作的手段。模拟流程图组态功能中，用户可以用绘图工具生成各种对象,并将其加入对象库中。也可以从对象库中直接调出已有的对象。每个对象既可以作为对现场情况的显示，也可定义为对某些现场对象的操作。控制调节：用户可以在模拟流程图组态中定义PID调节器、模拟量手操器、开关量手操器操作热点，操

22、作员可以通过操作热点，打开相应的操作画面。顺控设备：顺控设备主要完成电动机、电动门及电磁阀三种典型顺控设备的驱动控制功能。系统提供了顺控设备功能模块，相应地给操作员提供了顺控设备操作界面。调节门：调节门可完成顺控制设备的驱动功能，使以前需要通过十分复杂的组态才能完成的开关控制、限位保护逻辑和报警处理等工作均可由模块自动完成。系统提供的调节门控制功能有：给定开、关输出指令与参数整定等。报表打印：报表大致分为定时报表和实时报表。定时报表一般用来在规定的时刻打印生产过程的操作记录和统计(求和、平均等)，主要用来取代操作工的抄表工作。实时报表则用来随机打印某个时刻的报表或者历史报表，它由人工触发。6

23、DCS 的可靠性设计6.1 电源系统的可靠性 DCS系统的供电系统是其运行的基础，一旦出现DCS系统停电，其后果是不可预测的。电源必须可靠稳定，这方面设计中做了充分考虑：电源系统的冗余-设计中，DCS机柜采用了双路供电；服务器、操作员站为双路无扰切换；远程站或远程I/O的电源从就地电源柜取两路，其中一路接在线小型UPS，保证断电后可连续工作1小时；电源的品质及负荷率-设计中供电主电源取自电气高品质UPS电源，小型UPS电源具有电压调节和净化功能，同时24V，48V电源模件为开关电源，电压适应范围宽；电源负荷率控制在40%以内，以免电源高负荷运行。6.2 网络的可靠性DCS系统是建立在

24、网络技术之上的控制技术，网络的可靠性对DCS系统是至关重要的。各DCS厂家在网络可靠性的研究投入大量的力量，着力改善网络结构、网络协议等方面，以提高网络的安全可靠。在图3.3网络结构中，其系统网络采用了实时工业以太网与工程师站/操作员站连接，构建总线型拓扑结构的高速冗余的安全网络；控制网络采用Profibus现场总线与工业自动化系统各个I/O模块及智能设备连接通讯，系统网络和控制网络分别完成相对独立的数据采集和设备控制等功能，有效的隔离工业自动化系统和IT系统；在系统网络与控制网络之间采用冗余配置的系统服务器完成实时数据库及历史数据库的管理和存取，由数据服务器专门负责完成数据库的操作、维护及数

25、据的传输管理，只是把结果返回给人机界面或将指令下传到主控单元。实际上在网络传输的只有SQL语句和结果数据，提高了整个系统的吞吐量和响应时间。但这种网络结构对服务器的要求提高，需选择高性能的服务器。6.3 系统冗余的设计由于DSC系统为24小时连续运行，电子设备长时间工作，不可避免要发生故障。为了避免由于卡件或操作员站出现硬件故障造成设备停运，设计时对主控单元冗余、电源系统冗余、网络冗余、操作员站冗余、服务器冗余设置，当运行设备出现故障时，热备设备会自动无扰的运行，同时不影响对故障设备的检修。6.4 控制器的负荷率随着市场竞争的加剧,为了降低成本,DCS制造商不断缩减设备配置,将系统优化的空间几

26、乎挤压殆尽,特别是随着CPU芯片主频的提高,使得DCS控制处理能力不断加强,DCS制造商以满足负荷率为标准,减少控制器数量来取得价格的竞争力,结果造成DCS控制分散性下降,使故障风险集中,严重影响了系统整体的安全性和可靠性。根据和利时提供的资料7，其控制器采用Pentium 400MHz 32位CPU，数据存储器容量为64MB RAM，对控制器负荷率可作如下计算。MACS的控制站可带最大I/O模件数为126，按每个控制周期I/O数据通讯量为600bit(M510最大为550bit)，则控制站I/O数据存储空间为75.6KB，内部中间量点数据存储空间可按I/O的400%估算为4×75.

27、6=302.4 KB总的I/O数据存储空间为378KB功能块算法按内存占用最大的算法估算为504×64=32.56KB数据存储器容量为64MB数据存储器占用量控制站采用Pentium 400 CPU。其处理速度很快，为486 CPU的3-4倍。上述数据及算法的处理时间小于50ms。因此，处理时间无需作负荷率考核。因此，每个控制站的处理能力为：最大模拟量输入/输出=126×8=1008最大开关量输入/输出=126×16=2016控制回路数（以PID估算）=126×4=504设计中，控制站最大I/O点数小于400点，按模拟量输入/输出计算，控制站的占用率小于

28、40%，符合要求。6.5硬手操控制设备机组设有紧急硬手操设备，以保证在紧急情况下快速、安全停机。硬手操开关布置于操作员站的操作台台面上，便于操作，同时带有安全防护罩以防误动。硬手操设备包括：停汽轮机双按钮停发电机-变压器组单按钮MFT双按钮PCV阀操作单按钮开大机真空破坏门单按钮启大机交流润滑油泵单按钮启大机直流润滑油泵单按钮保安电源紧急启动(柴油机)单按钮启空侧直流密封油泵单按钮停灭磁开关单按钮开汽包事故放水门按钮关汽包事故放水门按钮独立于DCS之外的重要电源失电声光报警装置这些有段有效的防止DCS失灵后，安全停机，这种设计考虑的比较周全，保证机组安全是十分有利的。7 DCS系统完善7.1 电源更换DCS电源运行中出现过一路电源模块故障，和利时对同一批号的电源模块进行了更换，运行至今未出现过故障。7.2 DCS软件经过一段时间的运行，HOLLiAS-MACS经常出现一些小问题，例如：不能屏幕拷贝、控制器打开后出现异常提示，没有强制查询功能等，针对这些情况，和利时对软件进行了升级和补丁，解决了上述问题。7.3 DCS控制逻辑修改根据现场运行实际情况，和有关规程、规定，对不符合要求，及