火电厂热工控制系统的现状及其在火电厂的应用前景

火电厂热工控制系统的现状及其在火电厂的应用前景

杨文君

杨文君（大唐鲁北发电有限责任公司山东滨州250019）

中图分类号：Ｇ71文献标识码：Ａ文章编号：ISSN1004-1621（2014）10-040-03

随着火力发电机组向高参数、大容量的发展，对机组自动化的要求日益提高，以"4C"（计算机、控制、通信、CRT）技术为基础的现代火电热工自动化技术得到了相应发展。其中，最有代表性的是问世于20世纪80年代的微机分散控制系统（DCS），DCS自诞生伊始，便展示出蓬勃生机，日益发展完善，并广泛应用于大机组的自动控制。目前300MW以上的火电机组，无论国产机组还是引进机组都普遍采用DCS，就连200MW、100MW机组也使用DCS进行改造，这主要是由于DCS系统给电厂在安全生产与经济效益等方面带来的巨大作用，使以往任何控制系统无法与其相提并论。随着控制技术、计算机和通信技术的进一步发展和用户对生产过程控制要求的日益提高，促进了对新型控制系统的研究，一种全数字化的控制系统-现场总线控制系统（FCS）问世了，FCS虽然有无可比拟的优越性，但在火电厂中能否充分发挥其优势，其使用前景如何是值得探讨的问题。

1DCS仍是目前火电厂热控系统的主流

DCS是集中了分散仪表控制系统和集中式计算机控制系统的优点发展起来的一种系统工程技术。它采用控制功能分散、操作管理集中、信息共享的基本原则，既具有监视功能（如DAS），又具有控制功能（如CCS、SCS、FSSS、DEH），结构上采用能独立运行的工作站进行局部控制，工作站间采用局部网络进行通讯实现信息传递，在功能上，采用分层递阶控制思想，并可与更上一级计算机或网络系统进行通讯联络。火电厂DCS的应用在不同程度上提高了火力发电机组的数据采集与处理、生产过程控制、逻辑控制、监视报警、联锁保护、操作管理的能力和水平，是目前热控系统的主流，其自身也在不断完善和发展，在火电厂热工自动化领域有广阔的应用前景。

1.1DCS向开放化发展

火电厂自动化系统是由执行不同监控功能的计算机组成。为使多种计算机系统便于连接和通信，实现数据传递和资源共享，采用满足MAP/TOP协议要求的开放式工业计算机系统是必然的趋势。早期的DCS一般都采用专用控制网络将自家的工作站或可编程控制器(PLC)等产品连接起来构成，在网络中不允许连接其它厂家的产品或不同型号的产品。目前，DCS各制造厂商纷纷将自己的专用网络进行改造，使其符合国际标准，或在自己的专用网络和普通网络之间加入网关，使其与以太网、MAP网连接，使已有产品向开放式系统改进和完善。大多数DCS还采用了直接容纳PC机的配置方案，使PC机及在其上开发的软件均可在DCS上运行，并且通过PC机也可实现不同系统间的连接，打破了DCS自成一体的封闭局面。

1.2软件不断丰富

大型火电机组控制对象多且复杂，具有非线性、大迟延、控制参数相互影响、干扰源多等特点，使得自动控制系统设计难度较大。在采用DCS后，可充分利用其潜在能力，实现高级复杂控制算法，如自适应控制、模糊控制、预估控制、非线性控制、神经元控制等，以提高机组自动控制的质量。例如镇海电厂200MW机组主汽压和主汽温的控制系统采用模糊控制技术，调节品质明显提高；华能南通电厂将N-90分散控制系统中Smith预估器功能应用于350MW机组的协调控制系统，取得成功。

除控制类软件不断丰富外，一些管理类软件、报警类软件、诊断类软件也在不断优化和发展。例如汽轮机专家诊断系统已在火电厂广泛采用。软件智能化程度的提高，可进一步提高机组运行管理水平，有效提高机组可用率和经济性。

1.3全CRT监控模式

20世纪90年代，以RISC技术为基础的Workstation引入DCS的人机接口（MMI）,极大地丰富了MMI的图形功能、编程功能及人机对话功能，并满足过程监控的简捷、方便和实时性高的要求。90年代初，国外新投运机组已实现了全CRT监控技术。在我国，DCS应用初期，人们习惯和相信传统的监控设备和监控方式，因此在工程设计中仍配置了大量的传统监控设备作后备，经过近几年实践，DCS在火电厂运行的可靠性得到了普遍肯定，目前工程设计中已取消大量传统的后备监控设备，仅保留少数几个紧急停机开关，预计不久，火电单元机组全CRT监控技术将被广泛接受；另外，近年来大屏幕显示技术引入DCS，大大改善了人机界面。在单元机组向全CRT监控发展的同时，火电厂其他子系统和辅助车间也在向全CRT监控发展，这必将简化自动化系统，缩小控制室和监控面，减少监控人员，节省投资，并进一步提高电厂的安全经济水平。

1.4DCS功能覆盖面的一体化

早期火电厂DCS主要实现数据采集与处理（DAS）、模拟量控制功能（MCS），并逐步实现顺序控制功能（SCS），目前有的DCS还覆盖了炉膛安全监控系统（FSSS）和汽轮机电液调节系统（DEH），也就是说实现DCS一体化的方式有二：一是由DCS实现DAS、MCS、SCS、FSSS、DEH五大功能，这样硬件型号统一，相互通信接口方便，在简化系统、减少监视操作面和便于维护管理等方面具有明显的优越性，但价格较贵，且要求厂家具有FSSS和DEH的设计运行经验，目前除贝利公司外，西屋公司、ABB公司和日立公司等均已具备这一能力和经验。在实际应用方面，经多年实践，国内一些电厂中如妈湾电厂、湘潭电厂及常熟电厂等300MW国产机组，已成功地由DCS厂商实现FSSS和DEH控制；二是由DCS实现DAS、MCS或DAS、MCS及SCS的功能，FSSS及DEH由专业生产厂配套，或者用可编程控制器(PLC)实现SCS、FSSS功能，通过通信实现数据共享和监视设备共用，这样可以降低造价，但在通信规约未统一前，还要认真解决接口问题或继续保留硬接线方式。总之，电厂应用DCS能否实现五大功能在硬件上的一体化，应根据DCS厂家的经验和技术，经技术经济比较后确定。

1.5实现辅机DCS控制

我国火电厂主机控制系统已广泛采用DCS，并达到国际较先进水平。但辅助系统的控制却不同，按照目前各电厂辅助系统控制设备的配置情况，一些主要的辅助系统，如除灰、除渣、输煤、化学水处理等均采用PLC与上位计算机组成的控制系统，一些较为次要的控制系统近年来也逐步采用小型PLC进行控制，也就是说我国的电站辅助系统，尤其是大型电站已初步形成以PLC为主导的控制系统框架，但在技术及管理上暴露出很多问题：较为分散的控制室不易管理；各个控制系统采用不同的硬件和软件，给备品备件管理、人员培训及维护等造成了一定难度；将辅助系统的运行信息连接到MIS存在一定的难度等等。但若能实现辅助系统的DCS控制，就可解决这些问题。

随着DCS、网络、计算机、大屏幕及PLC控制技术的日益成熟，在较为成熟的大机组上推广采用DCS技术的条件已经具备。对辅助系统的集中控制可采用多种技术方案，可将辅机系统接入主机DCS，采用相对集中的方案，或采用高度集中后，再与主机DCS和MIS连接在一起。如我国上海外高桥电厂3、4号机组实现了辅助DCS改造，将除灰系统、除渣系统和凝结水处理系统引入机组集控室，监视、控制一步到位，实现了主控室对辅助系统的监控。另外，一些正在筹建的大型电厂也正在积极研究采用辅助DCS方案，以实现减员增效，提高管理和技术水平。

1.6远程智能I/O

虽然DCS是目前工程应用的主流，但传统的DCS也有一些不足之处，如过程测控站过于集中，环境条件要求高，现场信号电缆多，施工、维护不易，接地处理要求严格等。在这种情况下，许多生产厂家推出了远程智能I/O装置。远程智能I/O作为一种独立的系统由三部分组成，即智能前端、现场通讯总线和计算机适配器。智能前端是放置于生产现场的测控装置，完成A/D、D/A转换、滤波、去抖、热电偶、热电阻测量变换及PID控制等功能，实际上就是现场总线产品。现场通讯总线采用全数字串行通讯方式，可支持点对点、点对多点、主从式及广播式等工作方式，与目前流行的现场总线产品完全一致。通讯适配器完成整个网络统一协调管理，实现与主控系统的信息交换。实践证明，基于远程智能I/O的DCS既能有效取代传统DCS测控站，提高系统可靠性，又具有现场总线的许多优点。可见，远程智能I/O系统是DCS向FCS过渡的一种重要技术和产品。在近几年工程实践中，有些已局部采用了DCS系统一体化和国产化的远程智能I/O设备，如鄂州电厂2×300MW机组采用DCS远程I/O，实现了对循环水泵房的控制；长春热电二厂200MW机组改造后的EDPF-3000分散控制系统中，其DAS部分采用了"893-远程智能I/O"系统，准确度很高。可见，DCS发展至今已相当成熟和实用，成为火电厂热控系统的主流。

2FCS在火电厂的应用前景

2.1FCS的特点

FCS是基于现场总线产品的控制系统的简称。现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它采用数字传输方式，可实现高精度的信息处理，提高控制质量；它采用1对N结构，用一对传输线可连接多台仪表，实现主控系统和多台仪表间的双向通讯，具有接线简单、配线成本低、维护维修及系统扩展容易等优点；它采用开放式互连网络，所有技术和标准面向全世界各生产厂家开放并共同遵守，用户可任意实现同层网络和不同层网络的互连，共享网络数据库；它将控制功能分散到现场仪表中，实现了真正的分散控制，但仍允许在控制室的人机界面上对现场仪表进行运行、调整和信息集中管理。

2.2FCS在火电厂的应用优势

FCS在结构、性能上优于传统的DCS，是工业控制系统的发展方向，在石化、水电等行业已开始小规模应用并积累了一定的经验，但在控制对象非常复杂而运行可靠性要求又极高的火电厂，FCS的优势不一定能充分发挥。我们可以从以下几方面进行分析：

(1)电站I/O特点。FCS的重要优势之一就是节省大量的现场布线成本，因此现场总线技术适合于分散的、具有通信接口的现场受控设备的系统。而发电厂在主厂房内测点密集、现场装置密集、设备立体布置，属于具有集中I/O的单机控制系统，因此发电厂采用FCS在布线成本的节省方面没有太明显的效果。FCS的另一优势是，它执行的是双向数字通信现场总线信号制，可以实现远程诊断，而电厂的辅助车间相距较远，因此在辅助车间和系统适度集中控制方面，FCS所具有的节省布线成本、远程诊断的优势可以得到充分发挥。

(2)火电厂控制系统具有复杂性。对于火电厂不同的自动化监控系统，由于其复杂程度不同，FCS的优越性体现也有所不同。火电厂的DAS系统，主要采集全厂信息。采用FCS，对于地域分散的各个点的信息采集，可以发挥其优越性，即便对于信息相对集中测点，也可采取区域集中采集方式，再通过网桥挂到总线上去。对于火电厂的MCS系统，以300MW火电机组为例，若不分难易复杂程度，每台机组约有110套模拟量闭环控制系统。在这些MCS系统中，作为执行一级的，多数为简单的单回路调节系统，对于这类系统，FCS最能发挥其优势；作为功能一级的MCS系统，其复杂程度有所增加，有时为了改善调节品质，需加入一些前馈信号、反馈信号、校正信号等构成复合控制系统，对于这类系统，FCS的优势能否充分发挥，要针对各个系统具体分析，不宜一概而论；作为协调一级的MCS系统，复杂程度最高，如火电厂中的机炉协调控制系统（CCS），含有负荷控制、主汽压力控制、主汽温度控制及汽包水位控制等控制系统，它的输入、输出将涉及数十台设备的状态，这些设备分散在整个厂域的各个地方，如此复杂的MCS系统，FCS的优势就显得很不明显，如果按照FCS的典型做法，将控制和处理功能分散到数字智能现场装置上，而不是采用目前的DCS这种传统做法，即通过I/O模件送入高一级控制器内进行处理运算，那么由于控制功能分散，对于一个控制系统而言，显然是增加了故障点。再则，为实现复杂控制系统的控制功能，必然要在FCS系统的低速与高速两层通讯网络内频繁的更换信息，大大增加了控制系统的处理周期。对于火电厂的SCS、APS（报警保护）系统，凡是针对单台设备或单个执行器的，现场总线技术的典型系统是采用小型PLC来实现，再将该小型PLC挂在高速总线上；而对于协调一级的SCS与APS系统，其SCS是控制机组自启停，而APS是全厂大联锁，它们在使用FCS时所遇到的问题与CCS所遇到的问题十分相似。总之，对于火电厂那些涉及输入输出设备较多的复杂的系统（如CCS），FCS的优势并不突出。

(3)现场装置与控制器。FCS虽然采用了智能化的现场仪表，但就目前FCS各公司开发研究的情况来看，在模拟量闭环控制方面，数字智能现场装置还不能承担起全部功能。如FF现场总线，能提供10个基本模块（有各种输入输出及PID调节模块）及先进功能块19个，共计29个，这也只能使DCS中一些简单的单回路反馈系统的控制功能下放到数字智能现场装置中。另外，还应看到，尽管部分FCS公司开发了一些功能块，利用这些功能块可以组态各种控制系统，但FCS在软件模块化设计方面远不如DCS系统。DCS定义了上百种功能块，例如电站专用的热电偶分度表、热电偶冷端自动温度补偿、水位-压差转换关系中的压力校正等，这些运算关系在成熟的DCS中都已软件模块化，进行应用软件组态时使用非常方便。可见，对于火电机组这一特殊控制对象，FCS不可能把控制功能全部下放到数字智能现场装置中，DCS的传统做法在FCS中还应保留。

(4)信息集成。目前在电力系统"厂网分开、竞价上网"的改革已成定局，各火电厂为加强管理，纷纷建立管理网络，如建立全厂MIS网络。现场总线技术适合对数据集成有较高要求的系统，因此目前火电厂要建立的车间监控系统、全厂MIS系统等，在底层使用现场总线技术，可将大量丰富的设备状态及生产运行数据集成到管理层，为实现全厂的信息系统提供重要的基础数据。

2.3FCS在火电厂的实践

我国目前采用FCS的系统还不太多，其中多数应用在冶金、化工、制药等行业，以非主流现场总线产品占大部分，在火电厂使用的例子就更少。目前在我国火电厂，FCS仅在局部使用。例如：四川广安电厂的西门子SIMATICS7PLC可组成L2-DP网络，遵循PROFIBUS协议标准；湛江电厂使用PROFIBUS实现系统实时监测，成为电厂综合管理信息系统（ZDMIS）的主要组成部分；常熟电厂的FOX-PRO公司I/ADCSI/O模件（现场总线模件FBM）之间联系遵循IEE1118协议标准；华能珞璜电厂的ALSPA-P320控制系统中采用了WorldFIP现场总线技术。这些系统仅仅是遵循现场总线协议，其它方面和DCS没有什么差别，是不完善的FCS系统，也可看作是由DCS向FCS发展的一种过渡型控制系统。

3结束语

现场总线技术代表了未来自动化发展的方向并将逐步走向实用化，但由于大型火电厂的具体环境和控制特点，近期内其热控系统只能以DCS为主，为充分发挥DCS的优势和潜能，还应对其不断完善和发展。对于FCS，目前在火电厂可在小范围内局部应用（例遵循现场总线协议，采用远程智能I/O等），以便为将来实现由DCS到FCS的过渡积累经验，打下基础。

参考文献

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