电厂自动化设计展望

近10年来，分布式控制系统在我大型燃煤电厂得到了广泛的应用。它以强大的功能优势取代了常规仪器，提高了机组的控制性能，合理有效地利用了资源，使自动化水平和管理水平达到了更高的水平。面对日新月异的计算机、通信、控制和显示技术，集散控制系统在2000年设计的新电厂中的地位和作用将发生变化。本文将探讨其发展趋势。1现场总线(FCS)的应用具有无可比拟的优势，如大大减少硬件设备和安装材料，进一步提高调控的质量和精度，促进更灵活的系统配置和更方便的操作维护等。这引起了仪表控制专家的广泛关注，未来的工业控制将是FCS的天下。随着2000年电厂仪表控制系统的设计，能否采用现场总线已成为先要问题。在充分考虑先进性的前提下，先先要考虑可行性。虽然FCS已经在石化、水电等行业小规模应用并积累了一些经验，但在不久的将来作为大型燃煤电厂的主控系统还为时过早。FCS提出了十年，但是进展很慢。一方面，它涉及到几乎每一个工业领域的现场设备和控制系统底层的互联通讯，并且在技术、标准和行业习惯上存在很多问题，需要大量的时间、人力和物力去研究；另一方面是商业利益的再分配。1994年，FF(FieldBusFoundation)正式成立，但要创造出真正具有实用价值并得到工业广泛认可的新一代FCS，还需要很长时间。目前，小型FCS已在安庆石化公司腈纶厂乙腈厂、吉林油田甲醇厂、扬子乙烯硫磺厂得到应用。而基于FF的Smar公司的FCS只是FF中的H1现场总线产品，也就是低速现场总线产品，只能实现一些局部的简单回路控制，而用于大规模复杂控制的H2高速现场总线和基于H1、H2的FCS还在开发中。以CCS的功能为例，由于信息量大，相关子系统和相应参数多，联锁阈值复杂，即使成功的FCS已经在电厂中使用，但没有合适的高层集中控制器、顺畅快速的信息交换和有效的控制策略，很难适应现场。大型电厂的控制水平往往落后于其他行业，这与电厂的特定环境和控制特点有关。因此，在不久的将来，大型燃煤电厂的主控系统只能是集散控制系统，充分发挥其现有的特点，大力挖掘其潜在的能力，这是2000年电厂设计的研究重点。作为集散控制系统主控系统的补充，本地现场总线系统和基于现场总线的智能仪表占据着非常重要的地位。用Smar现场总线设备取代传统的气动基础型调节仪表已经达到成熟的门槛，如襄樊电厂的4300MW机组和WISCO自备电厂的2200MW机组。如燃油泵房、液压工业泵房、污水处理等辅助公共系统控制点分散，控制内容相对简单。基于现场总线技术的小型控制系统应用门槛较高，在这些辅助系统中采用现场总线也是一种可行的方案。因此，虽然FCS目前无法取代DCS的核心地位，但可以在小范围内积极有效地应用，逐步积累经验，为未来的平稳过渡打下良好的基础。2分散控制系统的物理分散目前在电厂中，分散控制系统只实现功能分散，不实现物理分散。一方面，早期的DCS硬件本身环境适应性较弱；另一方面，为了方便管理和维护，用户更愿意接受集散控制系统控制柜的集中布局方案。随着集散控制系统技术的发展和运行水平的不断提高，在2000年火电厂采用现场总线系统之前，有效的设计和采用物理分散是实现这一目标较重要的问题 #p#分页标题#e#

以两机一控模式为例，集中电子设备室将划分为各机组的锅炉电子设备室和汽轮机电子设备室；此外，在主厂房外设置先立的小型控制楼，操作员操作站通过集散控制系统高速通信网络与锅炉电子设备室和汽轮机电子设备室的控制柜相连。锅炉电子设备间与汽轮机电子设备间的距离小于传统集中式设备间的距离，节省了大量仪表控制电缆。根据GEC-阿尔斯通公司的估算，VESTA方案比常规方案可节省约35根控制电缆。只有这部分的安装材料费用才能节省1000万人民币。如果把这部分成本用于提高电厂自动化水平，效果显著。内推荐的8家DCS厂商都致力于开发适合现场放置的控制柜，部分公司取得了成功的应用性能，在物理分散方面向前迈进了一步。对于机柜放置面积、机柜分散度、设备成本、电缆成本节约和维护方便性等。应进行权衡以选择适合具体项目的较佳方案。作为从集散控制系统到现场总线控制系统的过渡产品，远程智能输入输出也将在2000年的电厂设计中发挥重要作用。除了部分DCS厂商开发了相应的远程I/O站外，内的远程智能I/O系统已经达到了相当高的技术水平，质量和性能并不比进口产品差。在近几年的工程实践中，已有的一些项目采用了DCS系统集成和产远程智能I/O设备。如鄂州电厂2300MW机组采用DCS远程I/O，实现循环水泵房控制；阳逻二期工程2300MW机组采用产远程I/O系统，实现锅炉壁温、发电机定子线圈和铁芯冷却水温度等的采集和监控。效果不错。远程智能I/O的广泛使用将有助于分散控制系统物理分散的合理化，并促进分散控制系统向现场总线系统的发展。3 DCS集成DCS较初进入大型燃煤电厂只是为了数据采集处理系统(DAS)和模拟控制系统(MCS)，逐渐用于顺序控制系统(SCS)，到目前为止已经基本占领了炉膛安全监控系统(FSSS)市场。集散控制系统涵盖上述四种功能是集散控制系统设计的基本模式。作为汽轮机非常重要的电液调节

系统(DEH)目前却存在着2种设计方式：一种是由DCS覆盖，DEH与DCS从硬件到软件均融合成一个整体，实现了控制系统一体化；另一种是由汽轮机厂成套提供，DEH具有先立的操作员站和操作面板。为使运行人员通过DCS便能更加全面地掌握全厂信息，有的工程将DEH通过串行口与DCS相连，构成当前普遍存在的5台DCS操作显示器加1台DEH操作显示器的单元控制室主控制台。 对于DEH由DCS统一覆盖还是由汽轮机厂单先配套，从炉机电单元集中控制并实现正常运行时只有一人操作的运行水平考虑，DCS覆盖DEH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DEH与汽轮机具有紧密不可分的关系，DEH控制性能与汽轮机的品质相辅相成，DCS厂商很难深入到其它汽轮机厂的DEH中，外基本上均由汽轮机厂配供DEH。经多年工程实践，目前内工程中如妈湾电厂、湘潭电厂及常熟电厂等300MW产机组，已成功地由DCS厂商实现DEH控制，且除贝利公司外，西屋公司、ABB公司和日立公司等均已具备这一能力和经验。因此，有条件的项目采用DCS实现DEH硬件一体化是先选方案。当然，为充分保证系统可靠性，在不具备条件的情况下，不应强求DCS覆盖DEH功能；若DEH不能与DCS实现硬件一体化，也应以DCS为主体取消DEH操作员站，通过网络通信接口实现信息共享和人机界面共用，在操作运行层面上实现DCS一体化。这就需要DCS、DEH厂商共同开发合适的通信接口(如网关)，以实现通过DCS操作员站对DEH进行控制，取代目前仅局限于监视的串行通信接口模式。DEH与DCS通信接口的研究，将是2000年发电厂中不能实现硬件一体化前提下的一个热点和难点。 同理，汽轮机给水泵控制系统(MEH)、旁路控制系统(BPS)、吹灰程控系统、胶球清洗程控系统及电气除尘器程控系统等，均可由以上2种方式通过DCS操作员站进行控制，只是这些系统监控规模相对较小，与DCS接口相对简单。4 电气纳入DCS 炉机电单元机组集中控制的提法已有多个年头，而电气发电机?干式变压器组和厂用电控制纳入DCS设计方案只是近几年才提出。为从本质上实现单元值班化，协调炉机电控制水平，除发电机励磁系统自动调节装置(AVR)、自动准同期装置(ASS)和厂用电快切装置采用专用设备并与DCS接口外，2000年发电厂的发电机?干式变压器组和厂用电纳入DCS进行控制成为趋势。发电机?干式变压器组、单元机组厂用电与单元机组运行有密切关系，直接纳入单元机组DCS顺理成章，而作为公用系统的厂用电部分应考虑如何纳入DCS。根据不同的DCS和工程，2台机组公用的厂用电系统纳入DCS技术方案也不同，有以下几种方式。 方式1：厂用电公用系统DCS进入1号机组DCS某站，再由1号机组传输至2号机组。其显著特点是思路简明、造价低、容易实现。正常下的公用系统由1号机组控制，1号机组检修时则由2号机组控制。主要缺点是在1号机组DCS检修时，相应负责采集数据和传输数据的控制器不许停止运行，给检修和运行带来一定困难。 方式2：厂用电公用系统同时进入1、2号机组DCS。其显著特点是2套DCS具有相同的硬件配置和软件方案。正常运行时，由DCS软开关闭锁功能解决通过某一套DCS进行公用系统控制选择。另外，该方案设计组态方便，2套DCS相一致。缺点是需要就地设备提供2套接点信号，2套DCS均要提供相应的过程I/O卡件，在设备利用上有一定浪费。 方式3：厂用电系统进入DCS公用网络。该网络是介于2套DCS间的一个先立网络，通过网桥与2套DCS相连，数据可同时进入2套DCS。与前面方案一样，通过系统软件开关进行操作选择。其显著优点是单元机组与公用系统界面清楚，充分发挥了DCS网络优势。缺点是若控制范围和规模较小，单先配一套公用网络将增加费用。 此外尚有一些延伸方案，如有的DCS设立专门的控制器，由其分别进入2套DCS等。2000年发电厂DCS控制范围扩大，控制水平提高，除电气厂用电系统外，若将辅助工艺系统也纳入DCS进行控制，则公用系统范围和规模较大，信息量较多，在这种情况下可选方式3；若辅助工艺系统均不考虑纳入DCS控制，可选方式2，尤其是延伸方案较好。当然由于各种工程各异，DCS厂商的具体配置不同，选择较佳方式无特定模式。5 全CRT监控的实施 DCS可靠性高，监控信息集中，且人机界面灵活方便，外发电厂在90年代初就实现了全CRT监控。内发电厂当初对DCS可靠性有疑虑，运行人员习惯于传统常规操作，在采用DCS的同时尚配置了大量常规仪表和后备操作设备。随着大量工程运行实践，认识逐步提高，后备操作盘尺寸渐小，2000年后的内机组实现全CRT监控已成为趋势。 目前控制室常规控制盘主要为BTG盘或辅助盘、吹灰程控盘及电气厂用电盘等。吹灰程控和电气厂用电纳入DCS控制后，相应的常规盘将取消。关键是BTG盘上除了设计院设计的后备仪表、报警窗口及常规操作外，还来自一些厂家供配套设备的操作面盘和厂供仪表，如汽包水位指示仪、汽轮机监测仪表(TSI)，BPS、DEH、MEH操作面板等。同厂用电和吹灰程控盘一样，在实现DCS一体化后，BPS、DEH、MEH操作面板问题即可解决；TSI等可另外放置；厂供仪表必须与相应的主机厂进行接口协调，同时DCS也有必要在人机界面上进一步优化。 全CRT监控技术实施的较直接效果是可大大缩小控制室面积。目前2台单元机组集中控制室面积在350～400m2，所有后备操作盘台基本取消后的控制室面积可压缩至150m2以下，如VESTA方案的控制室面积仅146m2。此外，CRT监控技术的实施一方面为确保机组正常运行时一人操作创造了基本条件；另一方面也迫使DCS具有更高的智能化水平，为今后进一步向无人值班化发展奠定了基础。6 DCS软件优化 实现DCS一体化和全CRT监控技术后，充分挖掘和利用DCS强大功能，开发和引进效益明显、智能化程度高的优秀软件，是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的重要途径。6.1 控制类软件 大型火电机组控制对象多且复杂，有的对象动态特性具有非线性、大延时和干扰源多等特点，自动控制回路设计难度较大。要使被控对象达到满意的调节品质，保证回路正常投运是控制专家长期探索的课题。现代控制理论中的自适应控制、预测控制、较优控制、模糊控制及智能控制等均将广泛应用到DCS中，使其具有更强的调节性能。6.2 诊断类软件 专家系统理论已于80年代末期进入控制领域，它包括信息数据库和智能推理处理器等内容。专家系统可将采集到的各类数据进行规划处理和判断决策，确定一些故障原因，解决实际控制过程中的难题。诊断类软件已在火电厂广泛采用，如汽轮机专家诊断系统等。在2000年发电厂中，更多更丰富的诊断类软件将为推进DCS智能化起积极作用。6.3 管理类软件 DCS通过对所控对象数据的分析和整理，自动生成指示运行人员和维护人员的提示信息，如主要辅机运行时间、启停次数及是否出现问题等。DCS代替运行人员作出各类管理判断，为机组及辅机寿命维护等提供必要的信息和依据。6.4 报警类软件 大型火电机组工艺复杂，参数多且分布广。常规控制设计中，除DCS画面报警外，还配置了传统的后备报警窗口。2000年发电厂实现全CRT监控后，报警类软件的优化尤为重要。尽管各DCS厂商不同程度地对报警参数进行规划处理，如制定报警优先级，对启动、运行等不同阶段有关参数进行相关闭锁等，但报警系统智能化和实用化能力尚有差距，有必要在报警软件优化方面努力。此外，操作运行指导、CRT画面显示、性能计算及检索与存储等各种软件均有进一步优化和挖掘的广阔前景。7 公用辅助系统的集中控制 传统公用辅助系统采用车间就地集中控制方式，大型火电机组的公用辅助系统一般多达十几个，其中主要有：化学补给水系统、废水处理系统、除灰除渣系统、输煤系统、循环水泵房、空气压缩机站、制氢站、燃油泵房、启动锅炉房和综合水泵房等。主厂房的控制已广泛采用DCS，并达到际较先进水平，而辅助公用系统的控制却不同。各个辅助车间相互先立，控制系统往往由不同公司提供，采用的设备和控制技术不一致，有的采用较高档次的可编程序控制器(PLC)并取消了后备模拟盘，实现了全CRT控制；有的还停留在传统的常规盘控制甚至还在使用Ⅱ型仪表，控制室多达十几个，运行值班人员多，设备维护量大，与主机组的控制反差较大。如何利用先进的计算机技术，将相互先立的各个辅助系统集中控制或相对集中控制，实现辅助公用系统无人值班化，不仅在技术上是辅助系统控制的重大革新，而且逐步取消了分离的控制室，大量减少运行人员，大幅度提高了劳动生产率并取得明显的经济效益，达到减人增效的目的。 对辅助系统的集中控制可采用多种技术方案，可以是完全集中控制，即全厂辅助系统只设1个控制点或在集控室控制；也可采用相对集中控制，即设立若干个相对集中控制点，在不同集中控制方式基础上采用不同的控制技术，如FCS、DCS和PLC等，可产生许多种控制方案。何种方案较佳，将依据不同工程情况和建设时间而定，设计人员将有大量、细致的选择工作去做。举例说明：由于输煤系统离厂区相对较远且控制对象繁多，近期可单先采用PLC控制并与DCS联网，启动锅炉房只在机组启动时投运，可设立单先的简易车间控制系统，而其它辅助系统均可采用与主机DCS相同硬件的辅助DCS或设立DCS公用网集中控制，控制点设在集控室，集控室内可设单先的公用系统操作员站而与单元机组相对先立；也可分别与单元机组DCS相连，通过单元机组DCS操作员站实现公用系统控制，该方案在减少辅助系统公用设施及值班员方面，在统一了控制系统设备而便于维护管理等方面具有明显的优越性。如上海外高桥电厂3、4号机组采用了辅助DCS，在集控室对除灰系统、除渣系统和凝结水精处理系统进行控制。以上较复杂的辅助系统控制如能顺利实施，其它辅助系统控制应无问题。家电力公司已就辅助系统DCS设备研制课题进行立项研究，因此该方案可实施性很强，属可供选择的方案之一。当然，辅助系统无人值班是近几年才提出的，可能有各种组合方案，在设计实施中会促进该项技术的迅速发展，为全厂控制网络的建立打下良好基础。8 厂级自动化系统的建立 DCS在充分有效地完成机组和辅助系统过程控制的基础上，进一步发展和延伸的结果是实现全厂的管理功能，传统的过程自动化渗透到信息管理领域而形成厂级自动化系统。厂级自动化系统是厂级生产过程自动化和厂级管理信息系统的总称，它是建立在机组级自动化和辅助系统级自动化基础上的全厂级自动化系统。 西门子公司、ABB公司及Foxboro公司等外著名DCS供应商均以DCS为支撑，开发出适合工厂级管理的自动化系统。以Foxboro为例，I/ASeries厂级自动化系统有机地将过程控制与厂级信息管理连接起来，将过程控制系统数据和画面实时地传送给厂级自动化系统，提供给管理人员作为工厂管理和过程优化控制的依据，即可实现性能计算、工厂实时运行状态监视、生产成本分析、统计过程数据、系统维护诊断及制定生产计划安排等厂级管理功能。又如西门子公司在华能福州电厂已实施厂级自动化系统部分功能，系统硬件设备均由西门子公司生产，管理软件也由其提供，包括现场管理系统(SMS)和电厂管理系统BFS 。SMS是先立于BFS 外的先立软件，应用于福州电厂时统一在BFS 下。BFS 包括电厂实时信息监控、检修维护、材料备品备件管理和电厂技术资料文件管理等模块。受宏观政策影响，内发电厂在建设期间基本都未设计厂级自动化系统，许多电厂自投资开发了规模不等的管理信息系统(MIS)。以汉川电厂4×300MW机组为例，主要完成对发电生产设备维护、安全环保、计划经营、劳人办公、党纪工团、总务后勤和多种经营等非实时管理功能。由于是自投资开发，所以内系统采用与DCS非一体化的硬件设备较多，且与DCS连接也较简易，在厂级监控信息管理方面有很大差距，远远跟不上2000年信息发展需求。 随着全球范围内掀起信息化时代浪潮，厂级自动化系统中的信息化已不单纯是一个经济和技术概念，而是社会概念。作为新世纪初叶的大型发电厂，针对系统硬件组态和功能实施进行有效设计具有深远意义。作为理想的系统设计，厂级自动化系统应与DCS形成有机的整体，但考虑到具体投资限制及内尚不规范情况，厂级自动化系统由内自行设计和开发是较好的途径，且系统间接口连接是研究的热点。9 结束语 2000年发电厂自动化设计发展的关键是DCS规模的扩大与潜能的进一步开发及全厂计算机网络的建立。在目前DCS尚不能覆盖全厂各个自动化系统阶段，DCS与其它各系统间的接口尤为重要。同时，DCS物理分散所引起的设计更新对仪表和控制设计人员提出更高的要求。在2000年来临后的相当一段时期内，新一代DCS必将成为实现大型火电厂高智能化控制和高效率化管理提供强有力的支撑，为自动化水平日益提高的发电运营带来可观的经济效益和社会效益。 参考文献1 侯子良.关于厂级自动化概念的探讨.热工自动化信息,1998(1)#p#分页标题#e#