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火电厂辅助车间集中控制方案研究 吕玲 夏明 发布时间:2009-09-18摘要：介绍了电厂辅助车间的特点和监控现状，论述了辅助车间集中控制的设计原则和应达到的自动化水平。针对辅助车间集中控制的3个方案，着重分析了可编程控制器(PLC)上位机方案中的联网方案、分散控制系统(DCS)方案中DCS适应辅助车间集中控制的功能特点、现场总线控制系统(FCS)方案中现场设备信息化对辅助车间集中控制具有的优势。从工程业绩、过程控制能力、集中控制系统建设、不同系统间集成等方面对控制方案进行了对比，指出了以DCS为基础、结合现场总线的应用是辅助车间集中控制的发展方向。关键词：火电厂，辅助车间，集中控制，PLC，DCS，FCS0 引言目前，火电机组已普遍采用分散控制系统(DCS)控制技术，实现了机组各项功能的一体化控制，大容量机组实现了全能值班员模式的机组运行监视。DCS为发电机组主机的安全经济运行提供了保证，这种控制方式成为当前公认的主机系统的优秀控制方式。与此形成鲜明对比的是各厂辅助车间运行监控水平相差较大，自动化水平普遍偏低。目前电厂为减人增效，做到辅助车间少人值守或无人值守，正加快实施辅助车间监控网络化和集中控制(简称辅助车间集中控制)，一些电厂实现了按水、煤、灰工艺过程划分的车间级集中控制。还有一些电厂进一步简化水、煤、灰车间级集中控制，实现了厂级辅助车间集中控制。辅助车间控制传统上采用可编程控制器(PLC)，以PLC/上位机监控技术为基础实现辅助车间集中控制是最直接的选择；随着DCS价格大幅下降，尤其是国产DCS价格已低于相应规模的PLC/上位机价格，加之DCS的优秀性能，DCS越来越多地被用于实现辅助车间集中控制；现场总线是当今自动化领域的热点技术，它可以提供更为丰富的控制信息，进而提高系统的监控和管理水平，国内已有在水处理系统中采用现场总线控制系统的应用实例。这3种控制技术为辅助车间集中控制提供了更多的选择，可以在基本不提高系统造价情况下，使辅助车间控制达到与主机DCS相当的控制水平，并提供与主机DCS及其他管理系统联网的可能性。1 辅助车间集中控制设计原则和应达到的自动化水平大型火电厂辅助工艺系统约有40多个，所处地理位置分散，各系统运行相互独立，难以与主生产系统的运行和管理完全协调一致。辅助车间集中控制系统应以工艺相对复杂、运行可靠性要求高、工艺过程相近的系统为主线进行控制系统的整合，合并监控点，实现辅助车间的车间级集中控制，如按水、煤、灰划分的车间级集中控制。条件具备时，将全厂辅助车间控制点集中为1个，以达到减员增效、提高辅助车间控制水平的目的。辅助车间系统地理位置相距较远，设备冗杂，现场转动机械和传感器故障率较高，有一些分析项目(如煤、灰、水样分析)尚无法在线监控而需人工实现，同时考虑到运行的安全性，应在问题比较突出的工艺系统电子设备间设置后备操作点。这些后备操作点具备对工艺系统完整的操作、监控能力，但只是在调试、试运行、检修或联网故障时使用，按无人值班考虑。集中监控点在正常运行时完成对辅助车间各系统的监控。实现辅助车间集中控制后，同一工艺系统存在多级监控点如工艺系统级、车间级、中控室级(厂级)，为了安全和防止操作的混乱，对于相同对象的操作，在不同级的监控点之间需具有控制操作闭锁功能。辅助车间系统专业性质差别较大，即使实现了厂级辅助车间监控网络化和集中控制，也应能对车间级以下的监控点的监控范围进行限制，屏蔽其监控范围以外的信息，以防止误操作造成设备损坏。另外，由于辅助车间系统施工调试工期各自独立，已投运的系统不应受到调试系统的影响。2 PLC上位机辅助车间集中控制方案在相当长的时间内，分散的PLC+CRT站监控方式在电厂辅助车间的控制中一直占据主要地位，这种控制方式很好地适应了辅助车间的特点和当时的监控需求：输煤系统、燃油泵房、除灰除渣系统、化学水处理系统、凝结水处理系统、废水处理系统、循环水系统等遍布全厂，地点分散，且配备有专门的控制室及运行人员；大部分系统为间歇式运行；开关量控制占据着辅助系统控制的核心。PLC上位机辅助车间集中控制方案能发挥PLC在分散的辅助车间工艺系统中具有良好控制性能的优点，同时引入新技术减少控制点，提高自动化程度，降低投资及运行成本。实现PLC上位机模式的辅助车间集中控制，最重要的环节是利用先进的网络技术将各自独立的辅助车间工艺系统整合形成车间级监控点内和全厂范围内的控制网。车间级监控，电内的网络有2种组网方式：(1)采用PLC专用通信网络实现PLC站相互间以及与上位机间的通信；(2)采用统一的网络形式如以太网实现此类通信。全厂范围内的网络主要是支持计算机之间的通信，通常选用比较流行的计算机网络如以太网。车间级组网方式(1)的特点是：当车间级监控点范围内PLC站的型号相同时，采用成熟、可靠、有专用硬软件支持的确定性的PLC专用通信网络联网，信息传递具有实时性强的优点，但当PLC站类型不同时，将造成联网困难和复杂。这种组网方式的车间级控制网和全厂控制网是各自使用特定的网络完成特定的功能，可把PLC专用通信网络和上层控制网隔离开来，在运行中不会产生互相干扰或信息流冲突，可保证网络系统相对安全。车间级组网方式(2)的特点是：PLC间控制网也使用以太网，优点在于网络标准化、通用的硬件和软件支持、支持不同类型PLC间联网、通信速率高、易于扩展。以太网的最新发展中应用了交换技术、全双工通信、快速以太网、VLAN、IGMP、端口优先级等网络技术，使其具有了实时性，成为一个确定性的网络。为保证网络的实时性和可靠性，辅助车间集中控制中的以太网都选用工业以太网。PLC上位机模式辅助车间集中控制的系统体系结构以浏览器服务器或客户机/服务器2种结构为主。操作站监控软件选用与所选PLC和网络设备兼容性好、可操作性强、安全性高、支持冗余数据连接、适合辅助车间工艺流程显示和报表数据记录要求的软件，如iFix等。3 DCS辅助车间集中控制方案DCS从一开始就强调控制、通信和各种操作监视各功能间及硬件和软件间的协调，因而整个系统一直保持性能优越、功能强大的优势。现代DCS更是具有开放的结构、方便的人机界面、灵活的控制组态和强大的软件功能，基于DCS的解决方案越来越多，DCS在电厂辅助车间集中控制的应用也越来越多。采用DCS实现辅助车间集中控制有2种方式：(1)辅助车间工艺系统按与机组单元制运行相关或属于机组间公用的系统分别将信号接入主厂房的单元机组DCS和公用系统DCS，通过设在这些DCS上的操作员站直接监控辅助车间系统的运行；(2)另设独立的辅助车间集中控制DCS，在中控室设置辅控DCS操作员站进行监控。由于辅助车间系统IO信号数量大、监控画面多、系统安全可靠性要求较主厂房系统低，将辅助车间系统监控直接接入主厂房DCS不仅经济上不合理，对主厂房DCS安全性也构成威胁，加之这种方式对管理水平与运行人员素质要求较高等原因，采用独立的辅助车间DCS实现辅助车间集中控制较适宜。现以某厂的应用实例说明DCS辅助车间集中控制方案。图1为某电厂2x600MW超临界机组辅助车间集中控制DCS结构，DCS覆盖范围为水、煤、灰、燃油、暖通、空压机等系统，其中输煤程控、电除尘、启动锅炉、制氢、制氯采用PLC控制。输煤程控和启动锅炉PLC的监视和操作信息通过专用通信卡，采用MODBUSTCPIP协议接人，并映射到对应的虚拟控制器中；其余PLC的监视和操作信息则通过DCS串口通信卡，采用MODBUS通信协议接人对应的控制器中。整个辅助车间DCS网络设计为多层(3层)、树型工业以太网，上层为中控室网络，中间层为化学水和除灰车间级网络，下层为各工艺子系统网络，各层网络均采用冗余双网(A网、B网)。工艺子系统网络通过路由器与中间层车间级网络连接在一起，路由器具有隔离作用，以保证操作指令自上向下传递，而同级网络之间不能互相操作。图1所示的系统实现了在中控室对全厂辅助车间进行集中监视和操作的功能。DCS的控制机柜分散布置在各辅助车间的电子设备间中，操作员站设在中控室内。各辅助车间也设有操作员站，为调试和初期运行提供方便，并作为中控室DCS操作员站的备用。随着各辅助车间正常运行后，逐步由就地的工艺系统或车间级监控转为中控室监控。对于必须有人值班的辅助车间(如输煤系统)，采用就地监控方式，中控室主要完成监视功能。整个DCS的具体配置是：化学水车间包括含油废水燃油泵房、工业废水、含煤废水、生活废水、凝结水、制氢、制氯等工艺系统，设有3台操作员站，实现对化学水车间内子系统的监控。除灰车间包括气力除灰、炉底渣石子煤、除渣水泵房、空压机及电除尘等工艺系统，设有2台操作员站，实现对除灰车间内子系统的监控。采暖通风系统直接接入中控室网络。中控室设3台操作员站、1台大屏幕站、1台工程师站、1台历史站、1台通信接口站，在中控室可对整个网络进行监控。另外，每个辅助车间工艺子系统各设1台操作员站，只能对本子系统进行监控。该辅助车间集中控制DCS具有如下特点：(1)在系统中采用“域”的设计，把整个大型控制系统在高速实时网络上按功能、区域等在逻辑上分解成若干相对独立的分系统，一个分系统构成一个域，各域可以共享数据和进行必要的数据隔离。如通过设定每个过程控制站只属于一个域，人机交互站可根据需要同时加入多个域，实现各辅助车间在中控室的集中监控和在车间级的相互隔离。(2)分布式实时数据库和“以站为基”的实时数据库引擎，可在线进行多个子系统拆分和合并，既提高了配置的灵活性又保证系统的动态安全性。此功能便于进行系统管理、维护和分部实施，能保障各工艺子系统分部调试、并人已运行的辅助车间集中控制系统的安全性。(3)各级操作员站对同一工艺系统能实现操作闭锁，并且中控室和车间级的某个操作员站对不同的工艺系统能实现不同的闭锁策略。(4)可配置路由器实现对相邻工艺系统子网络间的通信数据进行应用级的“透明路由”或“隔离”，使工艺系统级运行子网络间操作隔离、互不影响，也可实现各工艺系统的独立调试，使调试子网不对运行子网产生任何影响。4 现场总线辅助车间集中控制方案现场总线是用于现场仪表与控制室系统之间的一种开放、全数字化、双向通信与多站的通信系统，以现场总线为基础的全数字控制系统称为现场总线控制系统(PCS)。FCS的核心是总线协议(即总线标准)，基础是数字智能现场装置，本质是信息处理现场化。国际现场总线标准包括15种类型，其巾FF现场总线和Profibus现场总线在过程控制领域有较广泛的应用，FF较适合模拟量控制(取代4-20mA模拟量)，Profibus较适合开关量控制，具体到电厂应用，Profibus总线技术成功应用业绩较多。电厂辅助车间多为开关量顺序控制，各工艺系统间相隔较远，其生产过程可以有短时间的巾断，因此辅助车间应用现场总线控制系统可以在电厂中发挥最大效益。现场总线辅助车间集中控制方案的基本思路是从主控制器到现场的控制设备之间完全采用现场总线通信的方式，将气动门电磁阀、气动调节阀、电动阀、流量变送器、压力变送器、分析仪表、驱动电机、变频器、远程IO等控制设备连在一起。底层设备应尽可能选用具有数字通信接口的，所有的主控制器的指令和现场设备的状态信息都通过现场总线进行传输。主控制器可以是PLC控制器、DCS控制器或PC机控制器。主控制器、现场总线主干网冗余配置，现场总线设备作为从站接入该网络，没有冗余接口的总线设备则连接到将冗余通信网合二为一的支路上。主控制器与各级上层操作员站之间的网络配置按不同类型主控制器采用上述PLC或DCS网络配置方案。同时，采用现场总线的信息处理、设备诊断和设备管理软件，以发挥FCS的本质优势。国内电厂现场总线控制系统应用于辅助车间监控已经取得多个探索性成功实例，华能玉环电厂实现了锅炉补给水处理和工业废水处理2个子系统完整的现场总线控制系统。现场总线控制系统虽然在实现更为分散的控制功能、节省建设费用和运行维护成本方面都具有优越性，但它最大的优势还是提高了现场设备级信息化水平，在传送过程IO信号之外，它能将包括设备信息在内的非过程数据通过总线进行传输。这意味着不用离开下作站就可以检查设备的校验状态，设定新的量程，对设备进行重新组态和取得设备的维护诊断数据，进行设备故障诊断，在操作和控制过程中实施参数状态检查。距离越远，环境越复杂，现场总线控制系统的优势就越明显。因此，辅助车间集中控制采用现场总线控制系统具有现实的需求。5 辅助车间集中控制系统方案比较在DCS辅助车间集中控制方案出现之前，辅助车间系统基本都由PLC实施控制，经过多年的技术发展和工程实践，针对不同的对象和不同的规模逐步形成了优化的PLC软硬件配置方案，这些方案的稳定性、可靠性和经济性已经达到了一定水准。以PLC为基础形成的辅助车间系统控制逻辑已经充分反映了工艺过程的需求，成熟并可靠。长期以来，以PLC系统开展业务的程控厂家形成了包括现场传感设备和执行设备选型、配置在内的设备成套能力。在国内，PLC约占辅助车间控制系统的80%，因此，PLC辅助车间集中控制方案仍具有很大的市场。DCS辅助车间集中控制方案全面满足了实现集中控制后的运行和维护要求，控制功能更加完善，控制性能得到了很大提高，系统的稳定性和可靠性显著增强，这一技术得到了快速发展，已有一批电厂采用了此方案。现场总线辅助车间控制方案实现的现场设备级信息化，更好地解决了集中控制条件下各工艺系统距离远、所处环境复杂造成的困难和不便。PLC在小型高速的顺序控制中占主导地位，而DCS则在复杂的过程控制中占优势。PLC以数字量的顺序控制为主，虽然它扩充了模拟量控制功能，但编程麻烦、不太直观，要完成一些复杂运算还比较困难。DCS的基本功能就是同路调节加上顺序控制，它使用功能块进行模拟运算和逻辑运算，无论是逻辑运算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰。中小机组电厂辅助车间的控制主要是开关量控制，PLC完全可以满足要求。大型电厂的辅助车间控制除开关量控制外，还有一些复杂的模拟量控制如加药控制，更适合采用DCS。PLC的软件组态采用其配备的符合IECll313标准规定的5种编程语言，人机界面组态通常采用第三方提供的通用的工控软件如iFix、Intouch，网络由工程实施者选择和配置，采用主从式通信协议，PLC控制器不会主动向外发送信息，整个网络系统必须设置一个通信管理主站(网络服务器)。DCS是一个完整的系统，厂家成套提供专用组态软件、操作监视软件和实时数据库，控制组态和人机界面组态非常简单，人机交互更加友好。DCS还积累了大量高级算法模块，可解决电厂的任何复杂控制问题。DCS组态软件具有组态简单、功能专业、稳定性好和系统性强的特点。大多数DCS采用广播与点对点通信相结合的网络通信协议，任何挂在DCS数据高速公路上的站点都会实时将其产生的数据和状态信息用广播方式发至数据高速公路，数据高速公路就像一个大的实时数据库，任何信息均可从网络实时获得，按照危险分散、功能分散原则设计的DCS无需网络服务器和通信管理站，可见，DCS的网络通信能力远远超过PLC。从某种意义上，PLC是一个装置，DCS是一个完整的体系。正是因为PLC与DCS的这些差别，采用DCS实现辅助车间集中控制，系统设计、网络整合、性能规划都有可靠成熟的方案，安装调试工作更加系统和完善，实际投运后功能和性能更加优越。特别是DCS的事件记录和报警管理功能、独具的事件顺序记录(SOE)和历史数据记录功能等比通用监控软件功能更强大，更便于事故分析等工作。FCS作为新型的控制系统，目前在电厂的应用还处于局部领域应用阶段。FCS的现场智能设备能将大量现场信息送入通信网络，这是DCS、PLC无法实现的。DCS可以控制和监视工艺全过程，对自身进行诊断、维护和组态。但由于其IO信号采用模拟信号，无法在DCS工程师站对现场设备(变送器、执行器等)进行远方诊断、维护和组态。而FCS可通过现场智能设备获取大量信息，实现设备状态、故障、参数信息传送，完成对现场设备的远方诊断、维护和组态。尽管限于经济性考虑，智能设备一般不冗余配置，FCS的可靠性受到影响，但对于辅助车间系统，这一影响并不严重，相对于辅助车间所处的地理和环境，它带来的设计、施丁和设备检查维护的优越性却是巨大的。6 结语PLC、DCS和FCS辅助车间集中控制系统使得辅助车间的监控在结构、性能、功能、适用范围等方面发生了很大变化。但这些技术不是孤立的，它们彼此不断渗透和融合，今天的PLC开发了诸多的模拟量闭环控制功能，已经与DCS相像，当然，它的特长仍然是开关量顺序控制。DCS应用越来越广泛，取得了丰富的经验，近几年来正在向集成化、智能化、专业化方向发展。由于标准化数据通信链路和网络新技术的应用，DCS既可以将PLC上位机监控纳入自身的监控范围，也可以直接对辅助车间进行监控。主流PLC和DCS都开发了现场总线网络通信模件，可以组成现场总线各级网络，连接现场总线仪表、设备，实现数据采集、控制和设备驱动。PLC、DCS、FCS各具优势，DCS的许多功能是目前FCS取代不了的。在功能、造价得到很好的控制情况下，以DCS为基础，结合现场总线的应用，必然是下一步辅助车间集中控制的发展方向。中国电力2009年第8期