DCS系統(tǒng)在電站監(jiān)控的應(yīng)用

中航工業(yè)沈陽黎明動力分公司 袁繼朋

一、熱電站DCS系統(tǒng)簡介

熱電站DCS系統(tǒng)于2011年改造完成，主要控制以下設(shè)備，三臺35噸/小時鍋爐，一臺3000KW汽輪機組，一臺1500KW汽輪機組，高加和減溫減壓器等。下位機是六套西門子的S7-300PLC，三臺鍋爐，每臺鍋爐由一臺S7-300控制，兩臺汽輪機，每臺由一個S7-300控制，其他公共設(shè)備由一臺S7-300控制，除公共設(shè)備外，每臺主要設(shè)備對應(yīng)一個PLC。PLC負責(zé)運行參數(shù)的采集、量化、處理、和控制輸出。每臺PLC對應(yīng)一臺上位機服務(wù)器，PLC和上位機服務(wù)器之間實時通信，上位機服務(wù)器完成參數(shù)顯示、重要參數(shù)的報警、記錄等。上位機服務(wù)器還具有對PLC進行編程和調(diào)試的功能。兩臺汽輪機共用一個上位機服務(wù)器，此上位機服務(wù)器通過雙頭顯示卡實現(xiàn)雙顯示器分別獨立顯示兩臺汽輪機參數(shù)的功能。2012年，新增加三套子系統(tǒng)，完成對水處理設(shè)備和發(fā)電機等電氣設(shè)備的監(jiān)控及三號鍋爐自動排污。軟件方面，PLC使用Step7 V5.1軟件開發(fā)，通過STEP7編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、AD轉(zhuǎn)換、參數(shù)量化、控制策略實施、控制結(jié)果輸出、DA轉(zhuǎn)換、有關(guān)參數(shù)累積和上位機通信等功能。上位機使用研華610工控機，Windows2000操作系統(tǒng)，MS-SQLSERVER 2000數(shù)據(jù)庫，WINCC V6.0組態(tài)軟件，實現(xiàn)運行參數(shù)顯示、控制參數(shù)修改、累積量顯示，數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)查詢、微機軟手動操作等功能。

二、測點分布和主要控制回路

熱電站需要測量的參數(shù)主要測量包括溫度、壓力、液位、流量、閥位或頻率（變頻器）、電工儀表信號（電流、電壓等）。溫度、壓力等信號的測量原理如圖1所示，溫度信號通過熱電阻和熱電偶測量，熱電偶通過補償導(dǎo)線接入PLC，由PLC進行冷端補償。熱電阻由溫度變送器轉(zhuǎn)成4-20mA信號后接入PLC。壓力信號由壓力變送器直接測量，汽包等密封受壓容器的水位由帶壓力補償?shù)钠胶馊萜鬓D(zhuǎn)成差壓信號后，通過差壓變送器生成4-20mA信號進入PLC。開口容器的水位由差壓變送器直接測量。流量信號由彎管流量計、渦街流量計、孔板流量計測量并進行溫度、壓力補償后轉(zhuǎn)成4-20mA信號進入PLC，閥位（頻率）由執(zhí)行器、調(diào)節(jié)閥或變頻器產(chǎn)生4-20mA信號，進入PLC。電工儀表信號通過對應(yīng)的變送器測量后轉(zhuǎn)成4-20mA信號進入PLC。

圖1 溫度、壓力等信號的測量原理

圖2 本DCS系統(tǒng)OPC軟件結(jié)構(gòu)圖

熱電站的自動控制回路主要集中在鍋爐部份，汽包水位自動控制是鍋爐自控最重要的部份。本系統(tǒng)為每臺鍋爐的汽包水位實現(xiàn)三沖量變比例復(fù)合PID控制。采蒸汽流量作為前饋，給水流量作為反饋，根據(jù)實際水位的偏差值及其變化率，在控制矩陣中自動選取適當?shù)谋壤底鳛镻ID控制的可變參數(shù)，構(gòu)成簡單的模糊控制，完成水位自動控制。蒸汽溫度實現(xiàn)變比例微分前置復(fù)合PID控制，采蒸汽流量的微分值作為前饋，根據(jù)實際蒸汽溫度的偏差及其變化率，在控制矩陣中選取適當?shù)谋壤底鳛镻ID控制的可變參數(shù)，完成蒸汽溫度的自動控制。

以上兩個系統(tǒng)是電站系統(tǒng)中需要頻繁最多的部分，實現(xiàn)了自動控制，運行人員的勞動強度大大降低。此外，風(fēng)和煤系統(tǒng)實現(xiàn)微機手動控制和自動控制相結(jié)合的控制。機爐協(xié)調(diào)控制方面，此系統(tǒng)是以汽機跟隨為基礎(chǔ)的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。負荷主要靠鍋爐進行調(diào)節(jié)。

表1 本DCS系統(tǒng)OPC參數(shù)表

三、熱電站DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

OPC(用于過程控制的OLE)是一個工業(yè)標準。它由一些世界上占領(lǐng)先地位的自動化系統(tǒng)和硬件、軟件公司與微軟緊密合作而建立的。這個標準定義了應(yīng)用Microsoft操作系統(tǒng)的基于PC的客戶機之間交換自動化實時數(shù)據(jù)的方法。O代表OLE（對象鏈接和嵌入），P代表Process(過程)，C代表Control（控制），OLE已從面向?qū)ο笾匦露x為基于對象并更名為Active X管理。這個標準的國際組織是OPC基金會。OPC技術(shù)基于微軟的OLC(現(xiàn)在的Active X)、COM（部件對象模型）和DCOM（分布式部件對象模型）技術(shù)。OPC是以O(shè)LE/COM機制作為應(yīng)用程序的通訊標準?，F(xiàn)在主要的DCS系統(tǒng)軟件都支持OPC技術(shù)，因此OPC技術(shù)已經(jīng)成為在多個DCS系統(tǒng)之間進行通信的首先方案。本系統(tǒng)中汽機部分的兩臺PLC連接成MPI網(wǎng)絡(luò)，三臺鍋爐之間連接成MPI網(wǎng)絡(luò)，所有上位機連成TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。通過Intranet為OPC技術(shù)的實施提供基礎(chǔ)。

由于車間熱電站在機爐協(xié)調(diào)控制方面是以汽機跟隨為基礎(chǔ)的控制方式，此系統(tǒng)運行人員要求，在每臺鍋爐的上位機上顯示系統(tǒng)負荷和外供的參數(shù)，這就需要在幾個上位機之間進行通信，我們的實現(xiàn)方法是使用OPC技術(shù)，在汽機和公共設(shè)備的上位機服務(wù)器上建立OPC服務(wù)器，在每臺鍋爐的上位機服務(wù)器上OPC客戶機。在汽機和電氣主控的通訊方面，也使用了OPC技術(shù)，代替了原來的按鈕-指示燈方式，節(jié)省了近80根電纜，同時功能也進一步增強。本DCS系統(tǒng)OPC軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

共有27個測點的參數(shù)在此DCS系統(tǒng)中通過OPC技術(shù)進行傳輸，表1是本DCS系統(tǒng)OPC參數(shù)表。

由表1可以看出，提供OPC服務(wù)最多的電腦是汽機上位機，共提供21點服務(wù)，接受OPC服務(wù)最多的是電氣主控電腦，共接受21點服務(wù)。同時現(xiàn)場所有上位機都即是OPC客戶機又是OPC服務(wù)器。實現(xiàn)方法是利用WINCC6.0集成的OPC功能和變量管理功能，下面以一號汽輪機有功功率為例，對OPC功能的實施進行說明。

1.先在電氣主控上位機上用WINCC變量管理中建立MPI變量，設(shè)置好MPI通信方式，通過線性標定的方式把過程值范圍和變量值范圍進行對應(yīng)，并在本機調(diào)試成功。設(shè)置OPC服務(wù)器，并在WINCC項目啟動選項中選擇啟動時加載。

2.在兩臺汽機的上位機的WINCC變量管理中加入OPC變量組，并建立從本機到電氣主控上位機的連接。

3.分別在三臺爐的上位機、主控電氣電腦的WINCC變量管理中加入OPC變量組，并建立從本機到汽機上位機的連接。

4.在此連接下建立變量，變量名可以直接用中文“一號機有功功率”，數(shù)據(jù)類型是32位浮點數(shù)IEEE754，數(shù)據(jù)長度是4個字節(jié)。數(shù)據(jù)的地址根據(jù)實際情況設(shè)定，轉(zhuǎn)換方式為float to float（浮點數(shù)轉(zhuǎn)浮點數(shù)）。注意，在客戶端不要再進行線性標定，因為在服務(wù)器已經(jīng)線性標定。

至此OPC連接完畢，但是要客戶端能正常顯示的前提是服務(wù)器端必須正在運行此項目文件。在服務(wù)器端項目停止運行后，客戶端會出現(xiàn)數(shù)據(jù)無效標志，當服務(wù)器端恢復(fù)正常之后，客戶端自動恢復(fù)正常。

四、DCS技術(shù)在某車間熱電站應(yīng)用效果

802車間熱電站原控制系統(tǒng)是基于單機控制的，每臺PLC對應(yīng)一個上位機，各上位機之間沒有通信。經(jīng)過改造后建成了一個上位機的工控網(wǎng)絡(luò)，在上位機之間進行以O(shè)PC方式進行通信，達到了運行參數(shù)共享的目地，并基本取消了數(shù)字顯示儀表，主要設(shè)備都采用了微機手動與自動相結(jié)合的控制方式。整套軟件具有了更多的靈活性和通用性。但是由于OPC是基于COM這個windows操作系統(tǒng)的技術(shù)，和基于實時操作系統(tǒng)與時實數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用相比，此系統(tǒng)在具有較好的開放性的同時具有通信的時實性不夠理想。進一步提高系統(tǒng)的實時性是今后需要解決的主要問題。

[1]宋伯生編.PLC編程理論·算法及技巧[M].機械工業(yè)出版社,2009,5.

[2]王永華編.現(xiàn)代控制技術(shù)與PLC應(yīng)用[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2008,2.

[3]曾蓉編.熱工保護與順序控制[M].中國電力出版社,2009,1.

[4]徐國林編.PLC應(yīng)用技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社,2007,1.