DCS與DEH一體化控制系統在玻璃工廠余熱發電機中的應用

汪光俠

（中國建材國際工程集團有限公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

DCS是分布式控制系統的英文縮寫，它是一個由過程控制級和過程監控級組成的以通信網絡為紐帶的多級計算機系統，DCS綜合了計算機，通信、顯示和控制等技術，具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態方便的特點。

DEH就是汽輪機數字式電液控制系統，由計算機控制部分和EH液壓執行機構組成。DEH是汽輪機配套的專用調節系統，采用DEH控制可以提高調節汽門的控制精度，為實現協調控制（CCS）及提高機組的控制水平提供了基本保障。隨著計算機技術的發展和用戶對自動化控制要求的不斷提高，中小汽輪機也陸續開始應用DEH。對于玻璃工廠余熱發電機，由于煙氣溫度和流量不穩定，余熱鍋爐產生的主蒸汽流量和壓力也經常波動，有些汽輪機還需要抽汽供熱，余熱發電機就不能按照常規電廠的“定壓運行”，而應當由DEH控制汽輪機的調速汽門接近全開，使汽輪機處于“滑壓運行”狀態，余熱鍋爐產生多少蒸汽，汽輪發電機就發多少電，這樣可提高余熱發電機的效益。

DCS一體化控制系統就是由同一套DCS系統完成鍋爐、汽機、電氣和輔助公用系統的全部控制功能，通過通信網絡實現數據共享，顯示終端共用，以達到簡化系統，保證各個系統之間的協調運行。

1 DCS系統的組成及功能

DCS主要由操作站、過程控制站和通信網絡組成。操作站是DCS的人機接口，完成系統的操作和組態，用于生產環節的控制操作、生產過程狀態顯示、報警狀態即時顯示、實時數據和歷史數據顯示和打印等。過程控制站是系統控制功能的主要實施部分，主要由DPU、電源模塊、I/O單元組成，為了系統的安全性，DPU、電源等模塊均冗余配置。通信網絡是由通信模塊、交換機和通信電（光）纜組成，負責各種功能站之間的數據交換，隨著計算機與網絡技術的飛速發展，網絡功能逐步開放，DCS可以兼容更多的通信信號，實現更多的功能。

目前,國內玻璃工廠在一個廠區內一般都建有兩條或以上的玻璃生產線，在每條玻璃生產線的窯頭安裝一臺余熱鍋爐,每臺余熱鍋爐均設一個DCS過程控制站對鍋爐的熱工、電氣設備進行檢測和控制。余熱鍋爐和發電機組及其附屬設備的過程控制站通過通信網絡聯成一體，在中央控制室通過操作員站進行集中監視和操作。某項目有四條玻璃生產線,余熱電站采用四爐一機配置,在余熱電站主廠房的中央控制室設有五臺全功能操作員站，其中一臺操作員站兼做工程師站，通過操作員站完成對4臺余熱鍋爐和汽輪發電機的監視和控制。操作員站之間可以相互切換，每臺LCD顯示器即可監控鍋爐參數，又可監控汽輪發電機參數。

DCS系統基本功能包括：余熱電站的數據采集系統（DAS）、主要模擬量的控制系統（MCS）和主輔機的聯鎖保護系統（SCS）。以LCD和鍵盤操作做為監視和控制中心的主要操縱設備，并配置少量必要的常規儀表和控制設備。集控方式下可以通過操縱員站的鍵盤和鼠標，對主、輔機設備進行啟停，對各調節回路進行手動和自動控制。在手動方式下，通過備用操縱盤啟停設備和用手操器對調節回路進行控制。系統主要運行在集控方式，只有控制系統故障時才在單機方式下運行。

2 DEH系統的組成及功能

DEH主要由操作員站、I/O控制站、液壓控制系統和危急跳閘系統（ETS）等組成，它將汽輪機的調節、保護和油系統聯結成一個整體，完成對汽輪機的啟動、監視、保護和運行。早期的DCS系統由于運算周期無法滿足ETS的要求，ETS單獨使用PLC來實現主機保護，隨著DCS系統的性能提高，用DCS硬件設備來實現ETS功能，ETS的任務也由DCS來完成，ETS和DCS實現了一體化，所有進入和輸出ETS的信號都能在LCD顯示和報警，并實現SOE記錄。

DEH的主要功能是按操作員或自動啟動裝置給出的指令來控制主汽閥、調節閥的開度，使機組按一定要求升、降速或升降負荷實現機組運行中的各種要求，DEH裝置按受轉速、功率及第一級壓力的實際信號，對機組的轉速、功率、蒸汽流量，實行閉環調節，此外DEH還有閥門管理、參數監視顯示、超速保護，自啟停控制等多種功能。

DEH有多種控制方式。在閥控方式下，操作員通過設置目標閥位或按閥位增減按鈕控制油動機的開度。在閥位不變時，發電機功率將隨蒸汽參數變化而變化。在功控方式下，操作員通過設置負荷率、目標功率來改變功率給定值，經過控制回路運算后控制油動機的開度。在給定功率不變時，油動機開度自動隨蒸汽參數變化而變化，以保持發電機功率不變。在壓控方式下，操作員通過設置壓變率、目標壓力來改變壓力給定值，經過控制回路運算后控制油動機的開度。在給定壓力不變時，油動機開度自動隨蒸汽參數變化而變化，以保持主汽壓力不變。為了確保機組的安全，還設置了多種限制保護、系統試驗等功能。

在汽輪發電機組并網前，DEH系統為轉速閉環無差調節系統，可以實現自動升速控制。在機組同期并網時，使發電機帶上初負荷，并由轉速PI控制方式轉為閥位控制方式。并網后DEH的控制方式可在閥位控制、功率控制、主汽壓力控制方式之間無擾切換。

3 DCS與DEH的一體化控制系統

DCS與DEH的一體化控制系統就是將DEH和ETS的控制部分采用與DCS一致的硬件和軟件，作為DCS的一個站直接掛在DCS主干網上，實現與DCS的無縫連接。實現機組控制一體化要求，使機組的整體監控自動化得到提高。由DCS統一協調余熱鍋爐與汽輪機運行，在個別鍋爐因煙氣不穩的情況下，最大限度地讓汽輪發電機以適當的控制方式運行。在汽輪機“滑壓運行”時，DCS要密切監視汽輪機前的蒸汽壓力和溫度不能低于汽輪機廠規定的最低值，當進入汽輪機的蒸汽負荷低于一定值時，DCS立即命令汽輪機轉為 “定壓運行”，由此可見，只有采用同一套DCS控制整個余熱發電機組，才能迅速響應玻璃廠煙氣溫度和流量的變化，保證汽輪機的運行安全并獲得最大的經濟效益。

DCS與DEH的一體化控制系統的網絡拓撲圖如圖1示。

DCS與DEH的一體化控制系統具有下列優勢：

圖1 DCS一體化控制系統網絡拓撲圖

（1）功能的相對獨立性。DCS中各過程控制站獨立完成自己固定的功能和任務，DEH作為DCS的一部分，獨立完成DEH、ETS功能，過程控制站控制功能的分散有利于降低風險和工作可靠性，這也是DEH成為DCS一部分的前提條件。

（2）通信簡單 。目前國內有多個DCS生產商可以提供DEH，DEH與DCS采用同一家產品，不存在兩個系統間通訊協議的轉換和現場調試，解決以前經常出現的DCS與DEH通信困難或在DCS上操作DEH速度慢等問題。

（3）硬件配置簡單。DCS與DEH的一體化設計可以使控制系統軟硬件統一,避免DCS與多種硬件設備接口的麻煩，減少備品備件種類，方便用戶采購和管理備品備件。同時由于信息共享，有些測量點不必引到幾個系統，避免了一個測量點在不同設備上顯示不一致的情況。

（4）應用軟件采用一家產品，有利于用戶更好地熟悉、掌握設備性能，維護人員不需要掌握幾套應用軟件，可有效減少維護人員的工作量。

（5）DCS與DEH采取一體化設計，DEH可以很方便地對汽輪機調速汽門的開度進行各種形式的控制和對汽輪機的機前壓力的變化范圍和變化速率加以限制，防超速保護（OPC）容易實現，從而可保證汽輪機的安全運行。此外，汽輪機的“滑壓運行”和“定壓運行”也很容易切換，這些都是多回路控制器505E難以做到的。

（6）當汽輪發電機孤網運行時，一體化設計方案不再需要兩個系統之間的負荷/轉速控制接口，有利于提高負荷響應速度，實現良好的孤網運行效果。

4 結束語

余熱發電機組包含鍋爐、汽機和電氣三大系統，DCS和DEH采用一體化方案已成為共識。將電氣控制系統（ECS）直接納入DCS可實現ECS的完整監控，然而目前國內DCS廠商還沒有滿足電氣控制系統的微機保護模塊，電氣開關量和電測量只能通過硬接線接入DCS系統，通過電氣控制系統的監控站與DCS通信也存在不同廠家的產品通信問題，因此ECS與DCS一體化也是今后發展的方向。

隨著計算機技術、通訊技術和控制技術的不斷發展，為滿足余熱發電機的安全穩定性以及減少對并網線路的影響，余熱發電機必須具備更高的調節適應能力，采用廠級監控信息系統（SIS）、一體化的DCS及輔助車間控制系統組成信息共享，功能強大的自動化控制網絡，可以進一步提高機組的經濟效益和安全性，使機組的運行管理水平上一個新的臺階。