DCS構架下電廠電氣一體化設計及其發展研究

楊廣東

(徐州華美坑口環保熱電有限公司,江蘇徐州 221141)

DCS構架下電廠電氣一體化設計及其發展研究

楊廣東

(徐州華美坑口環保熱電有限公司,江蘇徐州 221141)

隨著社會的發展以及科技的進步,為了生產的高效性與安全性,進行了一系列基于自動化與一體化的改建。在這個過程中電廠生產區域具有高溫、高壓等特定,對于一體化自動控制更是有著更高的要求。為了實現這一目標,在若干種構建模式中,DCS構架是一種較為常見的方式,對于其構建原理以及構建環節建設已經有了系統的研究,這對于后續的應用提供了必要的基礎保障。本文以電廠電氣一體化設計為主要的研究目標,總結其利用DCS構架的構建過程,并對近些年DCS構架下的一體化設計與技術的發展進行總結分析。希望通過本文的研究能夠為今后的相關電廠一體化設計與實際施工提供必要的理論基礎與實踐指導,也能夠為后續的電廠技術改造提供方向選擇的依據。

DCS構架 電廠電氣一體化 設計思路 技術發展

1 引言

DCS是一種較為先進的分布式控制系統，它能夠同時完成相關設備的數據采集、處理與控制，并對一定設定范圍內的數據進行保存與調取。適應于各種一體化建設體系的設計與施工。同時，由于其對于設備的支持強度相對較大，受到了廣泛的關注與應用。電廠的生產環節對于自動化體系要求相對較高。一方面電廠生產環境相對惡劣，具有高溫、高電壓、高噪音、高輻射等惡劣的生產環境；另一方面電廠的生產需要根據電能負載對鍋爐以及發電機等主要生產設備進行實時監控并通過進料保障等體系來保障其生產的連續性與順暢度。在這樣的背景下，電廠的控制一體化體系建設迫在眉睫。針對DCS的應用是一種較為廣泛的應用模式，國內外學者也針對其具體的應用與體系構建進行了系統的研究。但是，結合自身特點以及我國電氣一體化建設的針對性研究還相對較少。本文正是出于這個目的，以電廠電氣一體化設計為目標，對其中的DCS構架發展現狀與技術革新進行闡述，并對電廠電氣整體的一體化設計提供思路。希望通過本文的研究能夠為今后的相關設計提供必要的理論基礎，也為類似的項目建設選擇提供可靠依據。

2 DCS構架簡介

所謂的DCS是指分布式控制系統，在國內的一體化建設體系中又被稱之為集散控制系統，與傳統的計算機控制方式相比是一種更為新型的控制體系。傳統的計算機控制模式是采用單一計算機對全部的電氣設備進行統籌管理的模式來進行，而此種方式不僅增加了計算機的負載，更是由于其控制模塊之間的通道堵塞而使得控制效果尤其是人機互動效果有了顯著的降低，對于大型廠區與設備的集約化管理模式構建不利。而應用多電腦分布控制的模式很難做到不同部分的數據聯通、共享與同步。DCS構架的產生正是為了彌補這個問題。為了很好的對一體化建設進行支持，DCS采用了集中控制與分散控制相結合的方式，在統一的系統內來完成分散的控制流程。簡單來說，就是通過對一級機的人機交互來達到對設定參數的控制，比如爐內溫度、發電機負載、除塵設備運行等；而二級機則為具體的控制單元則根據一級機的指令訊號進行自動化操作，如當人機互動對于爐內溫度進行提升操作時，一級機的指令僅為爐內溫度提升(數控訊號)而二級機則更具預設的終端對不同的設備進行預控操作，包括進煤量的增加、進氧量的增加、出煙口擴大、除塵設備功率提升等。通過上述體系的構建能夠將統一的工作分解為具體的設備管理，進而降低了計算機的負載，能夠更為有效的完成相應的設備控制。

3 電廠電氣一體化體系構建

所謂電廠電氣一體化設計主要是實現電廠整個運營周期內的數字一體化建設，并通過數字一體化體系達到對電廠進行監控、與控制的目的。在具體的構建過程中可以分為自動化建設與信息化建設等兩個層面。其中信息化建設為自動化建設提供必要的數據基礎，并為后續的電廠運營提供數據依據與決策輔助；而控制自動化則是電廠一體化建設的核心，通過對于電氣控制一體化的構建來實現對于電廠各個生產環節的集中與遠程控制，提高控制效率與生產的安全性。在實際的構建過程中分為如下模塊：

數據采集模塊：數據采集模塊是指通過傳感器對相應的生產與運營數據進行采集，此階段通過電廠設計與施工的過程中進行同步建設。包括爐內數據采集、輔助設備數據采集以及運營參數采集的若干個部分。通過數據采集能夠為后續的運行監控以及具體的管理決策提供必要的數據支持。

數據分析模塊：數據分析模塊是基于DCS構架中的核心部分，通過數據采集模塊收集的各類信息在統一的計算機平臺內進行支持與處理，在具體的處理過程中主要分為數據處理以及虛擬電廠的可視化處理兩個部分。所謂的數據處理是通過基礎的信息收集來計算或者評估相應的可視化數據的過程。一般是由計算機后臺來獨立完成的。通過相關函數以及參數的設定來計算出合規的數據體系。如利用進口處氧含量以及出口處氧含量來評估爐內的燃燒效率；或者計算二氧化硫去除效率等。另一方面則是基于人機互動目的的可視化模擬電廠的數據分析過程。利用軟件預設等方式對電廠的可操作部分進行模擬，構建出3D的模擬電廠環境，并根據不同的控制節點對其進行系統的數據整合，來方便人機互動式的可視化程度與操作便利度。

數據存儲模塊：存儲模塊是指在數據處置后需要對操作過程以及操作基礎數據進行保存，其中操作步驟以及運營數據的保存更為重要。在具體的實現環節中主要通過獨立數據庫或者計算機終端的方式對一定時間內的相關數據進行保存。通過此種方式解決數據調用與控制一體化系統的沖突。

數據控制模塊：主要是指通過人機互動平臺來實現對一級機內參數的控制，并通過通訊系統達到一級機對二級機以及其他下級機的控制，最終達到對設備控制的目的。

其他輔助模塊：除了上述的模塊建設之外，在具體的設計過程中還需要包括電氣弱電支持、無線通訊支持等輔助模塊，這個可以根據電廠建設的實際情況來進行選取。

4 DCS構架技術發展研究

通過上文的分析，我們可以確定電廠電氣一體化是保障電廠正常運行，安全生產的關鍵要素。而在整體的一體化建設過程中DCS系統的技術開發與發展對其起到了至關重要的支撐作用。在這樣的背景下，我們有必要對現階段DCS技術發展進行總結。從現有的研究現狀來看，其發展主要分為如下幾個部分：

第一，結構變化的發展。傳統DCS是采用單一的上級機對下級機的訊號傳輸來實現人機互動的，而下級機則是通過與相關設備的繼電聯系來實現對特定設備進行控制的。而此種構建模式對于通訊質量以及設備運行的可靠度由較高的要求，即當下級機出現設備故障時，上級機則無法對設備進行有效的控制。為了解決這個問題，現階段DCS采用了網狀連接的方式來進行，即在下級機水平內構件備機的模式來應對下級機的設備故障，同時采用多臺下級機對于有限設備進行共同管理的方式來保障的系統構建的合規性與有效性；

第二，安全體系的發展。電廠系統是一種對于安全性要求相對較高的系統，如果出現了信息外泄或者控制源漏洞則會對電廠的運營產生不可估量的損失，為了避免此種現象的產生。一方面電廠采用非聯網的方式對DCS進行構建；另一方面也采用了核心部件加密加殼的方式來予以保護，尤其是對于虛擬電廠等人機互動的可控制核心的保護進行升級改造，通過限定通訊IP、限定通訊位點等方式來提高其安全性。

第三，對控制一體化進行構建。DCS除了傳統的一體化建設之外，還對于區域內的無線控制提供了更為多元化的接口，尤其是數據查詢等單項的傳輸通道可以采用開放式接入的模式來進行。此種技術升級方便了電廠的相關員工對于設備進行現場檢修的便捷度，在現場則可以通過開放式端口來實現對設備運行情況的實施監控，進而提高了設備的維護效率，也方便其在具體問題層面上的判斷。

第四，對于變頻技術的開發與應用。變頻器作為控制系統的一個重要功率變換部件，以提供高性能變壓變頻可控的交流電源的特點，前些年在火電廠小型電機(如給粉枧、凝泵)等控制上的應用，得到了迅猛的發展。由于變頻調速不但在調速范圍和精度，動態響應速度，低速轉動力矩，工作效率，方便使用方面表現出優越性，更重要的是節能效果在經濟及社會效益上產生的顯著效應，因此繼一些中小型電機上普遍應用后，近年來交流變頻調速技術，擴展到一些高壓電機的控制上試用，如送、引風機和給水泵電機轉數的控制等。

5 結語

DCS構架是構建電廠電氣一體化的核心。本文以電廠電氣一體化為研究目標對其具體的一體化建設過程與模塊構建體系進行了分析，通過本文的分析找到了基于DCS一體化建設系統的優越性以及基本過程。并結合現階段DCS構架技術的發展對其先進技術進行了總結。希望通過本文的研究能夠為今后的相關體系建設以及現有體系升級改造提供必要的理論基礎與實踐指導。

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楊廣東(1979—),男,江蘇徐州人,工程師,研究方向:電廠自動控制,熱工自動化,DCS。