DCS控制技術在熱電廠機爐控制系統改造工程中的應用

蘇紅剛

摘 要：本文通過對小熱電落后控制系統改造工程的實施，從技術角度論證了對小熱電控制系統改造的必要性和可行性。新型DCS集散控制系統在小熱電改造方面具有積極的推廣意義。結合雁南熱電廠機爐DCS系統改造工程，深入研究了DCS系統在熱電廠機爐自動控制系統中的應用，完成了控制系統整體方案的設計、人機界面設計和軟件組態的設計，并通過程序設計實現各種參數監測、數據采集與通訊、自動控制等過程控制，還通過DCS系統完成了各種優化計算、統計報表、故障診斷、顯示報警等功能，提高了生產現場的自動化程度，降低了職工的勞動強度，也有效降低了職工誤操作導致的事故風險。

關鍵詞：集散控制系統；和利時；小熱電；MACS系統

1 概述

1.1 DCS系統定義

“DCS（Distributed Control System），即所謂的分布式控制系統，或在有些資料中稱之為集散系統”，“相對于集中式控制系統而言的一種新型計算機控制系統，它是在集中式控制系統的基礎上發展、演變而來的。”過程控制和過程監測是構成DCS系統的兩大組成部分，它們借助網絡通信技術，構建起多級計算機控制系統，即所謂的DCS系統，它綜合了計算機（Computer）、通訊（Communication）、顯示（CRT）和控制（Control）四方面內容，實現了分級管理、集中操作、分散控制的系統功能，同時具備組態方便、配置靈活的優點。

1.2 DCS系統的發展狀態

隨著自動控制理論與計算機科學的快速更新，新一代DCS集控系統在許多方面取得了突破；例如在局部網絡采用通用MAP協議；變送器的標準化和智能化發展，網絡技術和現場總線技術的應用；以及在軟件控制語法規則中過程順序控制與模糊控制理論的逐漸完善，DCS技術再次有了質的飛躍。

1.3 研究內容及目標

2013年大雁集團公司委托和利時公司進行雁南熱電廠DCS控制系統改造項目。作者學習研究和利時DCS集散控制系統各種組態方案，配合廠家進行系統結構設計，根據工藝流程界面和監控點位設計，進行控制單元組態、流程圖組態和監測單元的組態設計。

2 改造工程DCS系統選型

2.1 DCS系統選型總體要求

生產廠家所提供的DCS系統應具備性能優良、系統完善、功能全面、運行可靠、技術先進、穩定性好的特點，同時具有良好擴展能力，以確保控制系統滿足雁南熱電廠機爐DCS系統改造技術的要求。

2.2 DCS控制系統選型結果

雁南熱電廠DCS系統改造項目組依據橫河、新華、和利時和浙大中控提供的產品資料和投標方案，對各系統的I/O卡件、網絡通信方案、組態工具、控制算法、開放性、模塊、結構以及價格等各方面條件進行了全面比較。最終選擇和利時公司設計的MACS系列DCS系統。

3 HOLLiASMACS系統原理

3.1 MACS系統結構

MACS系統通過先進的ProfiBus-DP技術和標準網絡通信規約，將眾多廠家的各種儀表或模塊納入系統中。SM系列硬件模塊在現場數據采集方面的應用最大限度的保證了數據的準確和安全；RASC控制器的處理速度甚至能夠達到或超過毫秒級，從而同時完成上百個回路的控制任務；通過以太網技術實現的ERP系統為用戶提供了便于操作、容易掌握的人機交互界面，重要的運行數據被存儲在歷史庫中，便于操作者隨時調用和查閱，生產數據分析報表同時為企業管理者提供了生產調度和管理的基礎資料。

3.2 控制器算法組態研究

在MACS系統中，設計者運用算法組態軟件CoDeSys來編輯和顯示底層控制算法。可以通過控制器軟件組態進行平臺開發，通過軟件的控制方案編輯器和仿真調試器兩個功能模塊使用不同的算法語言完成用戶控制方案的邏輯組態。

3.3 MACS系統的圖形組態研究

和利時MACS組態軟件通過PlantView人機界面軟件來進行監控站畫面組態的工作，可以編輯和生成系統的工程總貌圖、生產流程圖、運行工況圖和系統等。組態后的DCS系統依靠圖形顯示界面，操作員可方便地查詢現場各臺設備的運行情況和參數，并通過操作員站發布操縱指令，從而實現對生產過程的監視和控制。

3.4 數據庫組態

數據庫組態是形成應用系統的數據基礎，它對邏輯系統中各站的點信息進行了定義。主要功能是建立整個DCS系統的核心組成——數據庫。和利時MACS控制系統提供了數據庫總控軟件，可以方便地將所需點的信息導出，存為以空格為分割的TXT文件。

4 MACS系統配置設計

4.1 總體設計

本次DCS系統改造工程采用汽輪機和鍋控制系統爐集中布置方式進行設計。雁南熱電廠三爐兩機母管制熱力系統共用一個控制間，循環流化床爐、汽輪機、除氧器、給水泵和廠區減溫減壓器的控制全部由和利時MACS5.24控制系統實現，集控室內設有監視操作站，運行人員可以通操作站對設備狀態進行監視和調整操作。控制系統的設計保證了系統開放性高、操控性易、靈敏度高、可靠性優的特點，能夠滿足機組在變工況下穩定運行的要求。

4.2 控制系統通信網絡設計

PROFIBUS（Process Fieldbus）是一種成熟的開放式現場總線技術。PROFIBUS的各種版本分別能夠解決車間層面通用性數據通信任務、實現分布式系統控制及各單元控制之間數據傳輸。

4.3 生產指標計算設計

通過輸入/輸出熱量平衡法，計算汽輪機組熱力循環性能指標，并對主蒸汽參數和排汽參數等實際數值偏差進行校正。系統可以計算當主蒸汽和排汽參數與設計工況發生偏差時引起機組效率的變化情況。并在操作站操控界面上提示值班員調整設備運行參數。通過端差逼近法來計算回熱加熱器換熱效率。計算出各級回熱加熱器的熱效率。依據HEIS給出的凝汽器內表面潔凈系數，計算凝汽器的換熱效率。并計算凝汽器的熱效率。根據能量平衡原則計算鍋爐給水泵的機械效率。通過熱力系統實際運行參數與設計工況的偏差，利用等效焓降理論計算系統實際熱效率與額定熱效率的差異，并計算差異所引起的系統能耗變化指標。

5 雁南熱電廠DCS控制系統技術改造設計

“SAMA是美國科學儀器制造協會（Scientific Apparatus Makers Association）的簡稱，SAMA圖是該協會頒布的圖例”。SAMA圖具有過程直觀、簡潔和準確的特點，因此廣泛地應用在各類控制工程的原理圖繪制，國內外許多儀器儀表生產廠家都在使用SAMA圖來進行控制工程方案設計；而且SAMA圖的數據交換方式和流程構建模式和DCS控制模塊組態圖近乎一致，各種控制算法都有相對準確的定義。因此本章節選擇運用SAMA圖設計雁南熱電廠DCS改造工程控制方案。

6 組態設計

系統組態是在工程師站上利用組態軟件Sckey完成整個DCS系統方案設定，進行總體編譯后，下載到控制站執行，并傳送至其他操作站，成為操作站監控軟件所調用的信息文件。

總體信息組態主要根據項目實際情況，確定控制站、操作站的數量及其地址，控制站組態主要包括I/O組態、控制方案組態、自定義變量組態等內容。操作站組態主要包括操作小組設置、監控畫面組態、流程圖組態、報表等內容。

上述組態內容完成后需進行全體編譯，以檢查組態正確與否，并生成控制站能執行的程序及監控軟件所能調用的信息文件，編譯無誤后下載到控制站，并傳送到各操作站。

7 工程分析及結論

7.1 項目實施效果

本課題設計的機爐DCS控制系統改造工程項目于2014年8月安裝調試完成，雁南熱電廠機組和鍋爐在新安裝的和利時DCS系統控制下順利通過了72小時聯合試運轉實驗，并完成了最終驗收。

DCS系統改造后鍋爐各運行參數的控制精度明顯提高，以往設備自動調節的滯后感減弱很多；根據運行值班員反饋信息，系統在運行過程中，壓力測量、溫度測量、給水控制、給煤控制、減溫控制等手動操作基本正常，系統能記錄和查詢各個測點和被控對象的數據，能根據設定的極限參數進行監測報警提醒鍋爐操作人員。總的來說，系統的運行狀況良好。

7.2 存在問題及改進措施

雁南熱電廠DCS系統改造后經過2014年冬季采暖期的運行，通過對機組運行歷史參數的分析，改造后的DCS系統同樣暴露出部分缺陷和問題，具體情況如下：

①雁南熱電廠作為礦井自備電廠，發電負荷受井下生產負荷變化的影響較大，在機組電功率變化幅度較大，同時變化速率較高時，汽包水位調節滯后明顯，水位波動大。

②2#機組凝結泵流量顯示多次發生異常，顯示數值明顯偏離經驗數值。

③原有設備數據采集儀器儀表陳舊，測量值漂移失真嚴重，造成控制系統精度下降。

針對上述問題，應及時采取以下措施：①在設備生產廠家指導下，根據實際運行情況，調整DCS系統定制設置，提高水位調節靈敏度；同時對負荷變化情況進行分類，通過條件循環語句控制自動選擇合適的調節模式。廠家現場處理后問題消除。②更換現場原有陳舊變送器和流量計等測量元件。更換測量元件后問題消除。