火力發(fā)電廠中集散式控制系統(tǒng)的應(yīng)用

潘召濤

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山發(fā)電廠，山西方山 033102）

0 引言

隨著國(guó)家綜合國(guó)力的不斷提升，對(duì)能源的需求也逐漸增多，火力發(fā)電則是推動(dòng)城市快速發(fā)展的關(guān)鍵動(dòng)力[1]。傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠在運(yùn)行過(guò)程中存在智能化控制程度低、操作復(fù)雜、故障檢修耗時(shí)較多、人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、操作安全保障性低等問(wèn)題，將當(dāng)前更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電廠的生產(chǎn)作業(yè)中，提升火力發(fā)電廠的自動(dòng)化控制水平，已成為當(dāng)前政府鼓勵(lì)、企業(yè)提升改進(jìn)的重要方向[2]。經(jīng)過(guò)調(diào)研，集散式控制系統(tǒng)（DCS）則是相對(duì)成熟、可靠的控制系統(tǒng)。為此，開(kāi)展了基于集散式控制系統(tǒng)（DCS）在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用研究，進(jìn)行了該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性及可靠性，對(duì)提高發(fā)電廠的集中控制水平及生產(chǎn)安全具有重要意義。

1 集散式控制系統(tǒng)（DCS）選擇分析

集散式控制系統(tǒng)是一種充分將通信系統(tǒng)、分散式控制分系統(tǒng)、信息處理及管理系統(tǒng)等集合在一起的利用微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的新型遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，具有信息處理量大、配置靈活、組態(tài)方便等特點(diǎn)，已在各個(gè)領(lǐng)域的工業(yè)控制中得到了廣泛應(yīng)用[2]。目前，市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)較為成熟的DCS系統(tǒng)相對(duì)較大，知名品牌包括如下幾點(diǎn)：（1）OC6000e系統(tǒng)是由新華設(shè)計(jì)研究的最早的集散式控制系統(tǒng)，具有可靠性高、集成度高、智能化程度高等特點(diǎn)，運(yùn)用了667 MHz控制器和以太網(wǎng)進(jìn)行進(jìn)行通訊連接控制，數(shù)據(jù)傳輸相對(duì)較快[3]。（2）HS-2000則是由北京和利時(shí)集團(tuán)開(kāi)發(fā)的集散式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有可靠性高、操作方便等特點(diǎn)，在國(guó)際上得到了廣泛應(yīng)用，但成本相對(duì)較高[4]。

由于本次應(yīng)用場(chǎng)景為火力發(fā)電廠，需對(duì)蒸汽鍋爐、給水、溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，根據(jù)發(fā)電廠的現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)及使用情況，綜合價(jià)格優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，優(yōu)選了新華設(shè)計(jì)的OC6000e集散式控制系統(tǒng)[5]。發(fā)電廠中集散式控制系統(tǒng)將基于此系統(tǒng)進(jìn)行有針對(duì)性的設(shè)計(jì)應(yīng)用，以更快、更穩(wěn)定的滿足發(fā)電廠的控制需求，有效提高發(fā)電廠的生產(chǎn)效率及作業(yè)安全。

2 發(fā)電廠中集散式控制系統(tǒng)（DCS）設(shè)計(jì)

根據(jù)火力發(fā)電廠中的實(shí)際情況，有針對(duì)性的開(kāi)展了基于OC6000e系統(tǒng)的火力發(fā)電廠集散式控制系統(tǒng)（DCS）的總體設(shè)計(jì)研究。該控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)主要由操作層、控制層及I/O接口層、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等組成，各層之間包括了硬件、軟件、數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)、模擬量控制分系統(tǒng)、汽包水位調(diào)節(jié)分系統(tǒng)等部分，各分系統(tǒng)之間的相互配合，完成了對(duì)整個(gè)火力發(fā)電廠的智能化遠(yuǎn)程控制操作。

其中，操作層采用了Windows7控制系統(tǒng)，配備了操作員站和工程師站相結(jié)合的人機(jī)界面站，是整個(gè)系統(tǒng)的上機(jī)位部分。經(jīng)過(guò)處理后的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)均會(huì)通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及數(shù)據(jù)分析處理，并繪制成對(duì)應(yīng)的變化曲線。I/O接口層是基于以太網(wǎng)進(jìn)行通訊連接的接口層，可靈活的布置在該系統(tǒng)的不同位置，以提高信號(hào)傳輸質(zhì)量及通訊電纜的而網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)控制網(wǎng)（UDH）方式，主要負(fù)責(zé)將各分系統(tǒng)、硬件及軟件分系統(tǒng)等進(jìn)行有效、實(shí)時(shí)連接和數(shù)據(jù)通訊，具有反應(yīng)速度快、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，能較好的完成各分系統(tǒng)之間的連接及接口擴(kuò)展。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接框架如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的連接框架

3 控制系統(tǒng)主要分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件

集散式控制系統(tǒng)的硬件部分是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要包括了DPU控制器、I/O接口、網(wǎng)絡(luò)、控制箱、RS485總線等組成，DPU控制器控制器主要安裝在控制箱中底板上，內(nèi)部設(shè)計(jì)了3個(gè)IO接口、2個(gè)UDH型以太網(wǎng)接口、2個(gè)T型以太網(wǎng)接口及1個(gè)RS485接口，1個(gè)USB接口等，可分別與控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接、控制器之間的雙機(jī)跟蹤、控制與其他部件之間連接、數(shù)據(jù)參數(shù)的實(shí)時(shí)傳輸?shù)裙δ懿僮鳎煌瑫r(shí)，前端檢測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸至處理器后，通過(guò)內(nèi)部設(shè)計(jì)的算法能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷及處理，并將計(jì)算后的信號(hào)發(fā)送至執(zhí)行單元及顯示器中。所選用的控制器具有較高的計(jì)算速度及精度，能較好地滿足發(fā)電廠中控制系統(tǒng)的大數(shù)量計(jì)算及處理需求。控制系統(tǒng)的組成框架如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)的組成框架

3.2 模擬量控制分系統(tǒng)

模擬量控制分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)匯總收集所檢測(cè)的相關(guān)電信號(hào)信息。所設(shè)計(jì)的模擬量控制分系統(tǒng)包括機(jī)組負(fù)荷指令系統(tǒng)、鍋爐主控系統(tǒng)（BM）、汽機(jī)主控系統(tǒng)（TM）等部分，其中，組負(fù)荷指令系統(tǒng)是整個(gè)分系統(tǒng)的上層部分，會(huì)根據(jù)發(fā)電廠中電網(wǎng)的實(shí)際負(fù)荷情況，自動(dòng)地向下一級(jí)（BM和TM）系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)的鍋爐負(fù)荷指令和送風(fēng)量指令。鍋爐主控系統(tǒng)（BM）和汽機(jī)主控系統(tǒng)（TM）在接收到相應(yīng)指令后，執(zhí)行對(duì)鍋爐及汽機(jī)的實(shí)時(shí)控制，以調(diào)節(jié)鍋爐的燃燒率，整個(gè)過(guò)程為自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，無(wú)人員參與。而子控制回路級(jí)則負(fù)責(zé)對(duì)送風(fēng)機(jī)、給水、排水、蒸汽溫度、磨煤機(jī)等設(shè)備運(yùn)行回路的控制。由此，完成采集電信號(hào)的模擬量輸入及輸出控制，其控制流程如圖3所示。

圖3 模擬量控制分系統(tǒng)控制流程

3.3 汽包水位調(diào)節(jié)分系統(tǒng)

由于火力發(fā)電廠中會(huì)使用到蒸汽鍋爐及大量的自來(lái)水，故在該控制系統(tǒng)中進(jìn)行了汽包水位調(diào)節(jié)分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該分系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)蒸汽鍋爐與給水量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證汽包中水位處于合理范圍內(nèi)對(duì)提高發(fā)電機(jī)組的安全高效運(yùn)行至關(guān)重要。因此，該分系統(tǒng)主要由PID調(diào)節(jié)算法、調(diào)節(jié)閥、RS485總線等組成，并配備了2套水位計(jì)及4套鍋爐中汽包水位計(jì)。通過(guò)檢測(cè)主蒸汽流量和給水流量參數(shù)，作為PID調(diào)節(jié)算法中的反饋信號(hào)輸入，執(zhí)行對(duì)調(diào)節(jié)閥的循環(huán)調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽鍋爐中給水量的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到保證汽包中水位能滿足發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的目的。汽包水位調(diào)節(jié)分系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 汽包水位調(diào)節(jié)分系統(tǒng)原理

4 運(yùn)行效果

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的綜合性能，將其在發(fā)電廠中進(jìn)行了為期半年的應(yīng)用測(cè)試，主要是該控制系統(tǒng)集成到火力發(fā)電廠中，對(duì)集成該控制系統(tǒng)后的機(jī)組負(fù)荷、蒸汽流量、主汽壓力、總給煤量、汽包水位等主要的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)試。運(yùn)行結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)運(yùn)行良好，能準(zhǔn)確、快速地對(duì)火力發(fā)電廠中的主要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及檢測(cè)，所采集數(shù)據(jù)運(yùn)行平穩(wěn)，所運(yùn)行指標(biāo)滿足火力發(fā)電廠中相關(guān)設(shè)備安全運(yùn)行指標(biāo)，主要參數(shù)的數(shù)據(jù)變化曲線如圖5所示。據(jù)該發(fā)電廠人員介紹，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用，使得發(fā)電作業(yè)過(guò)程中的故障率降低了將近60%左右，發(fā)電量大大提升，人員的勞動(dòng)強(qiáng)度也降低，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)發(fā)電廠的集中遠(yuǎn)程穩(wěn)定控制，得到人員的一致好評(píng)。由此，驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的可行性。

圖5 火力發(fā)電廠中控制系統(tǒng)測(cè)試效果

5 結(jié)束語(yǔ)

不斷提升火力發(fā)電廠的智能化控制水平，將更加先進(jìn)的控制技術(shù)應(yīng)用及推廣到整個(gè)發(fā)電廠中，是提高發(fā)電廠生產(chǎn)效率及作業(yè)安全的重要任務(wù)。而集散式控制系統(tǒng)（DCS）作為當(dāng)今成熟、先進(jìn)的控制系統(tǒng)，結(jié)合發(fā)電廠的實(shí)際情況，有針對(duì)性地進(jìn)行該控制系統(tǒng)在火力發(fā)電廠中的應(yīng)用研究，是當(dāng)期企業(yè)重點(diǎn)考慮方向。為此，本文介紹了開(kāi)展發(fā)電廠中集散式控制系統(tǒng)（DCS）的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過(guò)該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用測(cè)試表明，該系統(tǒng)具有更高的運(yùn)行穩(wěn)定性及控制效果，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)發(fā)電廠的集中遠(yuǎn)程控制，對(duì)提高發(fā)電廠的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益起到重要保障作用，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值巨大。