DCS在垃圾電廠全廠自動化中的應用與發展

張天昊 孫夢雪

（1.光大環保能源（天津）有限公司，天津 300000；2.中國海洋大學，山東青島 266000)

0.引言

隨著城市垃圾的增多與環境意識的提升，垃圾焚燒的處理方式越來越被人們接受和采用，垃圾焚燒電廠應運而生。電廠控制部分由于電廠規模的增大、現場設備的增加、對可靠性要求提高等原因由以前的可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制就地與分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）通訊結合控制的方式逐漸轉變成全部由DCS實現集散控制。

鍋爐部分的儀表由DCS實現控制，汽機部分的汽輪機監視系統（Turbine Supervisory Instruments，TSI）、汽輪機數字電液控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH)、汽輪機跳閘保護系統（Emergency Trip System，ETS）等通過對測點的監測建立邏輯保護與鍋爐部分DCS實現通訊集成控制，電氣部分也由各個廠家的廠用電氣監控管理系統（Electric Control System，ECS）系統將功率、頻率等測點以及發電機運行狀態等信號也與DCS實現信息交互，從而實現了DCS對全廠“機、爐、電”的控制。

1.DCS系統的組成與特點

1.1 DCS系統組成

DCS機柜部分根據作用不同，可以分為電源柜、網絡柜與控制柜，另外汽機部分根據生產要求部分廠家也有DEH柜與ETS柜[1]。

人機交互操作臺根據作用不同，可以分為工程師站、歷史站與操作員站。

1.2 DCS系統特點

DCS硬件如DPU、IOBUS、開關電源及通訊線等均采用主、從機熱、備冗余結構，一個處于工作狀態（主機），另一個控制器處于備用狀態（從機）。使得在主機出現故障時，從機可以實現無擾切換，很好地保障了整個控制系統的可靠性[2-3]。

通訊方式支持上位冗余Profibus-DP主站系統與下位非冗余Profibus-PA設備系統、Modbus設備、下位非冗余Profibus-DP設備系統等通訊方式的多種設備進行數據交換，滿足了現場設備多樣性和控制系統的包容性。

DCS控制器與操作員站、工程師站以及歷史站的實時交互性為生產實時傳遞現場生產數據，傳輸生產指令。而且在為管理信息系統（Management Information System，MIS）、安全儀表系統（Safety instrumentation System，SIS）等相關系統提供經優化處理后的實時數據，實現廠內的信息共享，滿足生產管理的實時性。

2.DCS具體在“機爐電”應用

2.1 DCS之汽機應用

在汽機系統之中的汽輪機監視系統（Turbine Supervisory Instruments，TSI）對機組轉速、零轉速、偏心、鍵相、軸向位移、脹差、大軸振動、軸承振動寄熱膨脹這些參數進行測量，再輸出模擬量實時值與數字量報警即危險值開關量接點，其中危險值接點送至汽輪機跳閘保護系統（Emergency trip system，ETS）對機組進行停機保護。汽輪機數字電液控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）根據運行生產要求以及當時工控，選擇手動的閥控方式或者自動的壓控和工控，使汽機運行效率最大化[4]。

隨著DCS邏輯的逐漸完善和測速模塊、測速模塊的等相應硬件模塊的增加，DCS開始應用于汽機之中，其便于編輯的功能塊與更為準確周全的邏輯，使得DEH與ETS可以共同接受TSI測點的信號，形成雙重保護的同時，更為快速地根據實時工況做出相應的調整。

2.2 DCS之鍋爐應用

鍋爐系統根據結構與作用可以分為焚燒系統與煙氣處理系統。焚燒系統中的爐排液壓系統、蒸汽吹灰系統、激波吹灰系統、輔助燃燒系統、送風與引風系統在以前建造的電廠里采用的是PLC控制。操作由就地操作或者與DCS進行通訊，實現遠程的啟停操作。這樣有以下幾個缺點：（1）浪費人力，過多占用值班員，而且就地操作操作步驟繁瑣，步序錯誤容易對設備和人身造成傷害。（2）遠程一鍵啟停設備會導致操作員對現場具體設備動作不清晰，出現問題不確定具體步驟的現象。（3）通訊可靠性相對較差，易發生故障，導致操作不暢[5]。而DCS系統的普遍運用恰恰解決了PLC控制及兩者通訊的缺陷，可以更加全面直觀地將現場的開關量與模擬量傳到DPU之中，其自身的處理能立也決定了它可以比PLC處理數據更多、速度更快。而且無論是邏輯性控制還是過程性控制都能滿足現場特別是鍋爐部分設備廠家眾多、型號規格難以統一的情況。

隨著DCS可支持的信號種類與數量及支持設備控制越來越多，為了實現設備控制系統的統一化與兼容性，DCS成為涵蓋多種設備的鍋爐系統的首選，如今很多電廠已把沼氣入爐系統、啟燃輔燃系統、吹灰系統等多個輔助系統直接由DCS控制。

2.3 DCS之電氣應用

在電氣系統之中，由于與偏向于硬件的鍋爐、汽機相比較中，更需要一些儀表來測量判斷它的運行狀態，由此也對它的通訊與控制的安全性、及時性及可靠性提出了更高的要求。關于發電機部分ECS的控制大部分針對“四遙”功能的實現以及靠硬件進行的繼電保護等。為了提高電氣系統的可靠性以及其他系統的協調性，將發電機（溫度、振動等重要測點、發電機重要保護與其他系統聯跳等）、變壓器（溫度、油位等測點與控制）、高低壓電動機（溫度、振動等測點與控制）、直流系統應急電源（電壓、電流等）以及繼電保護信息等引入到DCS，實現ECS與DCS的通訊及相關電氣重要設備元件的監視控制。

電氣系統操作相對較少，更多的是監視其測點的變化與狀態的轉變。這對模擬量與數字量的輸入輸出模塊以及它的各個通道的可靠性提出了更高的要求。DCS硬件的高可靠性以及軟件系統每個通道的自判斷性可以更好地滿足電氣高精度、高穩定性以及歷史長期可查的要求。

3.DCS在垃圾電廠其余方面的應用

像如今一些垃圾電廠在主焚燒板塊的基礎上加入了水處理板塊、餐廚處理板塊、糞便處理板塊等，對于整體控制系統的可操控性于可監視性要求越來越高。正是由于這種剛性需求的不斷增加，這些板塊的控制系統也逐漸由PLC系統轉變為DCS系統。DCS根據不同的程序較為容易的設置掃描時間、中斷程序和程序塊的編寫與調用功能，更好的滿足了用戶對編寫與查看的需求。

在如今的延展板塊中，隨著工藝的愈加成熟與復雜以及對后續處理產物要求的增加，DCS在這方面的運用會越來越多、越來越廣。

而且在“工業4.0”以及全球工業智能化的背景下，MIS、SIS系統的逐漸普及，DCS成為兩者信息獲取的主要來源，提供了管理者與企業運營者提供可靠的狀態監視與數據分析的基礎[6]。

4.結語

在垃圾發電這種新能源發電廠中，越來越多垃圾焚燒系統的汽機跳機、鍋爐MFT與發電機主保護都是相互聯系的，而它們中間的紐帶就是DCS控制系統，通過DCS的冗余保護，維持著三者的安全運行。在其他版塊與信息化管理方面，DCS也占著越來越多的比重。

在日后的新能源控制領域，DCS憑借著自身強大的運算能力與兼容性將進一步提高各個系統的協調性與整體的自動化水平。