火力發電DCS自動化技術研究

潤電能源科學技術有限公司 宋 丹 國網河南省電力公司電力科學研究院 徐恒博

引言

DCS 所代表的自動控制技術在國家發展各個行業領域內都有著十分重要的意義，比如工業、農業、國防以及科技現代化等，自動化控制水平已經成為衡量某一行業先進水平的重要尺度。隨著國家進行科學技術現代化的發展，DCS 技術得到了更進一步的普及，其重要意義也逐漸在凸顯在生產的過程中，運用DCS 技術意在提高生產效率以及生產安全性，并獲得良好的經濟效益。

我國作為一次能源消耗大國，每年煤炭發電量占總發電量八成以上，由于發電所造成的煤炭消耗量更是占國家煤炭消費總量六成以上，隨著未來工業進一步發展以及國家產業調整，我國發電企業必將迎來全新的發展格局，必須通過不斷創新與改造，逐漸實現節能、環保、高效的生產能力，才能夠更好的迎合國家可持續發展需求。現在我國所建設的諸多等級機組已經基本采取了DCS 控制系統來對整個生產過程進行統一控制，使自動化控制技術得到了極大的普及。

本文將對火力發電DCS 自動化技術進行研究分析，以提高技術品質為出發點，使自動化技術以及自動化控制系統能夠更好的保障火力發電運行質量，提高火力發電運行安全以及經濟效益。

1 DCS 簡介

DCS 是Distribuede Control System 的縮寫，中文翻譯名稱為分散控制系統，是隨著技術發展，在集中式控制系統基礎上演變而來的一種全新智能化的控制系統。DCS 需要以互聯網作為功能基礎，可以滿足整個火力發電廠生產系統實時性、可靠性和功能可擴充性等需求，所以具有很強的重構能力。在使用過程中，一套DCS 系統之中要設置I/O 控制站，這些控制站會起到分擔系統控制功能的作用，以此便可以避免某一控制站出現失效而導致整個系統功能失效的風險出現，進而具備良好的系統使用可靠性[1]。

由于在現場設置了控制站，可以使各個站點具備了分擔數據采集以及自動化控制負擔的作用，這對于提高整個火力發電廠生產系統性能而言也將有著十分重要的意義。控制DCS 系統的操作人員主要的職責是對人機界面進行運行操作管理，在工作壓力上相較于與以往，會得到明顯的減輕[2]。

2 DCS 應用情況及火力發電DCS 自動化技術應用面臨的問題

2.1 DCS 應用情況

從上個世紀80年代末開始，DCS 技術開始在我國石油化工領域得到了推廣使用，之后隨著國家經濟的進一步發展，DCS 相關的技術產品逐漸在其他領域內得到了肯定，比如冶金行業、輕工業行業、建筑行業等。

我國從最開始引進DCS 技術到現在已經有近40年的歷史，這40年的發展歷程，使得DCS 技術已經成為主流控制技術在我國工業控制系統體系內發揮著重要的作用，目前國內DCS 系統市場雖然仍然被國外企業所壟斷，包括西門子、霍尼韋爾等，而國內的DCS 廠商比如新華和中控也在呈現出快速發展的態勢，在未來有望進軍世界領先地位[3]。

火力發電作為我國重要的能源生產形式，所構建起的電器自動化系統是近幾年來行業的發展焦點，其側重點便是對火力發電廠電氣系統進行自動化的管理控制，意在提高整個生產系統的保護效果，使其具備更好的安全、效益和經濟價值。當前DCS 技術已經在火力發電系統中得到了普及，為發電廠自動化運行帶來了諸多技術支持，也使我國電力生產相關的電氣控制更加安全與可靠。

圖1 火力發電廠DCS 系統

2.2 火力發電DCS 自動化技術應用面臨的問題

一是，火力發電自動化系統工作環境仍然存在大量復雜干擾，對于DCS 系統應用可靠性上必須進一步加強，尤其是導致熱工系統運行異常的事故最近幾年逐漸增多。

二是，傳統技術下的火力發電廠電氣自動化系統已經無法滿足集散控制系統下自動化功能要求，無法實現電氣全通信控制功能，在通信速度、系統可靠性上已經出現不足。

在所在的學校是否開設創業教育課程這一問題的測量上，接近90%的學生選擇所在學校已經開設創業課，這反映了目前高職院校在創業教育課程開設方面具有一定的普遍性。而對于是否參加過創業培訓或者講座的調研中，僅有55.89%的學生選擇曾經參加過。從創業教育課的課程滿意度調研來看，接近一半的受訪者認為創業教育滿意度為一般，比較滿意的占27.24%，接近15%的對學校創業教育不滿意。

三是，電氣自動化系統控制邏輯、控制水平和自動化管理水平需要加強。利用網絡結構應該更進一步構建起完善的電氣自動化系統，在辦公自動化環境上、控制機、元件級等范圍內，要全面提高數據信息傳輸暢通無阻。

3 火力發電DCS 自動化技術問題應對功能完善策略

3.1 打造人機界面，保障系統可靠性

在這一技術領域中，需要按照火力發電廠工藝系統設計的標準，對已有的設計測點信號進行連續性的收集和管理，所獲得的測點信號應該納入到歷史數據庫中，繼而實現DCS 功能中的信息共享。要求操作人員需要依靠完善的人機界面功能才能夠發揮出最大的控制效果，該界面應該能夠滿足實時監控需求，可以對整個工藝系統以及設備的運行狀態進行監督管理，以及時發現運行過程中出現的工況故障，提高系統可靠性。

人機界面內也含有工程師功能，該功能主要是幫助維護工程師可以對系統軟件進行維護，同時也具備檔案備份功能。工程師站需要設計出相應的權限管理以此來避免系統遭受非法入侵的風險。人機界面內對于信號的采集與保護配置功能需要在控制處理器的I/O 中，如果信號采集還涉及到機械設備、電路保護等，則需要在DPU 那設計出完善的信號通道，以保障重要信號能夠得到及時的收集。用于監視和記錄信號的設置，可以安排在DPC 之中，也可以分散到DPU 中，DPU 主要是指其他工藝控制系統。

火力發電DCS 自動化技術關于人機界面設計中需要具備以下新的功能內容，包括：顯示功能、記錄功能、歷史數據存儲和檢索功能等。

顯示功能是指能夠對整個火力發電廠的工藝流程、生產趨勢工藝參數以及風險報警進行顯示，按照工藝運行要求，以結構式或者是樹形結構式進行展現，可以幫助運行管理人員及時便捷的查閱到所需要監控的信息畫面。在對某一畫面進行選擇時，一般限制在兩次擊鍵，也可以設置一些特殊的快捷鍵，重要的系統以及相關功能可以通過快捷鍵直接調出畫面。工藝運行有所不同、所涉及到的工藝流程顯示畫面也應該有所不同，所以畫面數據以及畫面數量都應該有一定的豐富度，這樣才能夠更好的滿足運行管理人員對整個系統設備和工藝環節監視的需求，畫面顯示的實時數據刷新周期應該小于1秒之內。

記錄功能涉及的是事件記錄、跳閘追憶記錄、操作記錄、定期記錄等順序事件記錄。記錄的數據應該滿足系統全天候運行的要求，分辨率可以根據DCS 的性能來進行設置。跳閘追憶記錄包括跳閘原因、信號變量分析；設備跳閘記錄需要按照跳閘之前十分鐘和跳閘之后五分鐘、以一秒時間間隔來進行數據收集。

操作記錄主要是指運行管理人員在整個系統內進行所有操作項目都要進行精準記錄，這樣才能夠便于操作人員進行監控，并且查找出系統中出現故障的原因。系統會自動保存48小時內的操作記錄，該項設置也需要實現歷史數據轉存功能；定期記錄主要是指按照火力發電廠的用戶需求，通過采取相應的工藝參數進行日報記錄和月報記錄等文件記錄與存儲，存儲的數量應該根據用戶要求來進行設計。

3.2 模擬量控制，滿足自動化功能要求

模擬量控制系統應該實現諸多針對單元機組以及輔機系統進行調節控制的功能要求，能夠對鍋爐、汽輪機、發電機進行整體化的控制，使整個火力發電廠相關設備可以同時完成控制任務，確保整個機組可以安全、穩定、快速的滿足負載變化，保持生產運行的穩定。同時也應該滿足控制機組安全啟動、穩壓運行的要求。模擬量控制系統需要劃分為若干個子系統，每個系統應該遵循各自的完整原則，這樣才能夠保持整個系統通信網絡上信息交換量最優化。

冗余狀態下的控制系統，如果局部出現故障，巧妙的設計可以避免整個機組同時進入危機狀態，而且能夠將故障所造成的負面影響限制到最低。模擬量控制系統設計時，應該實現協調汽輪機控制、鍋爐燃燒控制、汽輪機旁路控制等各個系統之間的協調運行，使整個機組都可以保持安全穩定的運轉，同時可以滿足不同負荷變化所帶來的壓力。

3.3 公用設備控制，升級自動化管理水平

DCS 對于公共設備控制系統技術設計上總體要求，是要各個公共設備能夠共同服務與多臺機組鍋爐和電主機系統進行聯系和協同控制，而且需要在DCS 自動控制設備上對多臺單元機進行監視與操作。在技術允許的條件下，循環水泵等重要的設備控制功能都應該在單元機組DCS 中得以實現，公共控制系統可以設計為獨立的DCS 系統，并且設計出完整的DPU 和人機界面。按照比如OPC 協議等通用協議進行數據通信，可以保障良好的通信效果。當公用設備控制系統并沒有設置出單獨的人機界面時，就必須設計出獨立的通信網絡，而且該通信網絡應該是冗余的。

通過隔離網關或者是路由系統來實現多臺單元機組與主系統的DCS 通信，具體功能包括任意主系統均能夠利用公共控制系統采集數據、任何關聯主系統的人機界面都能夠實現控制和操作功能，但是同一時間段內只能夠對一側主系統進行控制，另一側阻系統則不應該具備發出和接受指令的能力。需要注意的是，在設計時，應該滿足與公用控制系統聯系的任何一側主系統出現故障導致停運時，不應該影響到另一側主系統監視和控制功能。

4 火力發電DCS 自動化技術軟硬件要求

硬件和軟件系統的要求包括環境要求、抗干擾要求、可靠性要求等環境要求，是指DCS 系統硬件需要在良好的環境條件下保持正常的運行狀態。比如，控制室溫度應該控制在5～40℃；安裝現場溫度應該控制在零下25～55℃；儲存環境溫度應該控制在零下40～85℃；允許濕度應該在90%～96%。振動情況應該控制在頻率在10赫茲到150赫茲，抗干擾主要是指抗電干擾。可靠性要求是指各功能設備不會被隨意更改和損壞，任何單件出現故障與損壞不會影響到整個系統的正常運作。DCS 應該具備診斷故障的功能，并且可以將診斷數據通過通信頻道發送給主機。

軟件要求包括網絡結構要求、通信速率要求、電源系統要求等。網絡結構一般會采取分級層次化的結構類型，通信速率應該控制在能夠滿足控制系統實時傳遞信息的要求，節點通信速率應該達到每秒100Mbit，I/O 通信速率應高于每秒1Mbit。

5 結語

DCS 自動技術對于提高或電廠生產效率以及安全保障能力上能夠發揮出顯著的效果，但是該項技術較為復雜，需要火電廠投入充分的精力以及資源才能夠使DCS 技術發揮出最大價值。本文對DCS自動技術進行了淺要的介紹，目的是能夠使火力發電廠認識到，DCS 技術的普及將成為火力發電廠未來發展進程中最為重要的技術手段，將直接關系到火力發電廠的市場競爭力，所以該項技術的具體利用必須能夠迎合火力發電廠運行實際，不斷完善、不斷優化，要真正促進其為火力發電廠帶來經濟效益，在實現技術進步的同時，也將成就我國火力發電廠高科技發展。