火電廠熱工自動(dòng)化DCS控制系統(tǒng)的應(yīng)用淺析

梁雪

（國(guó)能（福州）熱電有限公司，福建 福清 350309）

在DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電腦為控制中樞，互聯(lián)網(wǎng)為控制橋梁，可應(yīng)用多種監(jiān)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種工業(yè)設(shè)備控制，使生產(chǎn)過程得到全面有效的管理。DCS控制系統(tǒng)涵蓋多種技術(shù)，例如，多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及計(jì)算技術(shù)等，具有眾多優(yōu)勢(shì)，可結(jié)合人機(jī)界面及通訊界面實(shí)現(xiàn)多種功能DCS系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全性更強(qiáng)，設(shè)備運(yùn)行過程更安全可靠。在DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某環(huán)節(jié)關(guān)鍵控制單元出現(xiàn)故障問題時(shí)，該單元及相關(guān)單元能夠及時(shí)被轉(zhuǎn)移至其他程序內(nèi)，整個(gè)單位運(yùn)行過程更加安全。

1 火電廠熱工自動(dòng)化內(nèi)涵

火電廠熱工自動(dòng)化是指在各類數(shù)據(jù)信息處理過程中，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)化控制、自動(dòng)化報(bào)警與自動(dòng)化保護(hù)，無須采取人工控制或人工參與的方法，即可實(shí)現(xiàn)儀表及各類裝置自動(dòng)化控制，可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)火電廠熱力參數(shù)控制及測(cè)量。在火電廠運(yùn)行過程中，熱工自動(dòng)化控制的應(yīng)用使熱工設(shè)備安全性得到了保障，火電廠工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度降低，機(jī)組運(yùn)行過程更加安全高效，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)尤為顯著，工作條件及環(huán)境得到了明顯的改善，可推動(dòng)火電廠的現(xiàn)代化發(fā)展。

2 火電廠熱工自動(dòng)化應(yīng)用現(xiàn)狀

作為一種現(xiàn)代化新型控制技術(shù)，火電廠熱工自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展及我國(guó)機(jī)組容量不斷提高的背景下，火電廠發(fā)電已成為電力系統(tǒng)輸送的重要構(gòu)成部分。現(xiàn)階段，火電廠熱工自動(dòng)化取得了顯著的應(yīng)用成績(jī)，組裝儀表已向數(shù)字儀表轉(zhuǎn)變，控制系統(tǒng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更新及換代，部分機(jī)組由專業(yè)小型計(jì)算機(jī)完成監(jiān)督與管理，結(jié)合CRT顯示器，監(jiān)控水平得到了明顯的提升，在局部應(yīng)用及熱工保護(hù)過程中均取得了良好的應(yīng)用成績(jī)。協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用是大型火電機(jī)組控制系統(tǒng)發(fā)展的另一特征，我國(guó)大型發(fā)電機(jī)組及引進(jìn)發(fā)電機(jī)組均應(yīng)用了注意控制系統(tǒng)，這一系列的創(chuàng)新均標(biāo)志著我國(guó)電廠熱工自動(dòng)化已實(shí)現(xiàn)了高水平的發(fā)展。目前，自動(dòng)化仍是各個(gè)企業(yè)發(fā)展的主流方向。在電力企業(yè)生產(chǎn)過程中，熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用為電力事業(yè)提供了新的發(fā)展平臺(tái)。

熱工自動(dòng)化涵蓋自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警及自動(dòng)保護(hù)四個(gè)功能。第一，自動(dòng)檢測(cè)。自動(dòng)檢測(cè)是指自動(dòng)化儀表可獨(dú)立完成火電廠運(yùn)行過程中的溫度、流量壓力等熱工參數(shù)的測(cè)量，無須由工作人員參與或控制。自動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用可及時(shí)掌握火電廠運(yùn)行過程中存在的不足之處及缺陷，可及時(shí)調(diào)整各火電機(jī)組運(yùn)行狀況。第二，自動(dòng)控制。自動(dòng)控制是應(yīng)用自動(dòng)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)火電廠機(jī)組中運(yùn)行過程及運(yùn)行設(shè)備的自動(dòng)調(diào)節(jié)，使機(jī)組運(yùn)行更加安全、經(jīng)濟(jì)、高效。第三，自動(dòng)報(bào)警。自動(dòng)報(bào)警是指在無人控制條件下，如機(jī)組運(yùn)行存在參數(shù)偏離，系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出提示信號(hào)，使工作人員及時(shí)調(diào)整，避免安全事故出現(xiàn)。第四，自動(dòng)保護(hù)。自動(dòng)保護(hù)是指熱工參數(shù)超過設(shè)計(jì)限額或相關(guān)設(shè)備運(yùn)行條件難以滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，基礎(chǔ)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自我控制及修復(fù)，進(jìn)而避免事故或損失發(fā)生。

3 火電廠熱工自動(dòng)化DCS控制系統(tǒng)構(gòu)成、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及創(chuàng)新方法

3.1 火電廠熱工自動(dòng)化DCS控制系統(tǒng)構(gòu)成

DCS控制系統(tǒng)也被稱為分布式控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)，將DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用于火電廠運(yùn)行過程中，可提高熱工自動(dòng)化控制水平。在DCS控制系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)均會(huì)對(duì)整體運(yùn)行造成影響，火電廠熱工自動(dòng)化DCS控制系統(tǒng)共由5個(gè)子系統(tǒng)共同組成。

第一，DAS系統(tǒng)。DAS系統(tǒng)也被稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是DCS控制系統(tǒng)中最重要的子系統(tǒng)之一，DAS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱工機(jī)組運(yùn)行情況在線監(jiān)測(cè)，根據(jù)數(shù)據(jù)及信息生成指定參數(shù)，隨后利用參數(shù)分析及處理的方法，通過圖畫的方式呈現(xiàn)出來，便于工作人員實(shí)時(shí)觀察熱工系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。DAS系統(tǒng)還具有自動(dòng)報(bào)警的功能，還可實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組性能指標(biāo)計(jì)算，熱工系統(tǒng)操作過程的準(zhǔn)確性能夠得到保障。第二，MCS系統(tǒng)。MCS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)火電廠鍋爐及汽輪機(jī)組運(yùn)行參數(shù)調(diào)整，例如，對(duì)運(yùn)行過程中的水、風(fēng)加以控制與調(diào)節(jié)，使機(jī)組保持安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。MCS系統(tǒng)也被稱為模擬量控制系統(tǒng)，可將控制對(duì)象劃分為鍋爐側(cè)及汽輪機(jī)側(cè)。MCS系統(tǒng)鍋爐側(cè)的功能是鍋爐控制、蒸汽溫度控制、水箱水位控制與引風(fēng)控制，MCS系統(tǒng)汽輪機(jī)側(cè)的功能是除氧器水位調(diào)節(jié)及給水系統(tǒng)調(diào)節(jié)等。第三，SCS系統(tǒng)。SCS系統(tǒng)可結(jié)合運(yùn)行原則及順序，判斷設(shè)備運(yùn)行邏輯，隨后展開結(jié)果分析，作出相關(guān)控制指令，使機(jī)組內(nèi)部各設(shè)備按照預(yù)定順序有序運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)機(jī)組控制目標(biāo)。SCS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電廠內(nèi)主機(jī)及輔機(jī)控制，還能夠?qū)ψ詣?dòng)開關(guān)控制及運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)。由于該子系統(tǒng)為分層設(shè)計(jì)，所以在控制領(lǐng)域融入了優(yōu)先級(jí)運(yùn)算技術(shù)，能夠在短時(shí)間內(nèi)完成順序控制。第四，DEH系統(tǒng)。DEH系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)組壓力功率等參數(shù)控制，是維系汽輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的重要系統(tǒng)。當(dāng)系輪機(jī)組在運(yùn)行過程中發(fā)生故障問題時(shí)，DEH系統(tǒng)也能夠?qū)C(jī)組內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行控制，將故障影響保持在最低。第五，F(xiàn)SSS系統(tǒng)。FSSS系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電廠鍋爐爐膛內(nèi)部運(yùn)行情況監(jiān)控，還能夠做到數(shù)據(jù)信息判斷。當(dāng)爐膛運(yùn)行參數(shù)與正常數(shù)值存在差異時(shí)，F(xiàn)SSS系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出指令，根據(jù)順序?qū)θ紵到y(tǒng)中的設(shè)備加以控制。除此之外，F(xiàn)SSS系統(tǒng)還能夠?qū)υO(shè)備運(yùn)行過程中的潛在故障進(jìn)行預(yù)判，使鍋爐運(yùn)行過程更加安全穩(wěn)定。

3.2 火電廠熱工自動(dòng)化DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

第一，兼容性更強(qiáng)。在電廠機(jī)組運(yùn)行過程中，多項(xiàng)設(shè)備均保持協(xié)同運(yùn)行狀態(tài)，干擾源及控制參數(shù)數(shù)量龐大，干擾源及控制參數(shù)呈現(xiàn)出非線性分布的特征，二者之間相互影響，電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作難度大幅提高，應(yīng)綜合考量多個(gè)影響因素。DCS控制系統(tǒng)能夠強(qiáng)化機(jī)組自動(dòng)化控制水平，簡(jiǎn)化高級(jí)控制算法，提高系統(tǒng)兼容程度。第二，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能輸入及輸出。遠(yuǎn)程智能輸入及輸出系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，由智能前端、現(xiàn)場(chǎng)總線及計(jì)算機(jī)適配器共同組成。智能前端也被稱為控制裝置，可實(shí)現(xiàn)電熱阻測(cè)量，準(zhǔn)確度更高。此外，遠(yuǎn)程智能輸入輸出系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)AD及DA的靈活轉(zhuǎn)換。現(xiàn)場(chǎng)總線可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字串行通信，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多等多種工作方式。計(jì)算機(jī)適配器可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)綜合管理，具有協(xié)調(diào)性。此外，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)系統(tǒng)信息轉(zhuǎn)換，遠(yuǎn)程智能輸入輸出系統(tǒng)能夠提高DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行過程的穩(wěn)定性、兼容性與安全性。第三，實(shí)現(xiàn)DCS輔機(jī)控制。在火電廠運(yùn)行時(shí)，DCS控制系統(tǒng)可對(duì)全體系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，可應(yīng)用多種技術(shù)方案使輔機(jī)系統(tǒng)及主機(jī)DCS相連接，還可實(shí)現(xiàn)MIS與主機(jī)DCS連接，工作效率可得到顯著的提升，運(yùn)行成本大大降低，管理系統(tǒng)工藝技術(shù)水平更高。第四，可實(shí)現(xiàn)全過程監(jiān)控。在電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，為減輕設(shè)計(jì)難度，通常會(huì)取消部分后備監(jiān)控設(shè)備，僅保留少量的停機(jī)開關(guān)。CRT監(jiān)控技術(shù)及DOC大屏幕顯示技術(shù)已在我國(guó)絕大部分電廠實(shí)現(xiàn)了推廣與應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面優(yōu)化，降低監(jiān)控人員工作壓力，減少人工成本支出，確保電廠運(yùn)行更加安全穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益可得到顯著的提高。

3.3 火電廠熱工自動(dòng)化DCS控制系統(tǒng)創(chuàng)新方法

3.3.1 強(qiáng)化輸入信號(hào)穩(wěn)定性與可靠性

提高DCS控制系統(tǒng)輸入信號(hào)的穩(wěn)定性與可靠性，才能夠確保控制系統(tǒng)運(yùn)行的精確性。首先，應(yīng)提高控制系統(tǒng)的電氣設(shè)備及零部件可靠性，避免受零部件故障因素影響，造成信號(hào)傳輸故障發(fā)生。其次，應(yīng)加強(qiáng)主界面功能模塊更新及優(yōu)化，豐富控制系統(tǒng)功能，使控制系統(tǒng)能夠更加高效準(zhǔn)確的獲取個(gè)性化需求。

3.3.2 優(yōu)化預(yù)警系統(tǒng)

DCS控制系統(tǒng)內(nèi)部的預(yù)警系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)鍋爐運(yùn)行過程監(jiān)督，安全性能夠得到保障，鍋爐設(shè)備運(yùn)行故障問題可被及時(shí)發(fā)現(xiàn)及解決。在預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)提高其智能化及人性化水平，將智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)一體化技術(shù)應(yīng)用在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案優(yōu)化及完善。除此之外，預(yù)警系統(tǒng)內(nèi)還應(yīng)融合設(shè)備維修狀況及鍋爐系統(tǒng)操作流程等信息，使工作人員準(zhǔn)確掌握各維護(hù)及保養(yǎng)信息，使鍋爐設(shè)備運(yùn)行狀況得以準(zhǔn)確地呈現(xiàn)。

3.3.3 將DCS方式與電氣控制系統(tǒng)相整合

將DCS方式融入電氣控制系統(tǒng)中，可利用DCS邏輯組態(tài)功能完成電氣設(shè)備與熱控設(shè)備分散控制，提高設(shè)備控制及監(jiān)控水平。首先，將DCS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與電氣控制系統(tǒng)相整合。其次，將接收信號(hào)轉(zhuǎn)換為DCS可識(shí)別的信號(hào)，隨后接入DCS系統(tǒng)中，傳輸至控制中心內(nèi)，利用電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱控設(shè)備及電氣設(shè)備的集中管理與控制。

4 DCS控制系統(tǒng)發(fā)展前景

雖然相關(guān)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了大范圍的推廣及應(yīng)用，但火電廠運(yùn)行過程中的DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用水平仍有待提升。為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，應(yīng)做好DCS控制系統(tǒng)優(yōu)化及完善。未來，DCS控制系統(tǒng)發(fā)展前景主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。第一，單元鍋爐、汽機(jī)及電氣控制一體化。DCS控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)、收集與分析及統(tǒng)一管理，為實(shí)現(xiàn)鍋爐、汽機(jī)及電氣控制一體化，可采取以下幾種方法展開研究。首先，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，全面考量鍋爐、汽機(jī)及電氣控制與連鎖保護(hù)監(jiān)控功能。其次，工作人員還應(yīng)協(xié)調(diào)操作電氣監(jiān)控、電氣操作、程序邏輯及接口。第二，加強(qiáng)智能PID技術(shù)應(yīng)用。DCS控制系統(tǒng)在電廠熱工控制過程中應(yīng)用廣泛，核心為PID控制器。傳統(tǒng)PID控制器具有延遲低、線性的特征，可建設(shè)準(zhǔn)確的數(shù)字模型，參數(shù)更加精確，系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)。電廠熱工控制與其他工作過程存在顯著差異，具有隨機(jī)性、復(fù)雜性、非線性的特征，傳統(tǒng)PID控制很難準(zhǔn)確的確定數(shù)字模型及整體參數(shù)，應(yīng)做好PID控制改進(jìn)。智能PAD控制器由傳統(tǒng)控制器及智能控制技術(shù)衍生而來，依托智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制適應(yīng)性差、參數(shù)整定等局限突破，控制算法準(zhǔn)確性及系統(tǒng)穩(wěn)定性二者之間的矛盾能夠得到有效解決，系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。智能控制技術(shù)涵蓋自適應(yīng)控制技術(shù)及模糊控制技術(shù)等，現(xiàn)已成為電廠熱工DCS融合控制系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。但智能控制技術(shù)與傳統(tǒng)PID控制相融合后衍生出的智能PAD控制技術(shù)仍處于理論研究及仿真模擬階段，僅有少量應(yīng)用于大型電廠鍋爐燃燒過程及鍋爐水位控制過程中。電廠規(guī)模及控制過程更加復(fù)雜，控制系統(tǒng)由傳統(tǒng)的PID控制向智能PID控制轉(zhuǎn)變已成為一個(gè)必然發(fā)展的過程。

5 結(jié)語

綜上所述，熱工自動(dòng)化DCS系統(tǒng)是火力發(fā)電廠運(yùn)行過程中不可缺少的重要系統(tǒng)之一，運(yùn)行水平與發(fā)電廠生產(chǎn)效率及生產(chǎn)安全聯(lián)系密切。DCS系統(tǒng)由5個(gè)子系統(tǒng)共同組成，不同子系統(tǒng)均具有其獨(dú)特作用。技術(shù)人員應(yīng)加強(qiáng)系統(tǒng)推廣及應(yīng)用，結(jié)合發(fā)展趨勢(shì)加強(qiáng)電廠熱控系統(tǒng)完善，提高DCS系統(tǒng)智能化及一體化水平，提高我國(guó)電廠的生產(chǎn)效率及質(zhì)量，使電力供應(yīng)更加穩(wěn)定連續(xù)。