發電廠熱控自動化系統設計與優化分析

梁瑞慶

（國能（肇慶）熱電有限公司，廣東 肇慶 526000）

合理運用熱控自動化系統可有效提升設備工作效率，使整體電力生產過程更加智能化、合理化。因此，設計人員必須結合發電廠實際運營狀態，合理設計網絡監控、分散控制及輔助控制各個子系統功能，并對系統單元、硬件、邏輯等方面進行深入分析，采取合理措施加以優化，進而提升整體系統的使用性能。

1 發電廠熱控自動化系統構成

1.1 分散控制系統

分散控制系統主要功能在于對發電廠內部設備及技術應用狀態進行監督和控制，運用系統數據分散處理功能對內部控制系統進行深入剖析，將其劃分為不同的功能模塊，再通過與運行操作、過程管理、開發維護及通信等幾個功能接口的連接，最后采取分散控制與集中顯示兩種不同方式來實施對整體設備運行數據的處理。該子功能系統可通過程序設計與自動化熱控主系統通信網絡相結合，形成綜合性過程管理系統。在設計此系統模塊時，必須以功能模塊為主體，通過靈活組態與科學配置來保障各項主要功能的順利實施。

1.2 監控系統

因發電廠內部整體生產設備過程普遍擁有一定復雜性，在實際生產運行時，難免因各種外部與內部因素而引發設備系統故障，為保障整體生產線持續安全、穩定運行，必須結合現代技術合理布設相應監控系統。而現代發電廠監控系統則多以視頻監控為主，其主要適用于管理范圍和管理難度相對較大的工作區域。運用視頻監控，可隨時掌握電廠內部真實設備運行與人員操作狀態。構建此功能系統時，通常會在火電廠各個區域安裝無死角監控攝像頭，并與相關輔助系統端口結合運用。此外，應充分結合現代信息技術將視頻監控系統與自動化熱控系統形成有效連接，使其能夠通過視頻監控信息，全面了解設備運行狀態，并及時針對危險信息在第一時間內做出預警提示，進而在保障生產效率的同時增強整體生產運營的安全性。

1.3 輔助控制系統

輔助控制系統主要屬于自動化熱控系統中的重要組成部分，其能夠在污染控制的狀態下按照內部程序設定，來進行對現場信息的傳輸和采集。其日常運行時，可通過編程控制裝置來實施一系列自動化操作指令，并運用數據接口及交換機等裝置來保障整體系統數據處理效率，進而真正實現數據信息共享效果。除此以外，該子系統還可以通過中控室人員操作來輔助主機系統進行集中控制，在保障發電廠部分區域在無人控制狀態下，依然能夠安全、穩定地運行，進而大幅度降低人力資源的投入，提升企業的整體經濟效益。

2 發電廠熱控自動化系統優化策略

2.1 單元設計優化

合理設計和優化熱控系統單元控制系統，可進一步提高單元控制模塊系統運行的信息化與智能化水平，全面提升DCS 分散控制系統運行效率，進而增強整體系統對生產數據及設備的監控能力。因此，應合理運用各種現代信息技術，將電子技術與互聯網等技術融合其中，不定期優化和更新系統硬件和系統軟件，進而構建一套全新的自動化熱控分散控制系統。同時，還應全面優化系統軟件設計過程，在對相關系統程序進行設計時，合理設計整體系統信息控制指標及信息控制范圍，進而增強整體系統本身的抗干擾能力。應在設計過程中，盡可能地降低重復處理單元數據程序，減少冗余數據產生，從而進一步降低系統負荷，加快系統信息處理速度。

2.2 硬件設計優化

硬件作為保障熱控系統運行效率的關鍵所在，若不能降低其在日常運行中的故障發生率，則會嚴重影響整體系統數據處理的安全性和準確性。因此，設計人員必須以系統硬件作為設計主體，制定完善的硬件控制方案。以保障增強硬件設備使用效率為設計核心，進行綜合性系統設計。除此以外，為進一步提升設備抗老化能力，避免設備因外部環境因素而導致設備故障產生。硬件設備采購標準必須結合電廠實際情況及系統功能要求而定。在經濟條件允許的情況下，盡量選擇適應性強、性能好且符合系統建設要求的硬件設備，并在設備采購入場后做好一系列的質量檢查工作，實時監測終端設備、系統電源及室內溫度，并安排專門工作人員進行定期維護和檢修，進而保障熱控自動化系統安全、穩定運行。

2.3 邏輯設計優化

合理設計熱控系統邏輯關系是保障整體系統穩定運行的關鍵所在。因此，必須采取合理措施來優化和降低系統拒動和誤動等不良現象產生。這便要求設計人員在必須在系統初期設計期間，對邏輯設計模塊進行全方位系統性能測試，合理布設邏輯測試點位，并針對每個質量測試碼的測試數據結果進行綜合判斷。運用此類方法，可有效增強整體邏輯測試的真實性與準確性，保障取樣信號數據的完整性，最大限度地降低誤動現象產生。此外，需在滿足系統功能持續穩定運行的前提下，運用邏輯優化方法，來減少工作人員的操作風險和勞動量，并運用對單點系統程序邏輯的更新和優化，進一步降低設備在日常運行中的故障頻率。

2.4 APS 技術應用優化

目前，APS 技術主要應用于熱控自動化系統中的順序控制部分，對相關技術進行合理優化，不僅能夠全面提升操作人員本身的技能操作水平，還可以全面控制工作人員日常操作行為，增強設備操作的規范性與合理性，杜絕違規操作、錯誤操作等不良現象發生。除此以外，該技術優化可以大幅度降低機組啟停操作時間，進而提升整體自動化熱控系統的運行效率和系統信息處理速度。期間，要求相關人員增強對現場相關設備的檢修和維護，并在日常設備檢修和維護過程中全程記錄，并將其相關信息錄入管理系統進行存儲，進而為后續設備管理工作提供準確的數據依據。

3 發電廠熱控自動化系統設計實踐

3.1 設計概述與總體設計

（1）設計概述。本次案例熱控自動化系統主要基于DCS 分散控制系統功能開展系統設計，詳細設計原則及主要設計思想如下：運用DCS 分散控制系統中數據處理與綜合控制功能模塊，明確各個設計生產工序與控制系統之間的關系，將可能影響設備急停、系統穩定、設備正常啟動與關閉的各種功能，按照不同等級來劃分。制定規范化系統可靠性要求，選擇適合的通信節點、電源設備、模板及CPU 等。此外，還應根據當下發電廠實際生產需求，合理分配各個子系統數據處理量，減少數據重復處理程序，降低系統運行荷載，進而增加系統數據處理速度，最大程度減少系統對通訊信息的依賴。均勻分配各個自動負荷，科學規劃系統資源。

在系統設計條件方面，應主要注意以下幾點：第一，設備布設位置。應在總設計圖中清晰標記各個設備室及操作間的垂直與水平信息，充分掌握發電廠現有電纜線路、設備結構分布位置及規格。第二，工作站結構及設備配置。工作站結構主要包括工作站位置分布、配備數量及類型，其中主要設備包括機柜、計算機、打印機、鍵盤、監控顯示屏等。第三，通訊網絡。在通訊網絡布設方面應根據工程場地各個設備實際距離來合理布設通訊介質。第四，必須充分考慮自動化系統與外圍設備、控制器、交換機、電纜等主要設備之間的兼容性。第五，應全面掌握RFI 及EMI 環境對系統的整體干擾程度，其中主要包括人為失誤、意外、設備運行產生的輻射性、傳導性、靜電放電及設備故障等，在主系統設計階段，在綜合考慮上述影響因素的基礎上，將安全控制、報警、聯鎖裝置等設備納入系統設計中。

（2）總體設計。系統中所控制設備的復雜性、設備作用及設備型號，是影響DCS 系統控制效率的關鍵所在。因此，必須將公用設備、機組設備、電力生產專用設備及規律性較強且重復性相對較大的各種電力設備，全部劃入DCS 系統控制范圍內。整體系統控制中發電廠內多數設備由DCS 系統進行控制操作，少部分設備可通過人工方式輔助操作。而其余部分設備，自動化系統只負責全程監視其日常運行狀態而無須施加控制。合理設計設備監控和控制范圍，進而有效地提升火電廠電力自動化生產水平。

3.2 初步設計

關于系統硬件方面的初步設計主要是對分散控制系統對DCS 各方面的要求加以確定，且應明確分散控制系統對內部及外部連接接口要求。具體如下：還應基于I/O 點位來明確分散控制系統相應的I/O 卡；基于具體控制功能來明確分散控制系統布設等級及布設數量；基于技術應用分布來明確分散控制系統控制柜的分布及數量，進而設計DCS 整體系統網絡構架；基于運行系統運行模式來設計輔助設備、工程師站及人機接口裝置；基于其余設備對于系統接口要求來設計通行接口規格及和數量。關于系統軟件方面的初步設計，主要針對系統組態圖的布設，設計人員在經過一系列分析研究后，將系統軟件初期設計任務主要設定為以下幾點：第一，基于順序結構要求合理編制控制說明并設計邏輯系統構架圖。第二，合理設計調節系統構建圖，并將各個控制回路連鎖原則、擾動量、被調量及調節量等信息清晰描述。第三，編寫相關的連鎖保護細則。制定各類機械設備控制規范，如開關、啟停操作允許條件等。第四，明確典型組態功能實現模式，如順序控制、驅動控制、選擇邏輯及回路調節等，并制定嚴格的歸檔和報警原則。

3.3 詳細設計與實踐

（1）系統硬件總體構成組態。硬件組態主要基于DCS 相關硬件設備在通信、電氣方面的邏輯關系，進行組態設計。如可將DCS 系統組態功能菜單設定為系統配置、配置文件生成、系統配置限制及系統退出等。其中系統配置主要包括工程師、操作工及I/O 控制站站號范圍設定。工程師站配置可通過系統功能圖標點擊進入配置頁面，允許設置內容包括報警方式、警報級別、打印機型號選擇、口令、LAN 網址、站名等。而I/O 配置主要分為有冗余和無冗余兩種不同形式，詳細子配置畫面可設計為比其余二類站多一個“I/O 模板配置”功能，在點擊該圖標時，系統會立即彈出相應的子頁面，以便于工作人員進行詳細參數配置。子畫面允許配置內容主要包括端子板型號、模板型號、槽位號、機箱號、機柜號等，并設置增加、修改、刪除、查詢、退出、完成、前一頁、后一頁等幾個不同功能鍵。此外，當電機系統配置生產圖標時，系統將結合當前參數配置情況自動生成內部實際配置數據文件，并自動實現數據庫編譯、配置文件生成及回路控制編譯等功能模塊，進而保障配置文件生成數據的時效性和準確性。某發電廠機組DCS 設計系統結構，如圖1 所示。

圖1 某發電廠機組DCS 分散控制系統架構圖

（2）測點組態。本次案例系統測點組態設計依據：I/O 點位分布、類型及數量主要基于初步硬件設計而定；DCS 控制器等級和布設數量主要基于實際控制任務而定；DCS控制柜等級和布設數量主要基于工藝實施過程而定。測點組態信息設置以表格為主，但必須正確設置各個不同區域邏輯含義，就此便可完成整體硬件組態與系統組態的設置工作。除此以外，DCS 系統主要是將全部數據信息通過整合分類將其分布到相應的工作站，通過指定通訊設備完成數據共享。為降低數據重復發送增加系統負荷，應將每個管理系統分別設定不同標號任務，進而降低網絡數據傳輸量。本案例系統除SID 序號外，在系統目錄登記點對施工頻率較高的詞語進行了詳細記錄，如特征字符、工程單位、中文描述、類型、DPU 號等，從而便于工作人員下方位此類領域時，能夠在目錄歷史記錄快速找到關鍵詞，節省操作時間。

（3）過程控制邏輯組態。過程控制部分主要包括通信接口、控制及算法控制組態，通過科學合理的程序設計，將其分別連接至指定硬件系統，進而全面控制硬件設備。功能塊編程作為DCS 系統中最常用的設計方式，設計人員只需將全部計算模塊和控制模塊全部編入相應的處理器ROM 中即可，而操作者可根據需求選擇相應的功能模塊，將其根據項目要求進行銜接，再設定相關參數即可。自動化熱控系統主要功能模塊包括非門、或門、RS 鎖存器、操作站、觸發器、乘法器、開關量及模擬量的設置等，如圖2 所示。

圖2 DCS 系統調節邏輯組態結構圖

除此以外，還包括部分關于人機接口方面的組態設計，本文不做過多表述。

（4）系統調試。在整體熱控自動化系統構建完畢后，必須進行相應的調試工作，I/O 點位可通過運用全部功能通道調試來驗證，DCS 系統功能可通過冗余CPU 切換、電源切換及網絡切換的方式來驗證，同時也可根據實際情況運用仿真模擬試驗來驗證整體系統運行參數的準確性。但系統主要功能，則必須通過結合現場汽機、鍋爐等設備的實際運行狀態來測試和驗證，進而保障整體系統的科學性與合理性。

4 結語

綜上所述，在實施設計與優化自動化熱控系統時，必須基于系統功能特點，綜合分析可能存在的系統故障，充分利用現代信息技術，不斷優化和改進各個子系統功能，在最大限度上提升系統工作效率，從而保障自動化系統能夠長期處于安全、穩定的運行狀態，進而提升企業的經濟效益。