摘要:DCS于七十年代中期誕生以來,以其硬件品種少、可靠性高、容易維護,控制策略由軟件實現(xiàn)、靈活方便、功能強大、軟件組態(tài)也很簡單,運行人員監(jiān)盤面小、CRT監(jiān)視即能監(jiān)視局部控制回路、又能監(jiān)視全局等優(yōu)點迅速發(fā)展起來。本文著重就DCS廠家的硬件及應用情況,結(jié)合目前我國火電廠的實際設計水平,就在火電廠熱工自動化設計中積極穩(wěn)妥的進行DCS物理分散設計介紹作者的思路。
CIMS模型理論的發(fā)展
DCS于七十年代中期誕生以來,以其硬件品種少、可靠性高、容易維護,控制策略由軟件實現(xiàn)、靈活方便、功能強大、軟件組態(tài)也很簡單,運行人員監(jiān)盤面小、CRT監(jiān)視即能監(jiān)視局部控制回路、又能監(jiān)視全局等優(yōu)點迅速發(fā)展起來。尤其是近代大容量、高參數(shù)機細的安裝,電網(wǎng)對機組運行控制要求的提高,常規(guī)控制系統(tǒng)已不能勝任控制任務,DCS以不可逆轉(zhuǎn)的形式在200MW以上機組廣泛應用。近兩年來隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展,DCS價格下降,小型發(fā)電機組、包括小型供熱鍋爐也都紛紛采用DCS來控制。目前,:DCS在火電機組上的應用技術相當成熟,應用已基本普及,迫切需要改變目前僅僅是應用DCS完成控制任務的狀態(tài),向用好DCS,充分發(fā)揮、挖掘DCS潛力的方向轉(zhuǎn)變,使DCS的應用更上一層樓,發(fā)揮zui大效益。
就火電廠的應用情況來看,DCS應用的發(fā)展面臨的任務基本上有三個方面,一是,隨著電力系統(tǒng)體制的改革,廠網(wǎng)分開、電力市場經(jīng)濟的來臨,電廠需要一個完整的計算機自動化網(wǎng)絡,DCS生產(chǎn)商在這方面有非常多的可開拓的機遇。另一方面,就目前DCS的應用水平來看,多數(shù)DCS應用是就工程而作工程,僅僅完成機組控制系統(tǒng)的投運,完成生產(chǎn)過程的控制,許多應用在國內(nèi)尚未涉及,沒有充分發(fā)揮DCS的功能,在目前硬件水平的基礎上可作的軟件工作非常多,性能計算、故障診斷、控制優(yōu)化運行指導、提高控制性能、延長機組壽命、減少機組停運時間、節(jié)約原料等諸多方面的工作都有待去完成,的DCS廠商在這些方面都有豐富的軟件,國內(nèi)廠家在這些方面也應多作一些應用開發(fā)和宣傳推廣工作,這些工作也有助于樹立DCS生產(chǎn)商和其工程合作商的形象,增強其競爭力,電站用戶在這方面也應有所投入,這是一低投入*的項目。zui后一方面,也是DCS概念本身應該包括而至今未能創(chuàng)造效益的一項,DCS(distributecontrolsystem)的distribute不僅包括控制系統(tǒng)功能分散,而還應包括控制系統(tǒng)物理分散,以減少電纜量和電纜敷設的施工費用,縮短熱控施工周期,減輕熱控施工前松后緊的矛盾。雖然DCS物理分散后,系統(tǒng)維護比集中電子設備間形式困難,但通過完善DCS系統(tǒng)的自診斷功能可以得到彌補。本文著重就DCS廠家的硬件及應用情況,結(jié)合目前我國火電廠的實際設計水平,就在火電廠熱工自動化設計中積極穩(wěn)妥的進行DCS物理分散設計介紹作者的思路。
1、現(xiàn)場總線(FCS)
談到物理分散,首先應想到的應是FCS。近年來,DCS在工業(yè)生產(chǎn)過程中廣泛應用,工程人員對其信賴感備增,數(shù)字化控制的特點和*性越來越深刻的被人們所認識。隨著微電子技術及信息網(wǎng)絡技術的發(fā)展,現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)應運而生。現(xiàn)場總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設備與控制中心之間實現(xiàn)全數(shù)字、雙向、串行、多節(jié)點數(shù)字通信網(wǎng)絡,基于這種開放型網(wǎng)絡構(gòu)造了新一代的全分布控制系統(tǒng)一現(xiàn)場總線,控制系統(tǒng)(FCS)。
FLS從概念上講,是一全新的系統(tǒng),有巨大的*性,在石油化工等—些領域已有成功應用。但是,F(xiàn)CS的應用是一系統(tǒng)工程,涉及到協(xié)議的統(tǒng)一,涉及到變送器、執(zhí)行機構(gòu)等各個環(huán)節(jié)設備的智能化及充足的產(chǎn)品供應,這些均不是—朝一夕能解決的事情。目前、FCS的狂熱思潮已經(jīng)過去,應用的呼聲更趨于平靜。另外,F(xiàn)CS從工程技術方面講仍未定型,單元機組的協(xié)調(diào)控制等復雜算法應在FCS的哪—級去完成等等,仍是需研究確定的問題。因此,F(xiàn)CS作為“安全可靠”為第—設計原則的火電廠控制系統(tǒng)設計選型,條件尚不具備。在所選用DCS允許的情況下,可在工藝系統(tǒng)的局部,例如燃油泵房,小范圍采用FCS產(chǎn)品,為FCS在火電廠的應用積累經(jīng)驗。
2、電子設備間分散
隨著網(wǎng)絡和計算機技術的發(fā)展,DCS應用的推廣普及,響應用戶的普遍需求,DCS網(wǎng)絡趨向于采用通用的網(wǎng)絡硬件和標準協(xié)議,DCS廠商專注于測量控制卡件的生產(chǎn)和控制策略軟件的開發(fā);目前,大多數(shù)DCS的主干通訊網(wǎng)絡支持光纖介質(zhì),通訊網(wǎng)絡兩站之間的距離滿足電子設備間分散的要求,以下是電站常用的幾家DCS的通訊網(wǎng)絡情況。
MCS公司的MAXl000+PLUS系統(tǒng)采用MAXnet通訊網(wǎng)絡連接工程師站、操作員站和機柜RPU(DPU柜),MAXnet通訊網(wǎng)絡采用100Mbps的交換式以太網(wǎng).支持雙絞線和光纖介質(zhì),當機柜距離控制室低于超過180m時可采用雙絞線,超過18m時需采用光纖介質(zhì),可達1000m;ABB貝利公司symphony系統(tǒng)中用于過程控制和過程管理數(shù)據(jù)交換的控制網(wǎng)絡為Cnet,Cnet的環(huán)形網(wǎng)絡用于連接現(xiàn)場控制站HCU(DPU柜)、人系統(tǒng)接口和系統(tǒng)工程設計工具,環(huán)形網(wǎng)絡使用存儲器插入式的存儲轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議,數(shù)據(jù)傳輸率為10MB/S,可采用同軸電纜和光纖介質(zhì),相鄰兩節(jié)點之間的距離可達2000m以上:西門子公司的TXP系統(tǒng)的電廠總線用于AS620自動控制系統(tǒng)(DPU柜)、0M650過程控制和管理系統(tǒng)的處理器PU/SU、ES680工程設計系統(tǒng)處理器ES和DS670診斷系統(tǒng)處理器DS之間的通訊,終端總線用于PU/SU、OM650操作終端叮(操作員站)、ES680操作終端ET(工程師站)和DS670操作終端DT之間的通訊,電廠總線和終端總線均是通過使用光纜的局域以太網(wǎng)建立起來的,采用IEEE802.3標準的碰撞檢測(CSMA/CD)協(xié)議,傳輸介質(zhì)可采用同軸電纜和光纖,zui遠距離可達4300m;上海??怂共?rsquo;羅的I/ASefies系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按節(jié)點的概念來構(gòu)成,I/ASeries系統(tǒng)各個站(控制處理機,應用操作站處理機等)通過節(jié)點總線(Nodebus)相互連接形成過程管理和控制節(jié)點,節(jié)點總線符合IEEE802.3標準,采用總線形式,傳遞媒體為同軸電纜或光纜,通訊管理方式采用碰撞檢測方式,數(shù)據(jù)傳輸率為,10MB/S,節(jié)點總線段zui大長度為0Om,利用節(jié)點總線擴展組件進行總線擴展,兩節(jié)點總線擴展組件之間距巨離zui大300m,節(jié)點總線zui大長度為700m;控制處理機通過現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線組件連接,現(xiàn)場總線采用雙絞線時zui大長度可達1800m,采用光纜時可達20km;西屋公司的Ovation系統(tǒng)的OvationFDDI通訊網(wǎng)絡以FDDI網(wǎng)絡(光纖分布式數(shù)據(jù)接口)為基礎,通訊速率為l00Mbp/s,以光纖為介質(zhì),兩站之間距離可達2km,超過2km時,可選擇單模光纖,兩站之間距離可達60km,F(xiàn)DDI環(huán)形距離zui大為200km。
從以上幾家電站常用的DCS來看,高速數(shù)據(jù)總線的通訊距離均能滿足主廠房內(nèi)控制機柜物理分散的要求。因此,完成DCS電子設備間分散,例如分別建立鍋爐電子設備間和汽機電子設備間,主要受主設備布置的制約。目前已有電廠在初步設計中即采用在鍋爐和汽機側(cè)分別設置鍋爐電子設備間和汽機電子設備間的布置方式。
在汽機房設立汽機電子設備間,應充分考慮振動問題,確保滿足DCS機柜的要求。對于60MW機組,汽機部分的DCS機柜、繼電器柜、電源柜、ETS柜、TSI柜、DEH柜及MEH柜等可全部放入汽機房電子設備間。由于機柜較多,可采用普通機柜,汽機電子設備間通過裝沒空調(diào),考慮防塵等措施滿足機柜的環(huán)境要求。
目前電氣進入DCS已有許多成功業(yè)績,電氣全部進入DCS(某些專有設備,例自動勵磁控制裝置、自動同期裝置等通過接口與DCS連接)已成共識。電氣I/O點數(shù)占DCSI/O點數(shù)的20%以上,因此,電氣部分DCS機柜就地布置,會創(chuàng)造相當?shù)男б?。廠用電和發(fā)電機/變壓器組控制用DCS機柜可置于電氣配電間,電氣配電間的環(huán)境基本能滿足DCS機柜對環(huán)境(溫度、濕度、風塵及電磁環(huán)境等)的要求。配電間的環(huán)境不能滿足要求時,可通過改善配電間環(huán)境,或通過DCS采用密封機柜和加裝空調(diào)解決。另外,DCS卡件都有機柜的屏蔽,再通過良好的接地系統(tǒng)都能滿足對電磁環(huán)境的要求。實際上,電氣的一些微機控制裝置都在電氣配電間內(nèi)運行多年,且運行良好。
3、遠程I/O
目前,遠程I/O基本上分為兩類,一是DCS系統(tǒng)的遠程I/O、一是國產(chǎn)遠程智能I/O
3.1DCS一體化的遠程I/O
在石油化工等行業(yè),DCS遠程I/O的應用較為普遍,由于電站本身的特點,DCS在電力系統(tǒng)的應用到發(fā)展的過程中,幾乎都采用集中電子設備間的形式。近年來隨著DCS在電站應用的普及,應電站用戶的要求,各DCS廠商都不同程度的在遠程I/O方面作了不少工作,但目前在國內(nèi)的應用業(yè)績很少,下面是幾家DCS產(chǎn)品遠程I/O的特點和應用情況:西門子公司的TXP系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線pmfibus連接處理器AP和遠程站ET200,ET200有IP20、IP54、IP65等不同防護等級的產(chǎn)品,有專門的,手冊介紹,在一些電廠的循環(huán)水泵房等有應用;MCS公司的MAXl000+PLUS的遠程L/O卡件與MAXl000+PLUS系統(tǒng)中相同并行總線I/O卡件*一樣,I/O卡件運行環(huán)境溫度為0—60℃,遠程I/O箱大小可選,防護等級IP65,通過總線擴展模件利用光纖連接遠程I/O和電子設備間的DPU,距離可達1000米,在產(chǎn)品樣本中有專門的章節(jié)介紹,在國外有成功應用,但在國內(nèi)尚無業(yè)績;西屋的OVATION系統(tǒng)的遠程I/O柜與其標準機柜巨尺寸相同,工作溫度為0—60℃,國內(nèi)無應用業(yè)績;ABB—BEILY的symphony系統(tǒng),遠程I/O與主機柜之間距離為1300m,環(huán)境溫度要求為0—70℃,在國內(nèi)也無應用業(yè)績。
由以上情況可看出,的DCS廠家都有遠程I/O產(chǎn)品,國內(nèi)應用業(yè)績較少,但技術上是成熟的,并且遠程I/O的通訊總線可采用冗余通訊總線,可靠性得到了保證。因此可以說,遠程I/O的應用總是僅僅是DCS廠家提供的柜體的防護等級和遠程站規(guī)劃大小的可選擇性問題,以及休用遠程站機柜相對于普通機柜增加的價格因素。
3.2國產(chǎn)遠程智能I/O
近年,國內(nèi)儀表生產(chǎn)商成功開發(fā)出自己的分布式測控網(wǎng)絡,比較有代表性的有南京總參工程兵工程學院微機測控技術研究所開發(fā)的893—數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡,錫山市陽山儀器{義表廠生產(chǎn)的IDAS智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。兩者在結(jié)構(gòu)上有相似之處,采用智能數(shù)據(jù)采集前端,素稱黑匣子,就近布置于生產(chǎn)設備附近,采集過程參數(shù)并進行工程變換、越限報警等數(shù)據(jù)處理,通過串行總線和置于主機內(nèi)的網(wǎng)絡適配器與主機進行數(shù)據(jù)通訊。一個采集網(wǎng)絡可掛50塊黑匣子,一塊黑匣子一般具有20個左右的通道,智能數(shù)據(jù)采集前端采用密封結(jié)構(gòu),可防塵防潮,環(huán)境溫度要求為—20℃—60℃,真正實現(xiàn)了分布式測量,近十年來,已大量應用于火電廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在小機組生產(chǎn)過程監(jiān)控方面應用非常廣泛。
在某些大中型火電機組采用DCS監(jiān)控的同時,為減小DCS規(guī)模,降低DCS造價,對一部分數(shù)據(jù)的監(jiān)視也采用國產(chǎn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡,通常稱之為小DAS,其缺點是它的主機一般采用工控機,其監(jiān)視器與DCS的操作員站不夠協(xié)調(diào),另外,又增加了一個監(jiān)視點。為此在一些電廠的設計中,取消了小DAS的監(jiān)視器,利用其數(shù)據(jù)采集與處理功能,采集過程參數(shù),通過一定的通訊方式把采集到的參數(shù)傳給DCS進行監(jiān)視,相對DCS而言,稱之為遠程智能I/O。
遠程智能I/O與DCS之間的通訊基本上有四種方式,—是利用已開發(fā)的DCS和遠程智能I/0的現(xiàn)成接口連接,目前只有少數(shù)可利用的產(chǎn)品;二是通過DCS局域,網(wǎng)的PC機接口,增加PC機,該PC機既作為遠程智能I/0的主機,也作為DCS的一個工作站:三是,當DCS系統(tǒng)的操作管理站采用PC總線計算機時(目前DCS的操作管理站多采用PC總線計算機),直接將智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的網(wǎng)絡適配器插kDCS的操作管理站,此時操作管理站亦作為智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的主機;四是通過串行口的方式,也是以往工程斗應用zui多的一種方式,通過智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的串行口適配器或其主機的RS232C、RS422/485串口與DCS控制站的串口相連接,這種連接方式受串行口速率的限制,但對于輔助測點參數(shù)采集的小系統(tǒng)來說足以滿足要求。這四種方式中第—種方式,但可供應用的產(chǎn)品太少,后三種方式都需要DCS和智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡廠家配合開發(fā)一些小程序,業(yè)主和設計院在這方面部應協(xié)調(diào)好其中的關系。
這種DCS+國產(chǎn)智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡的方式能節(jié)省一部分投資,在物理分散方面起一定的作用,對主輔設備金屬溫度群的輔助測點監(jiān)測采用國產(chǎn):智能數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡與DCS通訊的方式也得到了電力規(guī)劃總院的推薦。
3.3遠程I/0的選用
在控制系統(tǒng)的配置中到底采用DCS一體化的遠程I/O,還是采用國產(chǎn)化的遠程智能I/0,應根據(jù)所選用的DCS、工程中熱控系統(tǒng)的投資以及應用場合而定。對泵和風機、循環(huán)水泵房、燃油泵房的參數(shù)采集和控制,由于L/O點較為集中、數(shù)量較多、同時有輸入和輸出、且遠程I/0布置的環(huán)境都較好,因此采用DCS一體化的遠程I/0。鍋爐和汽機的金屬溫度,發(fā)電機的線圈、鐵心、氫氣和冷卻水溫度,輔機軸承溫度等輔助測點的監(jiān)視可采用國產(chǎn)遠程智能,I/O。
按以往的工程經(jīng)驗,DCS一體化的遠程I/O的工程造價是國產(chǎn)遠程智能I/O造價的兩倍以上,當選用的DCS合適,并且工程I&C投資允許的情況下,也可選用DCS一體化的遠程I/0,這樣設備選型統(tǒng)一、便于施工管理,設備間的工作也更協(xié)調(diào),通訊也更可靠。若選用DCS一體化的遠程:I/O,在測點和控制點較為集中的區(qū)域,除MFF、汽機跳閘等保護回路相關的測點采用硬接線的方式外,應積極采用遠程I/O。
4、結(jié)論
作為工程設計項目,產(chǎn)品的選用應是有成熟應用經(jīng)驗的產(chǎn)品,因此、在熱工自動化系統(tǒng)設計中,F(xiàn)CS不能作為主要控制系統(tǒng)選型;在鍋爐房與汽機房就近分設鍋爐電子設備間和汽機電子設備間是實現(xiàn)DCS地理分散的穩(wěn)妥方式;電氣設備間內(nèi),除進入保護的主要輔機I/O點外,采用DCS機柜和遠程:L/0柜就地布置;循環(huán)水泵房、燃油泵房的監(jiān)測控制采用DCS遠程I/0柜;主設備金屬溫度、輔機軸溫等僅為監(jiān)視的項目采用國產(chǎn)遠程I/O,或者測點較為集中的區(qū)域采用DCS一體化的遠程I/O。