中小型DCS在电厂中的应用

分布式控制系统又称集散控制系统（Total distributed control systems，简称DCS或TDCS），它是基于计算机技术，控制技术，通讯技术，图形显示技术，通过某种通讯网络将分布在工业现场附近的现场控制站、检测站、操作管理站、控制管理站及工程师站连接起来完成分散控制集中操作管理的综合控制系统。DCS利用了局域网络技术将计算机处理功能分散到多个计算机上，扩展了其功能，而且较好的解决了冗余备份技术，并且信号线可以较分散地安装在不同的I/O控制站上。DCS的突出优点包括：高度的可靠性、强大且易扩充的功能；漂亮的图形界面、良好的人机界面；维修、维护方便；诱人的性能价格比、方便的组态软件。使得每个应用系统不用再编程，丰富的控制算法几乎可以使用户方便地实现任何复杂的控制应用，开放的连网能力，可以方便地与各层管理网络有机地连在一起，形成一个综合的管理控制一体化网络系统。DCS由于其显著的优点，经过二十多年的发展和完善，经久不衰，并随着其软、硬件价格的下降逐渐向中小型控制系统发展。本文以四平热电有限公司利用一台HS2000系统的机组为例，简述DCS系统在中小机组中实现热工自动控制的应用。

一、概述

　　四平热电公司二号炉是武汉锅炉厂生产的410吨炉，三号机是哈尔滨汽轮机厂生产的100MW机组，锅炉部分采用直吹式风扇磨制粉燃烧系统的燃煤炉，机组是中间抽汽供热的热电机组。其热工自动控制系统是采用北京和利时自动化工程公司的HS2000系统，该系统分为数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）三个部分，以保证机组在正常运行和启、停等各种工况下能够安全、经济、稳定地运行。

二、系统结构

　　HS2000系统硬件及网络结构如图所示。它包括一台工程师站（1#）、四台操作员站（2#、3#、4#、5#）和五台现场控制站（10#、11#、12#、13#、14#）组成，各个站点由高速系统网络SNET连为一体。为提高系统的可靠性，系统网络采用冗余令牌总线双网结构。同时系统I/O站内部采用CAN（Control Area Network）作为通信网络，非常适合于工业现场的数据传输。
　　工程师站为一台80586微机，配有HS2000离线组态软件和HS2000在线运行软件以及一些实用的工具软件。通过工程师站的组态平台，可生成现场监测、实时控制和系统管理所需要的数据、图形报表，通过系统网络把数据下装到操作员站和现场控制站，它同时具有操作员站的全部功能。
　　操作员站是系统应用的人机界面，它提供一个操作平台供运行操作人员对应用系统进行使用操作，让系统充分发挥和完成各既定的功能。系统的四个操作员站中2#、3#站为锅炉操作员站，4#、5#站为汽机操作员站，各站配置都一样，均为80586微机，主频为200M，内存为16M，硬盘为3.1G，并配有一个标准键盘和一个专用操作键盘、一个轨迹球、一台20"VGA菲利普显示器、一台EPSON LQ--1600K打印机以及鼠标、电子盘、网卡等。内装中文Windows3.2、DOS6.22操作系统，并内置HS2000系统专用实时控制软件。操作员站完成数据库管理与通讯；系统运行状态显示；各种工况图和实时参数的显示与会话；报警显示与确认；控制系统参数设定和整定及控制系统状态图切换和操作；报表、报警、事故顺序和事故追忆打印；屏幕图形拷贝；参数在线修改和下装；系统时钟校对和校正；历史趋势显示和历史数据查询以及报警列表与回顾等功能。


图 HS2000系统配置方框图

　　现场控制站是以组件插件箱、总线底板为固定结构，在底板上插入电源模板、CPU主控制器模板和各种I/O功能板组成。CPU模板集成了半导体卡和一个双冗余SNET系统网络控制器模板：各I/O模板上配有相应的信号调整模板，以系统内部连线接到机柜背面端子板，现场总线CAN把有关模板连于一体，构成一个完整的系统。现场控制站采用双冗余现场电源、双冗余电源系统和双冗余网络结构，从而提高了系统的可靠性。HS2000专用实时控制软件固化在CPU内，现场控制站根据工程师站下装的数据和控制算法自动完成信号的采集和转换，功能块、梯形图和计算公式的运算，以及控制输出等功能。

三、系统主要功能

　　系统主要功能分三个部分：
　　
　　1．DAS部分的功能
　　DAS将整个机组各种实时模拟量参数（包括压力、温度、流量、液位、电气量），开关量（包括开关、阀门位置），以及设备运行方式（启、停、联锁等）进行周期性扫描或中断请求采集。过程变量可以是采样输入的一次参数、二次参数或派生参数以及设备运行状态。过程变量的处理包括对模拟量的数字滤波、正确性判断、非线性校正、工程量转换等，以及对开关量的状态、运作确认、运作时间记录和相应变态处理。DAS部分连接了447个模拟量输入、144个开关量输入、30个中断型开关量（SOE）输入，其信号的采集、转换和处理分配在10#站--14#站之间，DAS部分的功能除现场实时信号的采集、转换和处理外，还具有参数越限和事件报警及打印、报表打印、事故顺序记录和事故追忆打印、人工数据录入、二次参数计算、历史数据保存和查询以及丰富多样的显示画面供监视。此外，DAS还具有操作指导，报警分析和故障定位以及异机通讯等功能。

　　2．模拟量控制部分的功能
　　模拟量控制部分的功能分配在10#、11#、12#站，其中10#站设有锅炉给水、主汽压力、送风、引风4套控制系统，11#站设有过热器温度、再热器温度4套控制系统，12#站设有高压加热器液位、低压加热器液位、轴封压力7套控制系统。
　　下面以给水（汽泡水位）控制系统为例来简述一下HS2000系统的控制功能。
　　该系统的主要控制测点有：
　　汽包水位（左、右）AI：
　　该信号为汽包平衡管水位和汽包压力一起构成汽包水位的计算值。
　　汽包压力AI：
　　用于计算机汽包水位实际值。
　　汽包水位设定值OP：在自动调节时作为汽包水位的目标控制指令。
　　给水流量AI：
　　给水流量直接反馈信号。
　　给水温度AI：
　　用以对给水流量反馈信号的校正。
　　主汽流量（左、右）AI：
　　该信号为主汽管到实际测量的实际值，与主汽压力、主汽温度一起构成主汽流量的计算值。
　　主汽温度AI：
　　用于计算主汽流量的实际值。
　　主汽压力AI：
　　用于计算主汽流量的实际值。
　　低负荷给水调节阀控制指令AO：
　　对低负荷给水调节阀的控制驱动指令。
　　给水泵勺管控制指令AO：对给水泵勺管的控制驱动指令。
　　给水泵状态监视DI：
　　对给水泵跳闸与否的监视信号，形成系统保护逻辑和运行状态的改变。
　　硬手操状态指令DI：
　　对外回路硬手操是否投入自动的监视信号，使控制回路和硬手操协调工作。
　　首先，根据经验公式：利用HS2000系统中的计算公式模块进行主汽流量、给水流量、汽包水位的补偿计算，用来消除现场环境、测量方法和测量工具带来的误差。
　　其次，按照给水控制方框图，利用HS2000系统提供的组态语言--功能块图进行编辑和编译。先把计算公式计算出的汽泡水位信号引入主PID，然后，该信号与给定值（主PID内给定）做一个偏差报警处理（是算法块PID的一个属性），报警信号送给一个中间量点；再把主汽流量信号作为前馈，把给水流量信号作为反馈加入副调节器，把主调节器的输出作为副调节器的串级输入；最后，把副调节器的输出送给软手操器，软手操器输出（经过函数变化）作为DCS的输出与外回路的硬手操器相联系。软手操器的输出与阀位做一个偏差报警送与一个中间量点，作为给水自动逻辑控制的一部分。使当前状态为手动状态，需要跟踪时，副调节器和软手操器跟踪阀位反馈，主调节器跟踪主汽流量与给水流量的加权减法。
　　第三，根据实际的逻辑关系，利用HS2000系统的梯形图语言编辑各个逻辑量点间的逻辑关系，把结果赋给有关的开关，完成对整个控制过程的监视、操作和控制。负荷大于30%且硬手操未手动时三冲量投入；硬手操手动、软手操手动或负荷小于30%，三冲量PID跟踪；硬手操手动软手操切手动；汽包水位信号品质坏，汽包压力信号品质坏，水位设定值偏大，阀位反馈值偏大，给水流量信号品质坏，给水温度信号品质坏，满足其中任何一个条件，软手操切手动，硬手操切手动。
　　第四，把上述过程中用到的中间数值量点和逻辑量点在本站的数据库中进行编辑。
　　最后分别进行编译，编译成功后，利用HS2000系统的系统管理进行数据的下装工作。这样就完成了锅炉给水控制的离线组态工作。
　　HS2000系统的在线调节功能可以通过在流程图中开辟调节仪表画面来实现。操作员只需在流程图中预先设置的热点上点一下，系统会自动弹出相应的调节仪表画面。给水控制要用到的画面有PID调节器、软手操器。

　　3．电动门控制功能
　　HS2000系统可以方便的进行电动门的操作。HS2000系统提供的梯形图语言可以方便的实现电动门的控制逻辑关系，并可方便的在软件上实现电动门的超时保护，开关的互锁以及电动门的各种报警状态。电动门的在线操作画面非常清楚，开关状态明了，操作起来非常方便。
　　HS2000系统的电动门控制逻辑简单，梯形图实现起来方便，这里就不详细述说了。

四、结束语

　　利用HS2000系统生成的中小型DCS系统人机界面友好，功能灵活，操作简单，测量数据准确，安装方便。能实时检测各运行参数，使操作人员直观、方便地掌握本体设备的运行状态，指导运行人员合理操作、管理和调度机组设备，既可发挥人的主观能动性，又能对现有工况进行客观具体的分析和研究；系统可以在线组态并进行下装，现场控制站的I/O插件可以带电拔插，有冗余的插件还能够自动进行无扰切换，这为检修和维护带来了极大的方便；采用的冗余总线双网结构及串型的现场CAN总线结构又大大地提高了系统的安全性和可靠性，这也便于系统的开放和扩展。系统的性能价格比高，便于扩充，便于改造，对于我国的中小型电厂的自动化建设具有一定的推广价值。


产品配置:
分布式控制系统DCS