基于以太网的电厂DCS控制系统研究

【摘要】本论文从电厂DCS控制系统的概述出发，系统阐述了常用电气系统控技术比较，接着研究了基于以太网的电厂DCS控制系统。

【关键词】太网，DCS，控制系统

中图分类号：F407文献标识码： A

一、前言

随着电厂生产水平的不断提高，人们对电厂DCS控制系统的要求也越来越高。因此，我们要加强先进设计理论与先进技术的学习与应用，不断进行基于以太网的电厂DCS控制系统的探讨，使电厂DCS控制系统的更加适用、安全、可靠与经济。

二、电厂DCS控制系统的概述

电厂辅助系统主要有水网、煤网、灰网、脱硫、脱销系统等，对于300MW及以上的机组来说，辅助系统大都已采用计算机控制，随着网络技术、计算机技术及DCS控制技术的日益成熟，这就为这些辅助系统实现自动化控制打下了坚实的基础，并且加速了辅控系统纳入全厂管控一体化的进程。

过去电厂辅控常采用传统PLC实现独立且分散的控制，这种控制模式由于使用较多的运行人员，加上各系统间联系不方便，备品备件种类多，难于管理及设备投资大等缺点已经基本不被采用。辅助网络控制采用新一代DCS系统后克服了原有独立且分散的控制系统的缺点，可最大可能的将运行人员减到最少。使控制系统在基本不提高造价的情况下，使辅助网络控制系统的水平达到与主机DCS控制系统相当的水平，为实现全厂管控一体化打下良好基础。本文重点介绍DCS在湖南创元电厂2×300MW火电机组水网中的应用。水网是辅网中最复杂的系统，通常包括锅炉补给水系统、凝结水精处理系统、汽水分析和化学加药系统、制氢站、综合水泵房、废水处理系统（含工业废水处理、生活污水处理、含煤废水、含油废水）等。

三、常用电气系统控技术比较

1、为采用常规的电气纳入DCS系统监控的方式

目前，大容量机组的电气系统纳入DCS监控的主要方式为：发变组保护、综合自动化装置、厂用电系统的保护及自动装置的动作情况是通过各独立的装置动作信号以及电气设备的位置状态等开关量作为输入量(即DI)送至DCS系统；模拟量(如电流、电压、有功、无功)通过电量变送器输出4～20mA标准信号送至DCS系统：DCS的控制命令作为输出量(即DO)引至电气设备，各电气设备与DCS系统的联系采用硬接线方式，即由电气设备现场用电缆将电气量信号一对一地送至DCS系统的I/O柜上。

2、高低压电动机通过现场总线接入DCS

每台电动机的智能终端模块与DCS的联系信号除起动/停止指令、运行/停止状态反馈、遥控状态、电源监视、电流共七个信号外，增加了保护动作信号、设备故障信号、设备起动次数、参数设定、累计运行时间等现场设备信息，大大丰富了DCS的监视内容。其中的设备起动次数、累计运行时间等信息采集及分析，为提高电厂管理和维护水平创造了有利条件。由于智能终端模块集成了通讯、保护、二次控制电路等多项功能，其中低压智能终端模块还集成了电流互感器，10kV、6kV智能终端模块还提供故障录波功能(上位机支持)，采用交流采样技术，通过现场总线接入DCS，节省了控制电缆，取消了电量变送器及控制用中间继电器，使电气开关柜内接线大为简化，安装及设备制造的工作量比采用常规的“硬接线”方式大大减少。目前，满足现场总线要求的智能化的中压开关柜及低压开关柜得到了广泛使用。

3、整个系统由三个功能层构成

第一层：测控保护层。由大量的保护和自动装置构成，主要由分散安装于就地开关柜的智能终端装置、发变组保护、AVR，ATS，ASS等组成，保护功能完全独立，利用现场总线技术，采用光纤或屏蔽双绞线连接至通信管理层，可以实现这些装置的分散监控。

第二层：通信管理层。该层将DCS对测控保护层的控制命令，或电气后台工作站发出的修改定值命令等，下发至各有关装置，同时，将各装置上送的信息送至DCS系统或电气后台工作站。通迅管理层具有通信接收、发送、规约转换等功能，通迅管理层与上位机系统连接采用以太网，通迅管理层一般配置前端机或通迅管理单元，提供12～16个通迅接口。

第三层：上位机系统。包括DCS系统和电气后台工作站系统。电气后台工作站系统主要负责电气系统设备的管理维护、电能计量、故障录波和保护定值修改及下达等工作，由DCS系统来完成画面显示、报表生成、打印、控制、事件记录报警等。

四、基于以太网的电厂DCS控制系统研究

1、电厂DCS系统的网络设计分析

DCS系统的网络设计是整个DCS系统设计的基础和核心，对DCS整个系统的实时性、可靠性及扩充性起着决定性的作用。

由于系统网络的实时性是衡量系统网络性能的指标，因此，DCS系统的网络设计必须满足实时性的要求，即在确定的时间限度内完成信息的传送。

系统网络的设计还必须具有良好的可靠性，保证网络通信一直处于良好的联通状态，可以通过采用双总线、环形或双重星形的网络拓扑结构来实现。

2、电厂DCS系统的功能设计研究

根据我国当前电厂DCS系统的发展状况，结合电厂的现实情况，对电厂DCS系统的功能设计主要包括数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）、数字电液调节系统（DEH）和锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）。

（一）、数据采集系统（DAS）

数据采集系统（DAS）又被称为计算机监控系统，其基本功能就是对机组整个生产过程的参数进行在线检测，经过相关的处理运算后以CRT的画面形式提供给操作员。在此系统中，可以实现自动报警、制表打印和性能指标的计算等功能，以提高操作员实际操作的准确性。

（二）、模拟量控制系统（MCS）

模拟量控制系统（MCS）是将汽轮发电机组的锅炉和汽机当作一个整体来进行控制，分为炉侧、机侧模拟量控制系统两部分。其中，炉侧MCS系统包含了几个重要调节系统，机炉协调控制系统、汽温调节系统、送、引风调节系统、启动分离器储水箱水位控制系统及蒸汽温度控制系统；而机侧MCS系统除了锅炉给水系统全程调节和除氧器水位调节是串级调节外，其它都是一些单回路调节系统，如除氧器压力、水位调节系统、凝汽器水位调节系统和闭式水箱水位调节系统。

MCS系统主要负责生产过程中水、风燃料等系统的主要过程中变量的闭环自动调节及整个单元制汽轮发电机组的负荷控制任务。

（三）、顺序控制系统（SCS）

顺序控制系统（SCS）也称程序控制，是将机组的部分操作按热力系统（或辅助机械设备）划分成若干个局部子系统，按照事先规定的顺序，通过对各设备运行状态的逻辑判断来发出操作指令，进而对机组设备的各部分实施顺序启动，以实现顺序控制的目的。其主要任务就是负责电厂厂房内主机或辅机的自动启停、参数监视及联锁保护工作。

由于SCS系统中指令的优先级是实行分层设计的，炉侧顺序控制的范围包括：送风机、引风机、炉膛吹灰系统等方面；机侧顺序控制系统的范围包括：汽机油系统、内冷水系统、胶球清洗系统等方面。

虽然SCS系统是一个内容庞杂而控制逻辑相对简单的系统，但联锁保护逻辑的设计作为其核心内容，必须结合现场设备的实际情况进行设计，其设计的合理性不仅关系到辅机本身的安全，还关系到机、炉主设备的安全。

（四）、数字电液调节系统（DEH）

数字电液调节系统（DEH）是汽轮发电机组的重要组成部分，其主要作用是调节汽轮机的转速、功率和控制汽轮机前的压力，同时还可以实现机组启停过程和故障时的控制和保护功能。

（五）、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）

锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）又称为燃烧器管理系统（BMS），该系统能在锅炉正常工作、启停等各种运行方式下，连续、密切的监视大量燃烧系统的参数和状态，通过不断地进行逻辑判断与运算，使得必要时发出动作指令，结合各种顺序控制和连锁装置的设计，使燃烧系统中的相关设备严格按照一定的逻辑顺序进行操作或处理未遂事故，以保证锅炉的安全。

五、结束语

通过对新时期下，电厂DCS控制系统的分析，进一步明确了电厂DCS控制系统的设计方向，为电厂DCS控制系统的优化完善奠定了坚实基础，有助于提高电电厂生产水平的提高。

参考文献

[1]刘景芝，孙伟.一电厂热工控制DCS系统设计[J].自动化技术与应用，2007

[2]孙星.分布式控制系统DCS研究[J].科技创新导报，2011

[3]潘菊初；新型分散控制系统DCS的研发与探索[A]；第八届工业仪表与自动化学术会议论文集[C]；2007

[4]潘菊初；分散控制系统DCS中的实时网与非实时数据网[A]；第十八届多国仪器仪表学术会议暨展览会学术论文集（应用篇）[C]；2007

作者简介：

1、石常魁 男2011年毕业于 中国矿业大学 热能与动力工程专业

2、冯伟 男2011年毕业于 青岛大学 电气工程及其自动化专业