DCS在电厂锅炉中的应用

[摘 要]集散控制系统（Distributed Control System，DCS），是以多个微处理机为基础，综合了计算机、通信、显示和控制4C技术的新型控制系统。DCS的设计原则是分散控制、集中操作、分级管理、分而自治和综合协调。DCS的特点是控制分散、信息集中；系统模块化；数据通信能力较强；人机接口友好而丰富；可靠性高。本文主要以长海发电厂670t/h锅炉为例，详细介绍DCS在该锅炉中的应用。我厂的DCS厂商为北京国电智深，本论文主要通过数据采集系统（DAS）采集模拟量和开关量，模拟量控制系统（MCS）控制水温、汽温、汽压等参数，顺序控制系统（SCS）控制辅机及其设备的启停和联锁控制，主燃料跳闸（MFT）完成锅炉保护功能。达到有效监测和控制发电厂锅炉运行的目的。本论文详细介绍了北京国电智深控制系统的基本功能和主要技术，在硬件选型和软件组态、系统网络方面都作了一定的说明。在论文后面将例举几个锅炉控制实例，进一步加以描述。

[关键词]DCS；发电厂；北京国电智深；组态

中图分类号：TG336 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）17-0182-01

一、EPDF-NT+系统硬件组成结构

1.1 概述

EPDF-NT+系统是北京国电智深控制技术有限公司完全自主设计的，基于最新计算机嵌入系统技术和现场总线技术开发的的分布式控制系统。每个I/O模块具有独立的现场总线通讯节点，具有先进、可靠和易用多个特点。

EPDF-NT +控制系统硬件体系结构由控制系统由操作员站、工程师站、历史站、输出设备、分布式处理单元（DPU）及IO模块、电源、机柜等组成。通过高速网络构成的局域网将这些设备连接，实现数据在设备中的传递、交换和共享。

其中操作员站、工程师站、历史站可由一台或多台计算机组成，并可根据需要在局域网上连接一台或多台输出设备。

1.2 分布式处理单元（DPU）

分布式处理单元（DPU）是系统的最基本控制单元。其中主控制器采用嵌入式无风扇设计的低功耗高性能计算机，内置实时多任务软件操作系统和嵌入式组态控制软件，将网络通讯、数据处理、连续控制、离散控制、顺序控制和批量处理等有机地结合起来，形成稳定、可靠的控制系统。软件系统实现数据的快速扫描，用于实现各种实时任务，包括任务调度、I/O管理、算法运算。软件同时拥有开放的结构，可以方便的与其它控制软件实现连接和数据交换。

分布式处理单元（DPU）通过高速工业现场总线，可直接同时连接最多32个I/O模块，通过扩展最多可连接64个I/O模块。分布式处理单元（DPU）可对自身连接的I/O模块信号进行组态控制，所以每一分布式处理单元（DPU）就是一个小型控制系统。实现真正的分布式控制。

1.3 IO模块

I/O模块通过模块底座与现场信号线缆连接，用于完成现场数据的采集、处理和现场设备驱动。每个I/O模块通过高速现场总线与分布式处理单元（DPU）进行通讯连接，实现现场分布式控制。

1.4 电源单元

EPDF-NT+系统电源单元是提供分布式处理单元（DPU）、IO模块的工作电源，并可为外部变送器设备和开关设备提供工作或检测电源。电源单元采用AC/DC开关电源技术，输入220V AC交流，输出24V DC及48V DC直流。系统电源模块既可以独立使用，也可以冗余配置。

1.5 过程控制柜

过程控制柜由分布式处理单元（DPU）、IO模块、电源、机柜组成。

过程控制柜采用双冗余设计，采用双冗余分布式处理单元（DPU）和双冗余电源。内部具有硬件构成的冗余切换电路和故障自检电路，可实现自动或手动冗余设备切换。

所有的分布式处理单元（DPU）、IO模块都支持带电拔插功能。允许用户在系统运行时进行模块的更换，方便系统的维护。

1.6 通讯网络

系统网络是连接工程师站/操作员站和现场控制站等节点的实时通讯网络，用于工程师站/操作站和主控单元之间的双向数据传输。采用工业以太网冗余配置，可快速构建星型或环型拓扑结构的高速冗余的安全网络，符合IEEE802.3及IEEE802.3u标准，基于TCP/IP与实时工业以太网协议，通讯速率10/100Mbps自适应，传输介质为带有RJ45连接器的5类非屏蔽双绞线或单模或多模光纤。

控制网（CNET）是现场控制站的内部网络，实现控制机柜内的各个I/O 模块和主控单元之间的互连和信息传送，通讯速率1.5Mbps，传输介质为屏蔽双绞线或光纤。系统网络和控制网络分别完成相对独立的数据采集和设备控制等功能，有效的隔离工业自动化系统和IT系统。

二、控制组态工具EDPF-NT Plus系统

控制组态工具是EDPF-NT Plus系统工程师站进行控制逻辑及IO卡件组态的工具。其特点为：

1、利用Microsoft Visio图形设计软件的全图形绘图界面，直接绘制SAMA图；

2、为用户提供了功能完善的算法库，可实现各种控制逻辑；

3、专用的编译工具可将SAMA图编译转换为控制站使用的目标文件。

4、专用的转换工具可将SAMA图转换MMI站使用的过程画面，用于实时监视与调试。

2.1 Microsoft Visio工作界面

Microsoft Visio 是微软公司生产的一个图形设计软件，专门用于绘制如数据库设计图、流程示意图、系统结构图的图形设计软件。该软件如同其OFFICE系列软件一样，有着强大而繁多的功能，在程序和工程设计中被广泛的应用。

2.2 SAMA图组态流程

SAMA图可分为逻辑图和卡件图，逻辑图由控制算法组成，而卡件图由卡件算法组成。二者的组态流程稍有不同。

在上面的流程图中，编辑产生的图形文件称为SAMA图，文件扩展名为VSD。

SAMA图经过配置、编译（入库）后产生的文件为目标文件，扩展名为SAMA，为二进制数据文件，需下载到DPU站。

SAMA图经过转换后产生的文件为过程画面文件，扩展名为GOC，需下载到MMI站。

在配置、编译SAMA图的过程中，根据算法之间的连接关系，编译工具还会在工程的系统数据库中创建自动中间点。

三、EDPF-NT Plus系统在发电厂的应用

锅炉控制的目标是保证蒸汽品质，维持安全燃烧，主要分为汽水控制和燃烧控制两大块。汽水控制的主要任务是控制汽包水位在正常范围内，蒸汽温度稳定在设定值上，由汽包水位控制系统和蒸汽温度控制系统等来完成。燃烧控制系统的主要任务是在保证安全燃烧的基础上控制蒸汽压力稳定在设定值上并获得最佳燃烧效率、最低排污量，减少污染节约能源，该系统由蒸汽压力控制、炉膛负压控制、料层差压控制，燃烧控制等构成。

3.1 汽包水位自动调节系统

锅炉给水一般采用母管制，经给水门一次分成两路，一路直接经省煤器预热后进入汽包，另一路进减温器调节主汽温度热交换后进入汽包。主蒸汽从汽包出来后经高温过热器、减温器、低温过热器换热后成为成品蒸汽去用汽单位。汽包水位控制是保证锅炉正常运行和蒸汽品质的重要措施之。水位过低，容易使水全部汽化而烧坏锅炉甚至爆炸，水位过高则影响汽水分离效果使蒸汽带水降低蒸汽品质。影响汽包水位的因素很多，主要有燃料燃烧加热汽包水汽化、给水流量、蒸汽负荷流量等。特别是负荷突然增大时极易产生“虚假水位”现象，测量出错误水位造成干锅损坏锅炉，因此汽包水位一般采用传统的三冲量控制系统，能达到一定的控制效果。经过不断摸索，集众家控制之所长，我们成功地采用了以三冲量为基础的串级控制系统，并参考人工控制大量的经验数据，根据负荷大小、水位偏差大小及方向在流程图上实时修改PID参数――变PID三冲量控制系统。实践证明能达到比较理想的控制效果。另外，由程序实施在异常情况下，水位偏差太大时给水流量随动蒸汽负荷流量控制，水位正常后恢复正常控制。

3.2 主汽温度调节系统

蒸汽温度是蒸汽质量重要参数之一，温度偏差太大直接影响用汽单位要求。主蒸汽温度影响因素多，滞后大，非线强，采用主蒸汽温度加减温水流量构成串级控制，用炉膛出口烟作前馈以克服大滞后的影响，主汽温度调节系统一般以减温水调节为主，辅以尾部烟道档板调节或喷燃器角度调节系统。由于汽温调节对象是一个多容环节，它的纯迟延时间和时间常数都比较大，在热工自动调节系统中属于可控性最差的一个调节系统，

一般由主、副两个调节器彼此串接的双回路调节系统。主调节器输入信号为主蒸汽温度，主蒸汽流量与设定值运算后的信号作为PID的设定值；其PID输出又与汽包压力和风量的运算结果再进一次运算，作为副调节器的给定值，副调节器同时接受副参数信号（减温水后汽温）和给定值并控制调节机构。副调节器的工作是随动调节，主调节器的工作是定值调节。

4 结束语

DCS系统在火电厂发电机组控制中的应用已有10多年的历史了，而且正在越来越多地得到应用。DCS系统是相对于计算机集中控制系统而言的计算机（或微机）控制系统，它是在对计算机局域网的研究基础上发展起来的，是过程控制专家们借用计算机局域网研究成果，把局域网变成一个实时性，可靠性要求很高的网络型控制系统，运用于过程控制领域。

参考文献

[1] 《UE003-控制组态工具使用手册2.0》.版本：1.0 编号：UE003（北京国电智深控制技术有限公司）.2007年11月.

[2] 《UG005- NT100 IO硬件用户手册V2.7》.版本：1.0 编号：UG005 （北京国电智深控制技术有限公司）.2006年4月.