火电厂分散控制系统相关研究探讨

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火电厂分散控制系统相关研究探讨
1 引言
　　随着电力企业自动化控制水平的逐渐提高以及现代化工业过程控制规模不断扩大，复杂程度不断增加，工艺过程不断强化，分散控制系统DCS 在电厂以及工业企业得到了广泛的应用。DCS 的使用大大提高了机组运行的安全稳定性，改变了生产过程中传统的操作方式和管理现状，取得了显著的经济效益和社会效益。

　　2 分散控制系统概述
　　2.1 分散控制系统的概念
　　分散控制系统（Distributed Control System, 简称DCS）是以微处理器为核心，采用数据通信技术和CRT 显示技术，对生产过程进行集中操作管理和分散控制的系统，也称为集散控制系统（Total Distributed Control System,简称TDCS 或TDC），或称分布式计算机控制系统（Distributed Computer Control System,简称DCCS）。
　　DCS 是70 年代中期发展起来的新型控制系统，是4C 技术（计算机—Computer、控制—Control、通信—Communication、阴极射线管—CRT 显示）相结合的产物。随着技术的发展，它又融合了信息（Correspondence）管理技术，目前的DCS 是完成过程控制和信息管理的现代化的装置（即5C 技术）。集散控制系统就是以大型工业生产过程及其相互关系日益复杂的控制对象为前提，从生产过程综合自动化的角度出发，按照系统工程中分解与协调的原则研制开发出来的，以微处理机为核合，结合了控制技术、通信技术和RT 显示技术的新型控制系统。此系统已广泛应用于各个行业的过程控制中，特别是在火力发电厂得到了广泛应用。
　　2.2 分散控制系统的发展历程
　　自 1975 年问世以来，DCS有4次比较大的变革。20 世纪70 年代操作站的硬件、操作系统、监视软件都是专用的，由各DCS 厂家自己开发，也没有动态流程图，通信网络基本上都是轮询方式；80 年代通信网络较多使用令牌方式；90 年代操作站出现了通用系统，90年代末通信网络有部分遵守TCP/IP 协议，有的开始采用以太网；第4 代DCS 系统的发展主要体现在功能更加集成化，包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，真正实现了混合控制，并进一步分散化。Honeywell 公司最新推出的Experion PKS（过程知识系统），Emerson 公司的PlantWeb（EmersonPro-cess Management），Foxboro 公司的A2，横河公司的R3（PRM－工厂资源管理系统），ABB 公司的IndustrialIT 系统为标志的。第四代DCS 已经形成。新一代DCS 的最主要标志是两个“I”开头的单词：Information（信息）和Integration（集成）。
　　2.3 分散控制系统的体系结构
　　从系统的功能角度上看，分散控制系统是一个多功能分级控制系统的结构体系。分散控制系统按功能可以划分为直接控制、过程管理、生产管理和经营管理等四个层次级别。
　　各级采用不同类型、不同功能的计算机，构成具有一定相对独立性的子系统，承担指定的任务，各系统之间使用高速数据通信线路向上连接，相互传递信息，协调工作。
　　直接控制级，也称为过程控制级，是DCS 的基础，对生产过程实现数据采集、过程控制、设备监测、系统测试和诊、报警及冗余切换等任务。过程管理级，也称为监督管理级，它综合监视过程各站的所有信息，除完成各生产过程的优化控制计算和最佳设定值的设定外，还负责各直接控制级工作的协调管理，以及与上位生产管理级计算机的联系。生产管理级这一层，管理计算机负责全厂的生产协调，指挥和控制生产的全局。经营管理级居于中央计算机上，对全厂进行总体协调和管理，负责企业的经营方法和策略，实现整个生产系统的最优化。
　　2.4 分散控制系统的技术特点
　　① 控制分散，管理集中
　　分散控制系统的含义着重体现在“分散”上，而“分散”的含义有两个方面：一是强调各种被控的生产设备的地理位置是分散的，系统相应的控制设备也在地理位置上分散；二是指控制系统所具有的功能是分散的，即计算机控制系统的数据采集、过程控制、运行显示、监控操作等按功能进行分散，这就意味着整个系统的危险性分散。利用系统的通信网络、存贮设备和软件系统等，可实现整个系统的监视和操作集中，实现操作管理集中。有利于全面了解和有效操纵生产过程和系统运行。
　　② 人机界面友好，操作使用简单
　　分散控制系统采用屏幕（如普通的 CRT、触摸显示器、墙挂式大屏幕）彩色画面显示和便捷的操作工具（如键盘、鼠标、触屏），使人机联系得到根本的改善。操作方便，显示直观，提供了装置运行下的可监视性。DCS 提供组态软件包括系统组态、过程控制组态、画面组态、报表组态等，极大地方便了用户设计新的控制系统，进行系统灵活扩充等。
　　③ 灵活性好、适应性强，可扩充性好
　　硬件和软件采用开放式、标准化和模块化设计，系统为积木式结构，改变生产工艺或流程时，只需改变系统的某些配置和控制方案，而不影响系统其他软硬件功能的发挥。通过组态软件，进行一些填写表格式操作即可方便将所选择的硬件与相应的软件模块联系起来，系统构成所需功能的控制系统。
　　④ 实时性好，协调性强
　　通过人机接口和I/O 接口，DCS 对被控对象进行实时数据采集、处理、记录、监视和操作控制。并可实现对系统结构和组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等。各工作站间通过通信网络传递各种信息并协调工作，完成控制系统的总体功能和优化处理。采用实时、安全、可靠的工业控制局部网络和标准通信网络协议，实现整个系统信息共享。
　　⑤控制功能齐全，可靠性高
　　分散控制系统充分利用和发挥了计算机的优势，可以实现满足生产过程需要的各种控制功能。高可靠性、高效率和高可用性是DCS 的生命力所在，DCS 中采用的可靠性保证技术主要包括：容错设计，冗余设计、软件恢复、电磁兼容技术、结构、组装工艺的可靠性设计，在线快速排除故障设计等。

　　3 分散控制系统的不足与发展方向

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3.1 DCS 的不足
　　作为一项比较成熟的工程技术，DCS 在火电厂应用取得了巨大的成功，但随着时代的进步，各种新技术的推陈出新，人们对DCS 的要求也日益苛刻，所以DCS 相对今天生产发展呈现出一些不足，具体有：
　　①信息化程度不高，高级控制方案水平不够：系统接线工作特别繁重，因为每个现场设备都需要用线缆接至控制室，因而为以后的查线、维护带来许多不便。
　　②接口的数字化程度不高：由于采用的是标准的模拟4—20mA 信号，不是数字信号进行数据传输，因此在信号可靠性、抗干扰性等方面有所欠缺；③ 适应性和互操作性不高：各种不同的DCS 在互联时存在问题，也就是在同一工程中选用不同的DCS 联接时，在互相通讯上往往有一些麻烦，这就给系统集成带来困难。
　　新技术在不断发展，一些技术在一部分自动化功能上也开始挑战DCS的地位。先前介绍的DCS 模型把DCS 的经营管理、生产调度、监督控制与过程控制强行分开。但是，在现实的工厂自动化实施过程中，很难把各种功能严格分开。特别是第四代DCS 已经实现了大部分功能。目前看来，许多电厂应该开始考虑用现场总线了，用了现场总线，在效率上能有一个很大的提高。另外，有专家预测，DCS 和SIS（Supervi-sory information system in plant level—厂级监控信息系统）将来会结合在一起，也就是把管理和控制结合在一起。与此同时，专家系统需要不断地完善，更加个性化的设计在不断增多：例如锅炉的寿命计算、汽轮机的寿命计算、煤耗计算等都需要专业的软件包。这一切印证了DCS 在自动化技术的不断发展过程中，在和其他技术不断的融合，也将在某些功能上在逐步被取代。
　　3.2 分散控制系统的发展趋势
　　具体来讲，大型机组要求系统的反应速度比过去快了；保护方面的要求也更高了，特别是有了现场总线之后，对故障的自诊断要求也越来越高;控制的周期比过去更短；点数比过去多了。因此与信息化的结合、全面数字化、柔性结构和广泛适应性，DCS 在这些关键控制技术方面的突破也正是电厂自动化下一步的发展方向。
　　同时，工业控制领域中各种新技术不断涌现，新的控制方案和思想对传统的DCS控制发起了有力挑战，如现场总线技术（FCS）、通信网络、无线连接技术等等。但从另一个方面看，这些技术又为DCS 的发展提供了更多的机遇，所以DCS 要紧跟时代步伐，不断采用最新技术和思想来完善自己，实现管控一体化。
　　DCS 发展至今，所有的第4 代DCS 都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，第4 代DCS 还改变了原来机柜架式安装I/O 模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I/O 模块（导轨安装）或小型化的I/O 组件（可以现场安装）。分布式控制的一个重要特点是逻辑分割，工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上，根据需要对单个控制单元进行模块化功能修改、下装和调试。各个控制单元分布安装在被控设备附近，既节省电缆又可以提高设备的控制速度。有些DCS 还包括分布式HM I 就地操作站，人和机器有机地融合在一起，共同完成一个智能化电厂的各种操作。

　　4 结论
　　现场总线技术的发展和电气设备自动化程度的提高，为DCS 的进一步提高和发展提供了技术上的保证。随着我国电力体制改革的深入，面对电厂走向市场的严峻形势，火电厂的低成本运营和精细化管理的要求越来越迫切，DCS 企业的任务是提高电气系统的整体控制水平和管理水平。在未来相当长的一段时期内，新一代DCS 必将为实现大型火电厂高智能化控制和高效率化管理提供强有力的支撑，为自动化水平日益提高的发电运营带来可观的经济效益和社会效益。

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tj1969

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天高云淡970630

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