大型燃煤机组DCS物理分散方案研究

孙园园

摘要：本文针对当今大型燃煤机组主机分散控制系统（DCS）物理分散方案进行了探讨，介绍了其优缺点，系统通讯及抗干扰条件，远程I/O系统，现场总线控制系统，。

关键词：分散控制系统（DCS）；物理分散方案

Abstract: in this paper the large coal-fired units host distributed control system (DCS) physical scattered scheme is discussed, and introduced its advantages and disadvantages, system and communication and anti-jamming conditions, remote I/O system, field bus control system,.

Keywords: distributed control system (DCS); Physical scattered plan

中图分类号：TU74文献标识码：A 文章编号：

1.前言

分散控制系统（DCS）从上世纪八十年代在国内开始作为火电厂的主要控制系统，使火电厂的控制水平得到极大提高，但大型机组的DCS电子设备基本上都是放置在庞大的集中控制楼里，只是实现了DCS系统功能分散，而DCS系统物理分散基本上没有采用。究其原因，一方面以往的DCS系统各个部件还不尽完善，抗干扰能力有限，若将DCS机柜分散放置于现场，则一般需要单独配置空调小室或者在控制机柜中加装空调，这是用户难以接受的，而且对分散程度多大、布置位置如何选取也没有经验；另一方面用户以前对把部分DCS机柜分散放置于现场的迫切性不高，担心给调试、运行维护带来困难和不便，不甚了解其优越性，国内也缺乏实际管理经验。随着DCS电子设备抗干扰等级的提高，设备更可靠，在电厂设计中DCS物理分散的方案也开始出现，尤其是300MW燃煤机组2000年示范电厂革命性的设计和由此在实际实施中已经产生的成效，使DCS系统的物理分散方案越来越受到各方面的重视和关注。本文将从远程智能I/O和DCS远程控制站的应用以及将锅炉和汽机电子设备间分散布置的DCS物理分散方案进行论述，从而配合本工程主厂房布置方案，采用合适的主机DCS分散方案并进行优化，实现高质量、低造价的设计目标。

2. DCS物理分散方案

2.1DCS物理分散方案的优缺点

主机控制系统（DCS）可以采用远程智能I/O、远程控制站以及锅炉和汽机电子设备间分散布置的方式来实现物理分散布置，从而使分散控制系统（DCS）“分散”的特点得以更充分地体现，既可有效地减少电缆和桥架用量，减少施工工作量，节省投资，缩短施工周期，同时大量平行敷设的电缆间的相互干扰得以减小，使信号传输稳定，系统可靠性得到提高。过去曾担心采取DCS物理分散后会给调试、运行维护管理带来不便，但随着采取DCS物理分散项目实施所积累的经验和本次设计中特意在锅炉、汽机电子设备间分别设置工程师站，这一顾虑也逐渐淡化以致消失。

2.2主要DCS系统通讯和抗干扰条件

早期DCS系统在国内的应用基本采取完全集中的布置方案，随着DCS硬件性能的提高，DCS分散布置的方案在国内一些电厂的局部区域被采用。国内某电厂的某台机组后期增加的烟气海水脱硫系统的控制采用了DCS系统的现场控制站，与已经投运的机组DCS共享操作员站，DCS系统这种分散布置的控制站称为远程控制站，这种远程控制站的设置解决了后期控制系统的施工困难的问题。这也是DCS远程控制站在国内早期局部应用。这种应用也给了我们极大的启示，即DCS系统可按照需要作不同程度的物理分散布置。

目前DCS网络采用通用的网络硬件和标准协议，大多数DCS的主干通讯网络支持光纤介质，通讯网络两站之间的距离完全可以满足电子设备间分散的要求。

2.3远程I/O

常用的远程I/O有国产远程智能I/O和DCS一体化远程I/O之分。

国内仪表生产商早已成功地开发出分布式测控网络，比较有代表性的有南京总参工程兵学院微机测控技术研究所开发的893—数据采集网络，无锡华东电站仪表厂的HD-2000SCADA智能分布式测控系统（IDCB）、无锡贝尔自动化仪器仪表有限公司IDAS-3000系列分布式智能测控网络（IDAS）等。智能数据采集前端采用密封结构，可防尘防潮，适应环境温度超过-20-60℃，就近布置于生产设备附近，通过串行总线和置于主机内的网络适配器与主机进行数据通讯。一个采集网络可挂50块黑匣子，一块黑匣子一般具有20个左右的通道。十多年来，分布式测控网络已大量应用于火电厂数据采集系统，在小机组生产过程监控方面应用也非常广泛。目前在大型火电厂其应用范围为锅炉金属温度、发电机本体温度（线圈、铁芯和冷却水温度）、辅机电机线圈温度等的采集。虽然智能采集前端可构成开关量控制和简单模拟量调节回路，但基于火电厂系统的复杂性和特殊性，这些功能在火电厂没有得到象石化等行业那样广泛地应用。目前国内各厂商的智能采集系统自身不设上位机（工控机）而实现了直接与DCS系统的无缝连接，统一了平台，简化了控制室布置并保持了人机接口的协调一致性，提高了电厂的自动化水平。

随着电力市场改革的不断深入，为达到减人增效目的，业主方开始对辅助车间（系统）进行了控制点合并，使得与机组密切关联的循环水泵房被纳入了主机DCS控制，国内最近几年已投产或正在建设中的机组的这部分基本上都采用了DCS一体化的远程I/O（站），从而很好地解决了由于其在系统中的重要性和距离主厂房较远这两方面所引起的矛盾。

在DCS系统中采用远程智能I/O具有以下突出的优点：

•系统可更为分散，能真正实现功能和物理位置的分散，使大量的分散信号得到就近处理。

•可靠性高。远程智能I/O采用网络结构，还可根据具体情况对主机和前端设置一定的冗余备份。

•使DCS系统主机的负荷率减小。一部分原来直接进入DCS的I/O信号采用远程智能I/O后，可在远程智能I/O中进行预处理，而所有的远程智能I/O均由网络适配器进行管理，而不需主机管理。所以可以降低DCS系统主机的负荷率，提高主机从事高级运算处理的能力。

•远程智能I/O通过前端就近处理信号，将处理的结果以数字通讯方式传给主机，使系统精度大为提高，且抗干扰能力增强，同时减少调试工作。

•采用远程智能I/O，可节省大量信号电缆，减少DCS系统机柜，可节省工程一次投资经费，性价比高。

综上所述，DCS系统中采用远程智能I/O，确实是一种成熟可行而且先进的方法，能节省大量电缆。

2.4电子设备间物理分散应用

前述已介绍了国内某电厂海水脱硫的早期DCS物理分散的应用。可以说这是2000年示范电厂设计思路的体现，使DCS物理分散得到了很好的应用，即尽量使用主厂房现有空间，将DCS电子设备分区模块化后分散到靠近被控设备附近，同时做到与主厂房的布置相协调。在我院设计的被最早列入2000年示范电厂的某2×300MW机组电厂及其后的多个大型机组的电厂分别采用了多家的DCS系统，将汽机电子设备间分散到汽机房中，同时将热控380V配电柜分散放置到现场，有效地节省了电缆和桥架的用量，节省了建筑面积，取得了巨大的经济效益，而且目前已经投运的机组反映良好。

2.5关于现场总线控制系统

DCS系统已广泛应用于各个工业领域并趋于成熟，已成为目前电厂控制系统的主流。随着计算机技术和网络通讯技术的发展，用户对生产过程中控制系统要求的提高，进一步促进了计算机面向生产工艺及设备的现场总线技术的研究，使得控制系统面向基于现场总线产品的控制系统（FCS）得以发展。现场总线是指在生产现场的测量控制设备与控制中心之间采用全数字、双向、串行、多节点数字通信网络，基于这种开放型网络构造的新一代的全分布控制系统称为现场总线控制系统（FCS）。FCS具有更多的优点，其最大的优点是互操作性、开放性、分散性、经济性（可更多地节约电缆及其相应的安装和维护费用）、提高系统精度、可维护性（减少备品备件数量；用户能在主控室对现场设备进行标定、调整和运行诊断，甚至能在故障未发生前就预测出来，实现预报维护等等）。但目前被确认的现场总线标准多达十种，这么多标准给用户带来了很大的困惑，不同的现场总现标准协议之间是不能够直接进行互连和通讯的，也就导致了没有事实上的统一标准；目前智能化现场设备系列产品尚不完整，加上各现场总线是针对不同的应用领域开发的，存在其自身的局限性。FCS从工程技术方面来讲仍未定型，单元机组的协调控制等复杂算法应在 FCS的哪一级去完成等等，仍是需研究确定的问题。在火电厂自动化系统的选型时，既要考虑技术的先进性，更应注意产品的可靠性、成熟性和性能价格比，FCS作为“安全可靠”为第一设计原则的火电厂控制系统的设计选型条件尚不具备，因此DCS系统仍然是目前工程应用选型的主流。但是人们又不满足于存在诸多不足的传统DCS系统，如DCS系统的过程I/O过于集中；环境条件要求高；现场信号电缆多；施工、维护不易；接地处理要求严格等等，在这种情况下，远程智能I/O、现场智能设备等逐步发展起来，并有了部分成熟的标准化产品。在DCS向FCS的过渡时期，推广远程智能I/O应用，将进一步促进DCS向FCS的发展。基于FCS是将来的发展方向，虽然本次投标未予考虑，但不排除将来工程实施中在电厂的局部区域（如化学补给水处理系统、除灰渣等）进行试点采用。

3.结论

采用DCS物理分散布置的模块化设计，能取得显著的经济效益；同时与常规电子设备间集中布置方案相比能减少大量平行敷设的电缆，长距离电缆长度大为缩短，干扰减小，因而提高了DCS性能，技术上也更合理。

参考文献

[1] 陈虹．电气学科导论

[2] 李先允．自动控制系统

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。