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DCS立功十余载 如今成鸡肋?

行业聚焦点中国仪表网2013年01月08日 09:40人气:20122

  导读:1975年美国霍尼韦尔(HoneyWell)第一套分布式控制系统TDCS-2000问世以来,分布式控制系统已经在工业控制的各个领域得到了广泛的应用,以其高度的可靠性、方便的组态软件、丰富的控制算法、开放的联网能力,逐渐成为过程工业自动控制的主流系统。
  
  迄今,全世界数百家厂商已经开发了各种类型的分布式控制系统1500余种,DCS以其先进、可靠、灵活和操控简便以及合理的价格而得到广大工业用户的青睐,广泛应用于冶金、电力、化工、石油和造纸等工业领域。
  
  在过去的十多年里,DCS在火电厂的广泛应用极大地提高了火电厂自动化水平。
  
  1.火电厂DCS应用所取得的成绩和存在的问题
  
  在过去的十多年里,DCS在火电厂的广泛应用极大地提高了火电厂自动化水平。
  
  (1)作为机组监视和控制的主要手段。在机组分部试运行和整机启动调试过程中,DCS已经能发挥作用,加速了机组安装调试的进程;机组正式移交生产时保护和控制系统的主要功能均已能投入使用;为确保机组安全经济运行作出了贡献。
  
  (2)广大运行人员已经开始熟悉和信任CRT/键盘操作方式,并正在逐步摆脱对常规仪表和控制设备的依赖。300MW及以上火电机组均实现了单元集中控制,在单元控制室里实现对机组正常运行的监视和控制;在就地配合下,完成机组的启停操作和事故处理,为逐步过渡到机炉电统一操作创造了条件。
  
  (3)电厂辅助生产车间和辅助生产系统(如输煤、除灰、化水等)均采用微机型可编程控制器,实现顺序控制。
  
  (4)DCS完全依赖国外进口的局面正在开始改变,国内自动化仪表制造行业和电厂自动化研究单位通过技术引进和技术合作,在工程实践中逐渐积累经验,已经能独立承担DCS系统组态和应用软件设计、现场调试和培训工作,为降低DCS的造价作出了贡献。
  
  但是,同发达国家相比,还存在以下几方面明显的差距:
  
  (1)尽管随着调试、运行经验的积累,DCS的可靠性已经大大改善,但是DCS使用中的隐患依然存在,硬件故障率高,死机现象、冗余切换故障等仍然时有发生。某些DCS的功能,如性能计算、机组自启停、组级顺控逻辑、操作指导等,在许多电厂中还未能投入,DCS在提高机组经济性方面的效能还没有充分发挥出来。由于缺乏切实可行的测试方式和手段,有些DCS性能指标无法进行考核和验收,许多性能指标远没有达到。
  
  (2)DCS主要依靠进口,国产化进程跟不上DCS技术发展和更新的速度,由于DCS市场竞争激烈,价格被压得很低,DCS供应商在工程设计和应用软件开发方面均不可能有较大的投入。从而造成了DCS的性能不断提高而应用软件停滞不前,先进控制软件不能推广应用的局面。
  
  (3)国内大专院校和科研单位,在先进控制软件和优化软件开发方面,也取得了一些成果。但是,由于没有同DCS制造厂密切结合,未能及时将研究成果产业化。
  
  (4)电厂自动化设计工作仍处于较低水平,远远跟不上DCS和控制技术的飞速发展。由于电厂采用DCS之后,控制逻辑均由计算机电力软件完成,控制系统逻辑设计的大部分工作从电力设计院转移至DCS制造厂,这意味着DCS制造厂应对控制系统性能负主要责任,电力设计院仅承担编制技术规范书、提供基础资料和控制要求、确认DCS制造厂图纸文件和安装接线设计等工作。设计院往往忙于安装接线设计,忽视对于控制逻辑图的确认和控制策略的研究,加上较少深入参与系统验收和调试,久而久之,电力设计院在控制系统设计方面的技能和专长逐渐衰退,也无法对DCS技术有更深入的认识,不能及时解决DCS调试和投运过程中遇到的问题。多年来DCS技术规范书一直未能作过实质性修改和更新。
  
  (5)由于DCS市场竞争激烈,各DCS厂商的技术优势和市场份额也不断变换,兼并和重组时有发生;而用国产DCS系统也有了一定发展;因此,迫切需要对推荐的DCS供应商名单作适当调整,并着手制定更灵活、更规范的DCS采购政策,使得技术上处于优势的DCS系统能尽快在我国火电厂得到应用。
  
  2.火电厂自动化发展的新课题
  
  厂网分开、竞价上网,用户选择电厂是市场经济发展的必然趋势。面对电厂走向市场的严峻形势,电力设计的任务不再仅仅是设计一个技术先进或造价低廉的电厂,而应当是设计一个面向市场、具有竞争力的电厂。电厂自动化设计必须有新的思路和新的突破。
  
  2.1进一步扩大DCS的应用范围
  
  (1)为了使机炉电单元控制水平和单元控制室布置更加协调,真正过渡到机炉电统一操作,实施单元机组集控值班,把DCS的应用范围扩大到发电机—变压器组和厂用电系统的控制,是合乎逻辑的发展。国家电力公司热工自动化领导小组已决定加速电气控制纳入DCS的试点和推广应用的步伐。目前正在着手制定有关技术规定,研究解决电气控制对DCS的特殊要求,厂用电公共系统控制方式、后备操作设置等问题。
  
  (2)在扩大DCS应用范围时,尽管用DCS实现DEH、MEH和AVR、ASS及电气保护等功能,在技术上不存在困难的,但考虑到这些系统对机组安全运行的关键作用,以及传统上是随主机成套的现实情况,目前仍采用专用装置为宜,但应妥善解决与DCS的接口问题。
  
  (3)鉴于DCS正向开放系统发展,DCS与PLC正在相互渗透,两者的互连问题已不再突出,这为在单元控制室实现电厂辅助生产系统监控,减少辅助生产系统控制点创造了条件。电厂中的辅助生产车间和系统很多,如输煤、除灰、补给水处理等,他们都有各自不同的工艺流程和控制要求,和不同的采购渠道和采购方式,而且各电厂对辅助生产系统也有不同的管理方式,因此对新建电厂,在设计初期就应当作好总体设计,合理确定电厂辅助生产系统的控制方式和控制点设置,明确DCS与PLC的接口方式,为实现辅助生产系统单元控制室监控创造条件。
  
  2.2进一步提高DCS的功能
  
  随着微电子技术的发展,DCS分散处理单元(控制器)的存贮能力、运算速度成倍提高,能完成更复杂的数值和逻辑运算。DCS正被赋予越来越强大的能力。
  
  近年来,国外在DCS应用领域里,主要在以下几个方面有所进展:
  
  (1)扩充了标准控制模块(算法)库,特别是增加了先进控制模块,如模型参数预估器、Smith控制器、模糊控制器、状态变量控制器等,并已经在电厂控制系统中得到了应用。
  
  (2)开发了许多专用的先进控制软件和优化软件,如Bailey公司开发的“燃烧控制优化软件”、“给水加热器热力优化软件”、“自由压力运行(freepressureoperation)机炉协调制策略”;又如ABB和Siemens公司开发的机组优化控制系统MODAN和NUC,以及采用凝结水节流的机组控制模块(unitcontrolusingcondensatethrottling)都已经取得了许多使用业绩。
  
  (3)开发了许多机组性能诊断和性能优化软件,如OPTIMAX软件包(ABB);SR4机组性能分析和优化软件包Steag-ketek;TDY-DKW汽轮机效率分析软件包(Siemens);DEB500协调和自动化软件包(MCS)等等。
  
  OPTIMA-MODI软件包是一个专家系统,可以向操作员提供过程诊断信息,实现操作指导,该软件已经在美国Roxboro电厂使用。DEB500协调和自动化软件是美国电力研究院和MCS公司共同开发的,用于改善调峰(cyclicoperation)机组的监视和控制,以满足热电联产电厂(cogenerator)和独立发电厂(IPP—IndependentPowerProducers)迅速增加,厂网分开,对电厂自动化提出的新要求。
  
  DEB500软件包包括三个部分:
  
  —电厂自动化协调器(Plant Automation Coordinator)
  
  —电厂过程制约协调器(Process Constraint Coordinator)
  
  —电厂评估监视器(Plant Assessment Monitor)
  
  其中,电厂自动化协调器,包括了:
  
  —单相设备的控制算法
  
  —功能组控制算法
  
  —电厂启停操作指导算法
  
  它可以适应不同程度和范围的自动化策略,从单个辅助设备的自动化直到用一个按钮起动整套机组。该自动化协调器已经在美国EnlergyslewisCreek电站1号、2号机组和Nelson电站4号机组使用。
  
  为了提高我国电厂DCS的应用水平,我们应当加大应用软件开发的力度。首先,充分挖掘DCS的潜力,充分利用DCS所提供的控制模块(算法),设计出完善、先进的控制逻辑,并适当引进国外先进控制和优化软件,组织消化吸收,以便洋为中用。对于国内已经开发成功的应用软件,应适当创造条件在实际工程中采用,以加速产业化。
  
  2.3关于DCS采用物理分散布置和现场总线技术
  
  在80年代中期,物理分散曾作为DCS的主要优点被大肆渲染过,但在我国大多数火电厂并未采纳物理上全分散的方案或仅采用了部分远程I/O。原因是DCS制造厂和电厂都希望电子设备能工作在较好的环境下;电厂考虑检修调试方便,都不愿意承担物理分散带来的风险。
  
  如今,减少电缆费用,从而降低工程造价的呼声越来越高,加上DCS硬件可靠性和环境承受能力不断提高,系统通讯技术不断发展,DCS硬件物理分散布置方案又成了人们关注的热点。笔者认为DCS物理分散方案不应当一哄而上,应当对当前DCS在电厂应用情况和DCS硬件对环境的要求,作深入调查之后逐步实施。目前,可以首先扩大远程I/O的使用范围。大多数DCS远程I/O模块的工作环境温度为0~50℃(个别系统可达0~60℃或0~70℃)。各DCS远程I/O柜防护等级也不尽相同,因此,远程I/O的安装地点应在设计中精心地选择,既要尽可能接近测点或被控设备,又要有较好的环境条件,必要时机柜应当加装空调或通风设施。另外,可将电子设备室分成几个,将控制器(或分散处理单元)分散布置,以达到减少电缆的目的。
  
  DCS物理分散方案,可以同现场总线(fieldbus)技术的应用密切结合。现场总线是用于现场仪表设备(智能型,带通讯接口)与控制器之间的一种开放的、全数字化、双向的通讯系统。
  
  采用现场总线技术,可以提高系统精度,改善控制品质,简化控制系统机柜,大量减少电缆,便于调试和维修。有资料估计,与常规系统比较,采用现场总线技术,可使电缆、调试和维修成本节省约40%以上。
  
  现场总线技术的关键是:制定国际现场总线通讯技术标准;按照标准生产各种自动化产品——传感器、执行器、驱动装置及控制软件。由于种种技术和商业上的复杂因素,现场总线的国际标准至今没有出台,而处于众多现场总线标准并存的局面。但是由于现场总线技术诱人的优越性,现场总线产品的开发和现场总线技术的应用依然取得了很大的进展。
  
  目前世界上现场总线有40多种,影响较大或应用业绩较多的有:
  
  —FF(FieldbusFundation)
  
  —Profibus
  
  —WorldFIP
  
  —LONWORKS
  
  —CAN
  
  其中,PROFIBUS已经成为德国国家标准和欧洲标准。支持该标准的产品,已有1500种(包括芯片、软件、测试工具),在市场上占有较大份额,截止1998年6月在全世界已安装200万台PROFIBUS产品。PROFIBUS在我国火电厂也有应用实例,主要是用于连接远程I/O和电厂辅助生产系统中的PLC。
  
  由于现场智能化仪表价格较高,现场总线技术在电厂使用业绩较小,现场总线技术在我国火电厂中的推广应用尚需时日。但是,现场总线技术的出现,给自动化仪表领域带来了又一次革命,基于现场总线的控制系统(FCS—FieldbusControlSystem)在不久的将来必将取代传统的DCS。因此,我们也应当积极跟踪现场总线技术的发展,有步序地在火电厂中应用。在目前现场仪表设备不完全具备现场总线通讯接口的情况下,可首先采用现场总线连接远程I/O或PLC,在电厂辅助生产系统中加以推广。
  
  2.4加速电厂管理自动化的进程,提高电厂综合自动化水平
  
  目前电厂自动化设计主要针对电厂工艺过程的控制和监视,即过程自动化,这无疑是十分重要的,电力买方市场的形成,要求不仅能保证电厂安全满发,还应当千方百计降低运行和维护费用,缩短检修时间,提高设备使用寿命,合理利用电厂资源,因此电厂管理自动化水平必须大力提高。
  
  近年来,许多电厂自行增加了MIS(ManagementInformationSystem)或电厂管理系统(PlantManagementSystem),实现实时信息、档案资料、设备维修、财务、人事管理以及办公室自动化。由于MIS是在投产后添加的,其同已有控制系统的接口难以做到完善和规范。为了适应工厂管理自动化的要求。国外不少DCS厂家已经开发了许多MIS功能软件,如Siemens公司的电厂管理软件BFS++,Bailey—Hartmann—Braun公司的ContronicMPMS,已在许多电厂中得到应用。许多DCS在系统总体结构上也增加了电厂管理层,以实现与MIS的无缝连接,这些都为实现电厂MIS功能创造了条件。因此,应将MIS纳入电厂自动化设计范围,综合考虑电厂过程自动化和电厂管理自动化,并引进和开发电厂性能优化软件、设备管理软件以使电厂管理水平有实质的改善。
  
  另外,为适应电厂竞价上网的要求,电网的负荷调度将从EMS直接控制机组转变为控制电厂,由电厂按各机组的运行情况分配负荷,完成电厂负荷经济分配任务。这也是应当认真研究的课题。
  
  3.改进火电厂自动化设计之我见
  
  面对电力工业新形势和技术高度发展所提出的新挑战,电厂自动化设计工作应当在以下几个方面有所前进:
  
  (1)不断跟踪DCS技术发展,特别是现场总线技术的发展。研究先进的控制理论和策略在电厂中的应用,消化和吸收国外的先进控制算法和优化控制软件。在深入学习大型机组运行操作经验的基础上,探索和开发符合中国国情的机组控制策略和软件。
  
  (2)学习和研究燃气轮机和联合循环电厂以及循环流化床锅炉控制技术。
  
  (3)根据技术发展和电厂需要,修改和更新DCS技术规范书,制定适合国情的DCS的评标办法,规范DCS的招标和采购工作。
  
  (4)大力研究控制室设计,解决电气控制进DCS、应用大屏幕显示、减少和取消常规仪表等给控制室设计带来的新问题。改善电缆和设备布置设计,以适应DCS物理分散的要求。
  
  (5)把MIS设计纳入电厂自动化设计范围,在总结现有电厂MIS使用经验的基础上,编制MIS技术规范书。研究由于电厂竞价上网对电网负荷调节、电厂负荷分配和机组负荷分配和机组负荷控制等方面所提出的新问题。
  
  (6)改善设计管理,促进专业重组
  
  目前,我国电力设计院的管理模式和专业设置,远远不能适应电厂自动化的发展,必须尽快进行改革和重组。这包括与自动化有关的专业重新优化组合,重新规定各专业的工作分界线,以利于电厂综合自动化水平的改善以及设计深度和质量的提高。
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