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    DCS系統在熱電廠的應用

    時間:2018-06-20  來源:吉安市靖泰電力工程有限公司

    1 引言   

    DCS(Distributed ControlSystem)系統在火電廠發電機組過程控制中的應用已有十多年的歷史了,而且正在越來越多地得到應用。當今流行的DCS系統有C&E的MOD-300,HONEYWELL的TDC-3000,FOXBORO的I/AS,日本橫河的CENTUMXL,WESTINGHOUSE的WDPF,BAILEY的INFI-90,SIEMANS的TELEPERM ME/XP。就目前這幾家主要DCS廠商所提供的系統來看,在應用上均不同程度地存在一些問題,例如系統可靠性,實時性,系統組態的靈活便捷性等都有待進一步突破。本文對DCS系統在實際應用中存在的一些問題加以分析探討。

     2 DCS系統推出的初衷

     DCS系統的推出并逐步發展成為過程控制領域的主角是由于以下一些原因:

    (1)現代化的生產工藝系統日趨大型化,復雜化,需要檢測和控制的參數大量增加,使得傳統的儀表控制系統顯得難以勝任,勢必得另辟蹊徑。

    (2)傳統的儀表控制系統通常使用多個生產廠家提供的產品,使得工藝生產所需的備品備件品種繁多,為此而化費大量人力物力,并且工藝生產在相當程度上依賴這些儀表生產廠商。這一狀況也希望有所改變。 

    (3)數字電路技術的迅猛發展,尤其是大規模集成電路技術的應用,集成度以及成品率大幅度提高,使得在過程控制中大量使用微處理器在成本上成為可能。 

    (4)自動化控制理論的發展,特別是連續系統離散化理論,采樣理論,這些理論大大地推進了過程控制從傳統的儀表控制系統向DCS系統變革的進程。 

    (5)通訊理論和技術的發展,在對局域網(LAN)的大量研究過程中,通訊理論和技術得到了極大的發展和完善,這方面對DCS系統發展的影響是舉足輕重的。 

    (6)計算機應用技術的發展,尤其是微軟公司的WINDOWS-95這樣的操作系統軟件的推出,為計算機在過程控制系統中的應用奠定了基礎,計算機和操作人員之間有了良好的界面,使不具備計算機專門知識的操作人員樂于接受。 

    (7)計算機集中控制系統存在固有的一些缺陷如故障集中,因此為了提高可靠性而需要巨大的費用,集中控制系統需要較大規模的計算機,價錢昂貴。相對來說DCS系統所用的微處理器和微機要便宜得多,故障相對分散,并且DCS系統中的微機或微處理器是并行運行的,相對于集中控制系統計算機的串行運行來說處理速度也大大提高,因此具有更高的實時性指標,這些是DCS系統優于集中控制系統而得到迅速發展的關鍵所在。 

    以上列舉了足以說明為什么DCS系統會在過程控制領域一顯身手的主要原因?,F在來看看初推出DCS系統的一些初衷。

    DCS系統是相對于計算機集中控制系統而言的計算機(或微機)控制系統,它是在對計算機局域網的研究基礎上發展起來的,是過程控制專家們借用計算機局域網的研究成果,把局域網變成一個實時性、可靠性要求很高的網絡型控制系統,運用于過程控制領域。專家們把這樣的一個網絡型控制系統稱之為DCS。專家們的初衷應該是,這樣的控制系統至少帶來以下一些好處:

    (1)故障分散。這是推出DCS系統的理由,DCS系統就是要解決集中控制系統致命的弱點,“故障集中”。故障分散的理由是DCS系統采用了大量的微處理器,各個微處理器承擔一個范圍較小的(地域上)控制任務,某個微處理器故障不會影響整個系統的正常工作。

    (2)縮小控制室尺寸或控制表盤的長度。

    (3)大量縮減控制系統所需的電纜。

    (4)大量減少控制系統所需的備品備件種類及數量。

    (5)減少工藝生產的運行對儀表控制設備廠商的依賴,減少儀控人員培訓所需的費用。

    (6)提供了控制系統構成的靈活性,具有組態便利和可擴展性。

    (7)實現過程實時參數和歷史數據的管理,提供性能計算,設備壽命計算功能。這一點是傳統的儀表控制系統所望塵莫及的。

     3 目前階段市場能提供的DCS系統的實際能力

    從在浙江省電力系統發電廠中應用的BAILEY的INFI-90,C&E的MOD-300以及SIEMENSR的TELEPERM-ME/XP等DCS系統來考察,筆者的見解如下:

    (1)關于故障分散。相信大多數DCS系統生產廠商現階段所提供的系統在實際應用中并非想象的那么“故障分散”。事實上,由于DCS系統在應用技術方面尚存在一些問題,1臺由DCS系統控制的火電廠單元發電機組,因DCS系統的某些故障而被迫停運的情況時有發生。這一點與傳統的儀表控制系統相比后者似乎要優于前者。正因為這樣,DCS系統的構成越接近傳統的儀表控制系統,即微處理器或多功能控制器所承擔的控制任務從地域上越分散,越能做到故障分散。從這一點上看,SIEMAMS的系統做得較好,它的一塊控制卡件(帶有微處理器,可與其他卡件或通過通訊總線與其他子系統如操作員站工程師工作站等通訊)只承擔2~4個電動機或電動門的開環控制回路,或1~2個閉環控制回路,并且這塊卡件既承擔邏輯控制功能,又承擔與這些邏輯控制有關的I/O功能。這樣做對故障分散是十分有利的。然而,其它的系統通常把許多過程控制任務集中在少數多功能控制卡件或微處理器身上,把過程控制的輸入輸出即I/O功能集中在I/O卡件上。這些系統客觀上是把過程控制的故障集中起來而不是把它們分散,似乎有悖于“DCS”這個名稱。不過SIE-MANS的系統也有問題,它的ETHERNET與ME系統的通訊還有些問題需要解決。SIEMANS的TELEPERM-ME系統是一個非常成熟的系統,ME系統加上ETHERNET網絡就是新推出的TELEPERM-EM/XP系統(浙江臺州發電廠四期兩臺330 MW機組中應用),因為是新的系統,相信許多應用軟件(尤其是那些有關通訊的軟件)還得經歷時間的考驗。如果這些問題得到了解決,則無論從故障分散這個角度還是其它方面例如制造工藝來看,它都占有一定程度的優勢。DCS,故障分散,似乎SIEMANS的路子是走對了,因為他們的系統接近傳統的儀表控制系統,控制功能比較分散,要做到故障分散,一定得把控制功能分散。

    (2)關于控制室的尺寸和表盤長度。這一點所有的DCS系統都做得到。不過與傳統的儀表控制系統相比,電子室的尺寸和設備相對增加,這一點DCS系統給我們帶來的實際利益并不顯著。

    (3)關于節約電纜。由于DCS系統所采用的設備器件在現階段來說仍然是比較嬌貴,對現場環境的要求比較高,例如需要防塵和空調,REMOTEI/O還不能大量使用,因此,DCS系統的主要設備都需要安置在條件比較好的電子室,大量的現場信號仍然需用電纜接到電子室。所以說,與傳統的儀表控制系統相比,電纜有所縮減,但效益有限。

    (4)關于減少備品備件的種類和數量。備品備件的種類和數量有所減少,并且需要與之打交道的儀表控制設備制造廠商也有所減少。

    (5)關于減少機組運行對儀表控制設備制造廠商的依賴,減少儀控人員技術培訓所需的費用。由于DCS系統在應用技術方面還不能盡如人意,因此,機組運行對DCS系統生產廠商的依賴不但沒減少反而有所增加,尤其在機組新建成投產期間,DCS生產廠家派往工地的專家服務似乎成了機組投產調試期間必不可少的了。為了用好DCS系統需要培訓的工程技術人員也有所增加,因此培訓所需費用也有所增加。

    (6)關于控制系統構成的靈活性,組態的便捷性和系統的可擴展性。系統構成的靈活性以及系統的可擴展性,這一點確實是傳統的儀表控制系統無法與之相比的。大多數DCS系統的組態也是比較方便的。不過多數系統在在線組態功能方面尚有許多工作可做,好多系統為離線組態,在工程師站編程,然后編譯,再下載。并且有些系統這一過程比較費時,在調試期間這一問題尤其突出。關于這個問題,SIEMANS的系統較有特色,它不但在線組態,而且設計有仿真功能,這給調試工作帶來極大的方便。

    (7)關于DCS系統提供了一些獨特的控制功能,如歷史數據和實時數據的管理,性能計算等等。這一點是傳統的儀表控制系統所無可比擬的,正是由于DCS的這些優勢,把過程控制推向一個新的更高層次的領域。

    綜上所述,現階段市場所能提供的DCS系統在應用中帶來的益處遠沒有象我們想象的那么多。當然,DCS系統解決了現代化大生產中過程控制傳統的儀表控制系統難以勝任這一問題,而相對于計算機集中控制來說故障還是分散的,在許多方面有其獨特的優點,是傳統的儀表控制系統和計算機集中控制系統所無法比擬的。

    4 應用中存在的一些問題

    現在的DCS系統在應用技術方面尚有以下一些問題:

    (1)故障分散。目前的DCS系統還沒有做到真正意義上的故障分散,這一方面是由于目前的器件仍然比較嬌貴,因此控制系統在地域上做到分散還不能實現(盡量接近傳統的儀表控制系統)。工業控制的現場條件一般是比較惡劣的,粉塵,溫度,濕度對現階段廠商所能提供的遠程I/O卡來說仍然難以適應。如北侖電廠1號機有些I/O卡只能相對集中放置在現場,在調試期間也曾經發生過因為這些I/O柜進水而影響整個系統的正常運行。再如北侖電廠3號機在循泵房設置了遠方I/O柜,電纜當然是節約一些,但I/O柜上設置了小空調,費用仍然省不了多少。另一方面,設計上控制功能還不夠分散,包括DCS系統本身的設計和工程設計兩方面。如MOD-300系統,它的I/O太集中,I/O卡的故障會影響系統的正常工作。另外,機組的輔機控制是由可編程邏輯控制器即PLC系統完成的,它與MOD-300系統之間通訊用了一個GATEWAY,這個GATEWAY成了整個控制系統的一個瓶頸,一旦它發生故障,就會影響機組的正常運行。再如北侖電廠3號機的系統,機組的輔機控制由它的SCS子系統完成,SCS子系統的一個MFP設計了300點左右的I/O卡,并且一塊I/O卡16點又設計成用于不同的控制對象,即一個被控對象要用到好幾塊I/O卡。因此,一塊I/O卡故障,要影響好幾個控制對象的正常工作,一個控制對象要檢修,要牽涉到好幾塊I/O卡。另外,一個MFP所包含的被控對象也太多,一塊MFP卡的故障會影響好些控制回路的正常工作。象這樣設計的控制系統,勢必對卡件或者系統的可靠性要求很高。

    文獻〔1〕和文獻〔3〕都談到了目前已有一些廠商在研究或已推出一種稱為FCS的系統,即現場智能儀表結合現場總線技術構成的過程控制系統。顯然,這樣的系統十分接近傳統的儀表控制系統。從理論上講,智能化的控制儀表就放置在被控設備附近,控制功能在地域上可以徹底分散,因此,故障也可以徹底分散。但是,實際上就目前的元器件生產技術水平以及計算機技術通訊技術現狀來說,FCS也許同樣得面臨DCS所面臨的困難。首先,FCS得解決工業控制現場環境十分惡劣的問題。其次,現場控制設備空間分布,地域上十分分散,現場總線的連接不是一件易事,通訊上也將面臨節點太多的困難。

    (2)實時性。過程控制要求控制系統有很高的 實時性。目前的系統由于通訊技術和計算機技術的限制,在實時性方面仍然有待提高,如早期的MOD-300系統,操作一個閥門,從操作員按鍵發出命令到在屏幕上看到反饋信號要十幾秒時間。后來經過硬件升級,更換成新一代芯片,問題才得以解決。有些系統因為畫面打開速度慢,操作一個設備要切換好幾幅畫面,使得在緊急情況下,操作人員感到很不方便;另外,通訊所需的時間(或者DCS系統響應的時間)惡化了控制對象的特性,使閉環控制系統的過渡過程品質指標下降。

    (3)組態的便捷性以及必要的權限保護。關于系統組態,現在的DCS系統大都采用計算機窗口技術,一般來說是方便的,但在在線組態方面仍然有需要研究的地方。多數系統在工程師站進行組態,然后下載到控制子系統或者說控制卡件中去,而一般這個過程是十分費時的,尤其在調試過程中,組態的修改是經常性的事,需要尋求一種既方便又安全的在線組態方法。

    (4)制造工藝和安裝工藝。影響DCS系統正常使用的很重要的一個因素是制造工藝和安裝工藝。有時就是因為一個小小的插件質量不好,接觸不良而釀成了重大的故障或事故。有些系統提供的硬件制造工藝不能令人滿意,提供的卡件、接插件做得不夠可靠,一些卡件故障,有時去拔一下,插一下,或者搖幾下故障就消失了。這方面是DCS生產廠商必須引起高度重視的一個問題。如果所提供的系統在工藝上都不能滿足可靠性的要求,那么原理上再吸引人也難以令人接受。另一方面是安裝工藝,這也是DCS系統應用技術要加以研究的一個方面。

    (5)應用軟件的可靠性、成熟性。DCS系統由于應用的實踐還處在不斷的積累過程中,許多應用軟件還不是很成熟,它的可靠性還有待時間的考驗。這方面DCS系統生產廠商應加強研究,使已付諸使用或即將付諸使用的DCS系統軟件具有足夠的可靠性。

    5 結論

    以上從推出DCS的理由以及DCS為什么會成為過程控制領域的主流的原因出發,進而提出了現階段市場能夠提供的DCS系統在應用技術方面尚存在的一些問題,這些問題有:(1)有關故障分散方面的;(2)有關實時性方面;(3)有關組態的便捷性以及必要的權限保護;(4)有關制造工藝和安裝工藝方面的;(5)有關應用軟件的可靠性方面的??蓺w納為設計的問題,元器件生產技術的問題,工藝的問題。DCS系統應從過程控制的實際需要出發,針對自身的不足,無論在結構上、所采用的器件上,還是所采用的技術上,不斷地提高和發展。使DCS系統在應用技術方面有新的突破。


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