大型火力发电厂辅助车间控制系统选择

摘 要:本文介绍了目前国内火力发电厂全厂辅助车间的控制方案,即通过辅助车间控制网络采用PLC或DCS实现全厂辅助车间监控进行了分析和比较。

关键词:发电厂 车间控制系统 应用

中图分类号:TM6文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0049-02

1 国内辅助车间控制系统水平及存在的问题

我国电力行业改革正在如火如荼的进行中,随着“厂网分离,竞价上网”的改革方针的实施,各大发电公司竞争将加剧。大型发电厂机组对电厂辅助系统自动控制水平也提出了更高的要求。全过程自动化及网络化是电厂辅助系统为满足大机组高效运行而必须确定的发展方向。

辅助车间控制系统网络化具有许多优势。首先,辅助车间控制系统网络化实现了辅助系统集中监控及综合调度,它能够实现整个电厂辅助系统的优化控制,最大限度地满足电厂机组安全、高效运行的要求。其次,辅助车间控制系统高度的自动化和网络化,可最大限度地节约人力资源,提高劳动生产率,实现效率最大化,满足投资方的要求,实现投资的良性互动。再次,辅助车间控制系统的联网,进而与电厂SIS系统及MIS系统实现联网,真正实现全厂网络化,使电厂竞争力更加强大。

2000年燃煤示范电厂及新颁发的《火力发电厂设计技术规程》(DL 5000-2002)对辅助车间的控制也提出了新的要求,即“相邻的辅助生产车间或性质相近的辅助工艺系统宜合并控制系统及控制点,辅助车间控制点不宜超过三个(输煤、除灰、化水),其余车间均按无人值班设计。”目前,300MW以上的大型火电机组,为提高辅助生产车间自动化水平基本上均按上述要求设置输煤、灰渣、水务三个辅助车间控制点,实现以燃料、灰渣、水务为主体的分区域网络控制系统。辅助车间控制系统一种是采用成熟的DCS来实现辅助车间控制(主要取决于单元机组DCS选型,如在招标中DCS系统性能价格比优于PLC系统,宜选用DCS系统),另一种是采用PLC＋LCD站的监控方式,基本上取消了常规操作盘台,实现了以LCD为核心的监控方式。但这些作法还没有充分发挥计算机控制技术和网络技术近年来飞速发展所提供的巨大优势。辅助车间与单元机组的控制水平仍存在较大差距,主要在:

(1)各控制系统的监控相互独立,没有充分考虑资源的共享,造成浪费。

(2)控制系统设备选型有时又多种多样,给生产维护带来不便。

(3)辅助车间采用车间集中控制方式,都设有控制室,每个控制室又必须固定2～3名运行值班员,形成多个控制“孤岛”,使得运行管理不能集中,从而造成各种资源的浪费。

(4)各个区域的控制网络均需设置与厂级监控信息系统(SIS)的接口,(包括硬件和软件)客观上造成与SIS系统接口实施复杂化。

针对目前附属生产系统和辅助车间控制方案上存在的问题,必须进行辅助车间控制系统的优化,如何简化全厂自动化监控和信息网络结构,进一步提高全厂自动化水平,最大程度的减员增效,成为辅助车间控制系统优化设计的关键所在。

2 目前火电厂辅网控制系统的应用

在目前辅助车间控制系统中,PLC和DCS都得到了广泛的应用,都是计算机技术与工业控制技术相结合的产物,DCS和PLC都有操作员站提供人机交互的手段、都基于计算机技术的控制器完成控制运算、通过I/O卡件与一次元件和执行装置的数据交换,都具备网络通信系统。但两者之间也有细微差别,其主要方面是:

(1)从控制器对于辅助系统(车间)的控制要求来讲,DCS和PLC控制器的主要差别是在开关量和模拟量的运算上。对于辅助车间目前发展是两者相互有些渗透,PLC除逻辑运算外,也增加了一些控制回路算法,但要完成一些复杂运算还是比较困难,PLC主要采用梯形图方式编程,编程时不太直观,编程比较麻烦。而DCS使用功能块进行模拟运算和逻辑运算,无论是逻辑运算还是复杂模拟运算的表达形式都非常清晰,电厂辅助车间的控制主要是开关量控制,PLC完全可以满足要求。辅助车间控制除开关量控制外,还有一些复杂的模拟量控制,例如,加药控制,更适合采用DCS。

PLC执行逻辑运算的效率很高,执行1K逻辑程序不到1毫秒,其控制周期(以DI输入直接送DO输出为例)可以控制在50ms以内;而DCS在处理逻辑运算和模拟运算时采用相同的方式,其控制周期往往在100ms以上。我们用PID算法来比较时,可以发现PLC执行一个PID运算约几个毫秒,而DCS的控制器执行一个PID只需要1毫秒,这说明PLC和DCS和实际运算能力是相当的。控制周期上的差异主要与控制器的调度设计有关,大型PLC往往使用副CPU来完成模拟量的运算,主CPU高速地完成开关量运算,所以即使模拟运算速度一般,在开关量控制方面的速度表现还是非常优秀的。新型的DCS控制器借鉴了PLC的优点,控制器可以设置多个不同优先级的任务,最小运算周期可以设为10ms,配合高速I/O卡件,控制周期也能够达到50ms以内。

PLC的软件组态功能以梯形图为主,部分支持IEC1131-3标准规定的五种编程语言,人机界面组态软件采用PLC配套或第三方提供的通用的工控软件(如iFix、Intouch)来完成。DCS作为一个系统,组态软件是DCS厂家提供的成套专用软件,有功能专业、稳定性好和系统性强的特点,DCS组态以模块功能图为主,积累了大量的高级算法模块,例如DCS具有的设备级模块,在一个模块中集中完成了面向设备的基本控制和故障报警功能,在网络通讯中也以此模块为单位进行传递,大大提高了软件开发和数据传输的效率,一个设备模块相当于0.5K的梯形图逻辑量,PLC要完成同样的功能,就要烦琐得多。目前一些DCS也开始使用基于iFIX或INTOUCH的工控组态软件,但DCS厂家使用通用工控组态软件并不是简单地拼装,而是在通用监控软件的基础上,通过合作开发,将自已多年积累的网络通讯技术、系统自诊断技术以专用软件包的形式保留和继承下来了。

(2)从网络通讯方面看,分散控制系统的“分散”主要体现在独立的控制器上,“集中”主要体现在具有完整的数据通讯系统,PLC系统的I/O点数一般没有DCS多,而单个控制器的I/O集成度又高,所以网络传输数据量小,因此其网络技术发展未得到足够的重视。当前虽然在形式上DCS和PLC都采用了工业以太网技术,但由于PLC和组态软件一般是两个工厂生产,PLC采用的是将MODBUS通讯协议加载到以太网的TCP协议之上的一种通讯方式,它虽然具有了网络的外形,但依然是一主多从的串行通讯方式,采用数据表的传输结构。而基于工业以太网的DCS,其应用层协议是DCS公司积累了近30年的专用协议,主要特点在于各站平等,不存在网络管理站,而且数据通讯是以模块为单位的结构化数据,较PLC数据表传输方式的效率要高得多。

(3)从扩展功能看,DCS能够提供系统仿真的功能,利用仿真功能不仅能够使控制系统调试更为简单,缩短现场调试进程;对运行人员的培训也能起到重要作用,又利于运行人员能够迅速掌握运行方法。PLC暂未具备该项能力。

(4)从工程实施(设计、调试、扩展以及与工艺的配合)上看,DCS比PLC灵活,但PLC比DCS成熟,而且相对来讲PLC的价格低,工程应用业绩多,从应用环境及要求看,DCS和PLC都能满足使用要求。DCS以往由于价格较高,在辅助系统(车间)应用一直不多。最近由于价格不断下降,加上大型机组对辅助车间控制的要求的不断提高,目前也具有采用DCS成功实施辅助车间控制的工程业绩有了一些辅助系统(车间)的工程业绩。从目前情况看来,DCS与PLC的价格差距已不明显,今后将呈现出辅助车间控制采用DCS的趋势。

3 结论

综上所述,在辅助系统环境下,PLC和DCS有差别但并不十分明显,DCS在整体性能上要略占优势,PLC在成熟度上占有优势,而且两者有越来越接近的趋势,辅助系统(车间)集中控制无论采用PLC或DCS,均能满足控制要求。在热工自动化领域,主厂房控制系统基本上采用DCS,其主要原因是早期的DCS系统非常昂贵,锅炉、汽机和发电机的控制要求长期稳定可靠运行,信号中含有相当比例的模拟量,从系统性能出发,人们选择了昂贵的DCS,而电厂辅助系统(车间)的运行可以间断,可靠性要求比主厂房低,且模拟量控制要求较少,从降低成本的角度出发,往往选择PLC系统,现在两种系统价位也较为趋近。可在同样的条件下对两种系统进行比选,至于最终选择哪种方案可通过招标决定,建议在价格相近的情况下优先选择DCS。

参考文献

[1]美国Allen-Bradley公司控制网网络ControlNet Network系统概貌,2001.

[2]邱公伟主编.可编程控制器网络通信及应用.北京:清华大学出版社,2000.

[3]李展燕.火电厂辅助陈建控制系统方案探讨.世界仪表及自动化,2005.