楊廣東

(徐州華美坑口環(huán)保熱電有限公司,江蘇徐州 221141)

DCS構(gòu)架下電廠電氣一體化設(shè)計及其發(fā)展研究

楊廣東

(徐州華美坑口環(huán)保熱電有限公司,江蘇徐州 221141)

隨著社會的發(fā)展以及科技的進步,為了生產(chǎn)的高效性與安全性,進行了一系列基于自動化與一體化的改建。在這個過程中電廠生產(chǎn)區(qū)域具有高溫、高壓等特定,對于一體化自動控制更是有著更高的要求。為了實現(xiàn)這一目標,在若干種構(gòu)建模式中,DCS構(gòu)架是一種較為常見的方式,對于其構(gòu)建原理以及構(gòu)建環(huán)節(jié)建設(shè)已經(jīng)有了系統(tǒng)的研究,這對于后續(xù)的應用提供了必要的基礎(chǔ)保障。本文以電廠電氣一體化設(shè)計為主要的研究目標,總結(jié)其利用DCS構(gòu)架的構(gòu)建過程,并對近些年DCS構(gòu)架下的一體化設(shè)計與技術(shù)的發(fā)展進行總結(jié)分析。希望通過本文的研究能夠為今后的相關(guān)電廠一體化設(shè)計與實際施工提供必要的理論基礎(chǔ)與實踐指導,也能夠為后續(xù)的電廠技術(shù)改造提供方向選擇的依據(jù)。

DCS構(gòu)架 電廠電氣一體化 設(shè)計思路 技術(shù)發(fā)展

1 引言

DCS是一種較為先進的分布式控制系統(tǒng)，它能夠同時完成相關(guān)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理與控制，并對一定設(shè)定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行保存與調(diào)取。適應于各種一體化建設(shè)體系的設(shè)計與施工。同時，由于其對于設(shè)備的支持強度相對較大，受到了廣泛的關(guān)注與應用。電廠的生產(chǎn)環(huán)節(jié)對于自動化體系要求相對較高。一方面電廠生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣，具有高溫、高電壓、高噪音、高輻射等惡劣的生產(chǎn)環(huán)境；另一方面電廠的生產(chǎn)需要根據(jù)電能負載對鍋爐以及發(fā)電機等主要生產(chǎn)設(shè)備進行實時監(jiān)控并通過進料保障等體系來保障其生產(chǎn)的連續(xù)性與順暢度。在這樣的背景下，電廠的控制一體化體系建設(shè)迫在眉睫。針對DCS的應用是一種較為廣泛的應用模式，國內(nèi)外學者也針對其具體的應用與體系構(gòu)建進行了系統(tǒng)的研究。但是，結(jié)合自身特點以及我國電氣一體化建設(shè)的針對性研究還相對較少。本文正是出于這個目的，以電廠電氣一體化設(shè)計為目標，對其中的DCS構(gòu)架發(fā)展現(xiàn)狀與技術(shù)革新進行闡述，并對電廠電氣整體的一體化設(shè)計提供思路。希望通過本文的研究能夠為今后的相關(guān)設(shè)計提供必要的理論基礎(chǔ)，也為類似的項目建設(shè)選擇提供可靠依據(jù)。

2 DCS構(gòu)架簡介

所謂的DCS是指分布式控制系統(tǒng)，在國內(nèi)的一體化建設(shè)體系中又被稱之為集散控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的計算機控制方式相比是一種更為新型的控制體系。傳統(tǒng)的計算機控制模式是采用單一計算機對全部的電氣設(shè)備進行統(tǒng)籌管理的模式來進行，而此種方式不僅增加了計算機的負載，更是由于其控制模塊之間的通道堵塞而使得控制效果尤其是人機互動效果有了顯著的降低，對于大型廠區(qū)與設(shè)備的集約化管理模式構(gòu)建不利。而應用多電腦分布控制的模式很難做到不同部分的數(shù)據(jù)聯(lián)通、共享與同步。DCS構(gòu)架的產(chǎn)生正是為了彌補這個問題。為了很好的對一體化建設(shè)進行支持，DCS采用了集中控制與分散控制相結(jié)合的方式，在統(tǒng)一的系統(tǒng)內(nèi)來完成分散的控制流程。簡單來說，就是通過對一級機的人機交互來達到對設(shè)定參數(shù)的控制，比如爐內(nèi)溫度、發(fā)電機負載、除塵設(shè)備運行等；而二級機則為具體的控制單元則根據(jù)一級機的指令訊號進行自動化操作，如當人機互動對于爐內(nèi)溫度進行提升操作時，一級機的指令僅為爐內(nèi)溫度提升(數(shù)控訊號)而二級機則更具預設(shè)的終端對不同的設(shè)備進行預控操作，包括進煤量的增加、進氧量的增加、出煙口擴大、除塵設(shè)備功率提升等。通過上述體系的構(gòu)建能夠?qū)⒔y(tǒng)一的工作分解為具體的設(shè)備管理，進而降低了計算機的負載，能夠更為有效的完成相應的設(shè)備控制。

3 電廠電氣一體化體系構(gòu)建

所謂電廠電氣一體化設(shè)計主要是實現(xiàn)電廠整個運營周期內(nèi)的數(shù)字一體化建設(shè)，并通過數(shù)字一體化體系達到對電廠進行監(jiān)控、與控制的目的。在具體的構(gòu)建過程中可以分為自動化建設(shè)與信息化建設(shè)等兩個層面。其中信息化建設(shè)為自動化建設(shè)提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并為后續(xù)的電廠運營提供數(shù)據(jù)依據(jù)與決策輔助；而控制自動化則是電廠一體化建設(shè)的核心，通過對于電氣控制一體化的構(gòu)建來實現(xiàn)對于電廠各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的集中與遠程控制，提高控制效率與生產(chǎn)的安全性。在實際的構(gòu)建過程中分為如下模塊：

數(shù)據(jù)采集模塊：數(shù)據(jù)采集模塊是指通過傳感器對相應的生產(chǎn)與運營數(shù)據(jù)進行采集，此階段通過電廠設(shè)計與施工的過程中進行同步建設(shè)。包括爐內(nèi)數(shù)據(jù)采集、輔助設(shè)備數(shù)據(jù)采集以及運營參數(shù)采集的若干個部分。通過數(shù)據(jù)采集能夠為后續(xù)的運行監(jiān)控以及具體的管理決策提供必要的數(shù)據(jù)支持。

數(shù)據(jù)分析模塊：數(shù)據(jù)分析模塊是基于DCS構(gòu)架中的核心部分，通過數(shù)據(jù)采集模塊收集的各類信息在統(tǒng)一的計算機平臺內(nèi)進行支持與處理，在具體的處理過程中主要分為數(shù)據(jù)處理以及虛擬電廠的可視化處理兩個部分。所謂的數(shù)據(jù)處理是通過基礎(chǔ)的信息收集來計算或者評估相應的可視化數(shù)據(jù)的過程。一般是由計算機后臺來獨立完成的。通過相關(guān)函數(shù)以及參數(shù)的設(shè)定來計算出合規(guī)的數(shù)據(jù)體系。如利用進口處氧含量以及出口處氧含量來評估爐內(nèi)的燃燒效率；或者計算二氧化硫去除效率等。另一方面則是基于人機互動目的的可視化模擬電廠的數(shù)據(jù)分析過程。利用軟件預設(shè)等方式對電廠的可操作部分進行模擬，構(gòu)建出3D的模擬電廠環(huán)境，并根據(jù)不同的控制節(jié)點對其進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合，來方便人機互動式的可視化程度與操作便利度。

數(shù)據(jù)存儲模塊：存儲模塊是指在數(shù)據(jù)處置后需要對操作過程以及操作基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行保存，其中操作步驟以及運營數(shù)據(jù)的保存更為重要。在具體的實現(xiàn)環(huán)節(jié)中主要通過獨立數(shù)據(jù)庫或者計算機終端的方式對一定時間內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)進行保存。通過此種方式解決數(shù)據(jù)調(diào)用與控制一體化系統(tǒng)的沖突。

數(shù)據(jù)控制模塊：主要是指通過人機互動平臺來實現(xiàn)對一級機內(nèi)參數(shù)的控制，并通過通訊系統(tǒng)達到一級機對二級機以及其他下級機的控制，最終達到對設(shè)備控制的目的。

其他輔助模塊：除了上述的模塊建設(shè)之外，在具體的設(shè)計過程中還需要包括電氣弱電支持、無線通訊支持等輔助模塊，這個可以根據(jù)電廠建設(shè)的實際情況來進行選取。

4 DCS構(gòu)架技術(shù)發(fā)展研究

通過上文的分析，我們可以確定電廠電氣一體化是保障電廠正常運行，安全生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。而在整體的一體化建設(shè)過程中DCS系統(tǒng)的技術(shù)開發(fā)與發(fā)展對其起到了至關(guān)重要的支撐作用。在這樣的背景下，我們有必要對現(xiàn)階段DCS技術(shù)發(fā)展進行總結(jié)。從現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀來看，其發(fā)展主要分為如下幾個部分：

第一，結(jié)構(gòu)變化的發(fā)展。傳統(tǒng)DCS是采用單一的上級機對下級機的訊號傳輸來實現(xiàn)人機互動的，而下級機則是通過與相關(guān)設(shè)備的繼電聯(lián)系來實現(xiàn)對特定設(shè)備進行控制的。而此種構(gòu)建模式對于通訊質(zhì)量以及設(shè)備運行的可靠度由較高的要求，即當下級機出現(xiàn)設(shè)備故障時，上級機則無法對設(shè)備進行有效的控制。為了解決這個問題，現(xiàn)階段DCS采用了網(wǎng)狀連接的方式來進行，即在下級機水平內(nèi)構(gòu)件備機的模式來應對下級機的設(shè)備故障，同時采用多臺下級機對于有限設(shè)備進行共同管理的方式來保障的系統(tǒng)構(gòu)建的合規(guī)性與有效性；

第二，安全體系的發(fā)展。電廠系統(tǒng)是一種對于安全性要求相對較高的系統(tǒng)，如果出現(xiàn)了信息外泄或者控制源漏洞則會對電廠的運營產(chǎn)生不可估量的損失，為了避免此種現(xiàn)象的產(chǎn)生。一方面電廠采用非聯(lián)網(wǎng)的方式對DCS進行構(gòu)建；另一方面也采用了核心部件加密加殼的方式來予以保護，尤其是對于虛擬電廠等人機互動的可控制核心的保護進行升級改造，通過限定通訊IP、限定通訊位點等方式來提高其安全性。

第三，對控制一體化進行構(gòu)建。DCS除了傳統(tǒng)的一體化建設(shè)之外，還對于區(qū)域內(nèi)的無線控制提供了更為多元化的接口，尤其是數(shù)據(jù)查詢等單項的傳輸通道可以采用開放式接入的模式來進行。此種技術(shù)升級方便了電廠的相關(guān)員工對于設(shè)備進行現(xiàn)場檢修的便捷度，在現(xiàn)場則可以通過開放式端口來實現(xiàn)對設(shè)備運行情況的實施監(jiān)控，進而提高了設(shè)備的維護效率，也方便其在具體問題層面上的判斷。

第四，對于變頻技術(shù)的開發(fā)與應用。變頻器作為控制系統(tǒng)的一個重要功率變換部件，以提供高性能變壓變頻可控的交流電源的特點，前些年在火電廠小型電機(如給粉枧、凝泵)等控制上的應用，得到了迅猛的發(fā)展。由于變頻調(diào)速不但在調(diào)速范圍和精度，動態(tài)響應速度，低速轉(zhuǎn)動力矩，工作效率，方便使用方面表現(xiàn)出優(yōu)越性，更重要的是節(jié)能效果在經(jīng)濟及社會效益上產(chǎn)生的顯著效應，因此繼一些中小型電機上普遍應用后，近年來交流變頻調(diào)速技術(shù)，擴展到一些高壓電機的控制上試用，如送、引風機和給水泵電機轉(zhuǎn)數(shù)的控制等。

5 結(jié)語

DCS構(gòu)架是構(gòu)建電廠電氣一體化的核心。本文以電廠電氣一體化為研究目標對其具體的一體化建設(shè)過程與模塊構(gòu)建體系進行了分析，通過本文的分析找到了基于DCS一體化建設(shè)系統(tǒng)的優(yōu)越性以及基本過程。并結(jié)合現(xiàn)階段DCS構(gòu)架技術(shù)的發(fā)展對其先進技術(shù)進行了總結(jié)。希望通過本文的研究能夠為今后的相關(guān)體系建設(shè)以及現(xiàn)有體系升級改造提供必要的理論基礎(chǔ)與實踐指導。

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楊廣東(1979—),男,江蘇徐州人,工程師,研究方向:電廠自動控制,熱工自動化,DCS。