電廠輔助車間控制方式比較與選擇

孫曉紅

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

摘要：針對當前電廠建設特點，對輔助車間控制系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)控制網(wǎng)(BOP)選擇DCS還是PLC技術(shù)進行比較，并提出建議。

關鍵詞：輔助車間；控制方式；DCS；PLC；方案比較

收稿日期：2015-07-17

作者簡介：孫曉紅(1969—)，女，山西沁源人，高級工程師，從事電廠儀表與控制設計工作。

1DCS及PLC介紹

近年來，隨著分散控制系統(tǒng)DCS的價格走低，越來越多的電廠開始采用分散控制系統(tǒng)來實現(xiàn)輔助車間的控制。DCS為分散控制系統(tǒng)(DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)的英文簡稱。它以屏幕顯示、計算機技術(shù)、控制技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)為基礎，突出數(shù)據(jù)共享、控制功能分散、危險分散、管理和顯示集中的設計理念。DCS控制器內(nèi)部固化有多任務按優(yōu)先級搶占方式調(diào)度的實時操作系統(tǒng)。在每一調(diào)度周期，只有當前申請運行的最高優(yōu)先級任務可以獲得CPU控制權(quán)，并投入運行。更高優(yōu)先級任務可以打斷較低優(yōu)先級任務的運行，搶占CPU控制權(quán)。

PLC是模仿原繼電器控制原理發(fā)展起來的，一個PLC控制器可以控制若干個順序控制任務同時運行。PLC每完成一次全部順序任務程序步，稱為一個掃描周期，其掃描周期在1 ms到幾十毫秒之間。

2輔助車間控制系統(tǒng)采用PLC或DCS方案比較

2.1DCS的多任務運行環(huán)境更適合電廠應用

DCS和PLC的任務調(diào)度方式不同，DCS的多任務運行環(huán)境更適合電廠應用。

PLC控制器對突發(fā)事件的實時響應能力不如DCS高，其采用固化的、按預先設定的步序和循環(huán)調(diào)度的方式來保證系統(tǒng)運行的高可靠性。當CPU負荷較大時，PLC往往不能及時響應通信請求。且隨著PLC的工作負荷增加，其實時性迅速下降。

DCS的特點是系統(tǒng)實時響應能力強，但因其實時操作系統(tǒng)內(nèi)部任務調(diào)度和共享資源管理復雜，系統(tǒng)理論可靠性相對PLC略低。但多年來投運的機組證明DCS實時操作系統(tǒng)及應用軟件已經(jīng)成熟，系統(tǒng)可靠性不亞于PLC，而其固有的強大多任務實時響應能力相比PLC更加適合于工業(yè)控制應用。

隨著競價上網(wǎng)、大客戶直供電的推行，為確保供電質(zhì)量和提高經(jīng)濟性，對輔助車間控制系統(tǒng)的實時性要求迅速提高，要求各相關控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換能及時、完整，對控制設備操作靈敏、反應迅速、處理正確、紀錄準確，常規(guī)PLC控制器已難以保證控制系統(tǒng)的實時響應能力。

2.2系統(tǒng)冗余能力比較

冗余配置技術(shù)在DCS中得到充分體現(xiàn)，其部件的冗余配置價廉便捷，配置時通常包含操作員站、服務器、控制器、網(wǎng)絡、電源、模件等主要部分。由于傳統(tǒng)使用習慣和技術(shù)原因，PLC控制器較少采用冗余配置。

系統(tǒng)冗余是提高控制設備可靠性，使其實現(xiàn)無人值守、長期自動運行的重要手段。采用DCS技術(shù)，能真正實現(xiàn)系統(tǒng)冗余，從而降低系統(tǒng)運行成本。

2.3DCS結(jié)構(gòu)更適合電廠輔機操作控制

DCS結(jié)構(gòu)更加適合地域分散的電廠輔機操作控制，過程控制站往往被設計成可以遠程/就地安裝使用，可以抵御更加惡劣的運行環(huán)境，如過程控制站控制器和I/O模件被密封封裝，沒有外露的電子元器件。

常規(guī)PLC控制器一般不具備現(xiàn)場安裝應用條件。

2.4DCS控制站功能更加強大

DCS控制站均固化了數(shù)百個控制算法模塊，甚至包括自適應控制、模糊控制、最優(yōu)控制等現(xiàn)代控制理論算法模塊，可以解決電廠的任何復雜控制課題。

PLC控制器的算法功能遠遠達不到DCS控制站的水平。

2.5人機界面的差別

早期的PLC控制器并沒有設計上位監(jiān)視操作軟件接口?，F(xiàn)代PLC控制器通常配備了通用數(shù)據(jù)接口，使用iFIX、inTouch等通用控制操作軟件，系統(tǒng)組態(tài)繁雜，還容易出現(xiàn)不同PLC品牌或不同工程組態(tài)單位使用不同操作、組態(tài)軟件的可能，需要在工程中及時協(xié)調(diào)，人機界面針對性差。

人機交互更加友好是DCS的特點，每個品牌DCS都有自己的專用組態(tài)、操作監(jiān)視軟件和實時數(shù)據(jù)庫，控制組態(tài)和人機界面組態(tài)簡單直觀，無需在具體工程中投入大量協(xié)調(diào)工作。

2.6采用的網(wǎng)絡技術(shù)的差別

PLC的發(fā)展動因與DCS不同，其早期產(chǎn)品并無網(wǎng)絡通信能力，只是后來的發(fā)展實踐促使其增加了網(wǎng)絡接口，具備了網(wǎng)絡通信能力。

DCS的誕生和發(fā)展就是與計算機網(wǎng)絡通信技術(shù)緊密聯(lián)系在一起的，其功能和危險分散設計原則就依托于網(wǎng)絡通信技術(shù)來實現(xiàn)。人們非常形象地將DCS的通信網(wǎng)絡比喻為數(shù)據(jù)高速公路，可見其網(wǎng)絡通信能力的強大。

以PLC控制器和DCS控制站的通信為例：

PLC控制器采用的是一種主從式通信協(xié)議，整個網(wǎng)絡系統(tǒng)必須設一個通信管理主站(網(wǎng)絡服務器)，它負責逐個查詢所有掛在網(wǎng)絡上的PLC控制器，以獲得其實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)，PLC控制器不會主動向外發(fā)送信息。如果這個通信管理主站故障，整個系統(tǒng)通信就會中斷。通信管理主站一般由某個操作員站兼任，或?qū)ＴO一臺通信服務器實現(xiàn)該功能。

大多數(shù)DCS采用廣播和點對點通信相結(jié)合的網(wǎng)絡通信協(xié)議。任一掛在數(shù)據(jù)高速公路上的設備均是其中一個站點，都能實時將自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息發(fā)至數(shù)據(jù)高速公路并接收其他站點發(fā)來的信息。數(shù)據(jù)高速公路就像一個大的實時數(shù)據(jù)庫，任何信息均可從網(wǎng)絡實時獲得。按照危險分散、功能分散原則設計的DCS系統(tǒng)無需網(wǎng)絡服務器、通信管理站。

2.7系統(tǒng)網(wǎng)絡接口能力比較

DCS可以提供多種標準網(wǎng)絡接口，可同時與多個第三方控制信息系統(tǒng)連接，系統(tǒng)開放性比PLC更好。

2.8I/O模件比較

PLC與DCS都配備了大量I/O模件。

PLC控制器通常采用機架式安裝，I/O模件僅用于提供現(xiàn)場數(shù)據(jù)的I/O通道，智能性較差，數(shù)據(jù)處理往往需由機架內(nèi)配備的專用I/O處理模件完成(同時負責數(shù)據(jù)通信)。

DCS過程控制站配備的I/O模件可以獨立工作，每個模件都設計配備CPU處理器和I/O總線接口，獨立完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理工作，模件智能化程度高。

PLC控制器的I/O模件往往不要求通道間隔離；而對于DCS而言，I/O模件的通道間隔離是基本要求。

PLC控制器最初被設計用于二進制順序控制，只是近年來對控制器功能要求提高，增加了模擬量采集控制功能，但模擬量控制功能終究是PLC控制器的“補丁”。

DCS從設計伊始就將模擬量控制作為自己最重要的控制功能之一，具有完善的軟硬件設計，可以輕松完成最復雜的模擬量控制功能。

2.9應用DCS便于實現(xiàn)全廠管控一體化

采用DCS完成電廠輔助車間控制能實現(xiàn)全廠控制系統(tǒng)一體化配置，有效減少備品備件和運行維護人員的勞動強度，更便于自動化管理，實現(xiàn)全廠管控一體化。

2.10事故分析能力比較

由于DCS獨具SOE功能、事故追憶功能、歷史數(shù)據(jù)記錄功能、更高級的報警功能，因此更便于事故分析。

2.11經(jīng)濟比較

DCS在20世紀90年代還是技術(shù)含量高、應用相對復雜、價格也相當昂貴的工業(yè)控制系統(tǒng)。隨著應用的普及，特別是國產(chǎn)DCS的推廣使用，DCS已經(jīng)走出高貴的神秘塔，變成大家熟悉的、價格合理的常規(guī)控制產(chǎn)品。最近國內(nèi)建設的進口DCS價格平均每個I/O點在400～700元之間，而國產(chǎn)DCS系統(tǒng)用于主廠房更是在400元以下，在輔助車間控制系統(tǒng)即使隨BOP-DCS配供分析儀表電源柜，也未超過550元。而高端PLC+PC的每個I/O點平均價格在700元上下。

綜上所述，DCS系統(tǒng)用于全廠輔助車間控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)可靠性更高、功能更強大、響應更快、信息更全面、開放性更廣、更便于實現(xiàn)全廠管控一體化、備品備件及維修成本更低、系統(tǒng)性能價格比更好的優(yōu)點。

3DCS在全廠輔助車間控制系統(tǒng)中的應用

火電廠DCS系統(tǒng)除了采用進口品牌外，還可采用國產(chǎn)和利時公司HOLLiAS-MACS、上海新華公司XDC-800、北京國電智深公司EDPF-NT等。

電廠全廠輔助車間采用DCS系統(tǒng)組成輔助車間控制網(wǎng)絡，能實現(xiàn)鍋爐補給水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、貯氨系統(tǒng)、電解海水制氯系統(tǒng)、海水淡化取水泵房、海水淡化系統(tǒng)、工業(yè)消防水泵房、中央空調(diào)系統(tǒng)、空壓機房、熱網(wǎng)首站、脫硫、除灰、燃油泵房、輸煤等設備的遠程聯(lián)網(wǎng)控制，除個別輔助車間保留巡檢調(diào)試操作員站外，現(xiàn)場無人值守，在集控室即可達到全廠一點監(jiān)控的目的。

采用DCS實現(xiàn)全廠輔助車間控制能夠?qū)崿F(xiàn)采用PLC難以實現(xiàn)的操作控制功能，具有更友好的操作界面、更完整準確的歷史數(shù)據(jù)紀錄、復雜控制算法等，能有效提高機組的運行穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，為全廠管控一體化打下了良好基礎，是建設信息化電廠的必由之路。