DCS應用于大型火電廠之現狀

近20年來，隨著全球經濟發展，特別是流程工業的經濟總量在迅速增長，對流程工業的需求也相應迅速增長。自動化儀表和系統逐步向數字化、智能化、網絡化、集成化過渡，現場儀表目前處于4～20mA DC常規儀表:HART標準儀表:現場總線儀表產量比為5:4:1的階段，而自動化系統處于DCS:PLC:IPC:SLP（含單回路調節器、無紙記錄儀、數顯式儀表）比為5:3:1.5:0.5的階段，實際上在大中型流程工業中HART、FF、PROFUBUS-PA現場儀表和DCS的應用比例更大些。本文重點研究大型火電廠用DCS，所以總的發展趨勢也側重于和自動化系統相關的技術和一些理念來進行闡述。
火電廠自動化的發展趨勢
現場儀表標準之戰結束，進入工程實踐階段，多種總線并存的局面已經形成。FF基金會現場總線技術主動融入DCS系統中，或者稱：經過互操作性認證的DCS系統是FF的主系統。目前已注冊的有11個公司的20個主控系統，涵蓋了世界上大部分DCS系統。這種理念已經得到工程實踐的考驗，而且形成共識，國內外已有在電廠采用現場總線的工程業績。
與信息技術（IT）融合。按照COTS（商業現貨技術 Commercial off-the-shelf Technology）的原則，采用快速以太網技術（包括TCP/IP等）作為廠級系統的主要網絡架構。
系統功能安全技術在實際流程工業的自控工程中已成為不可或缺的一部分，安全儀表系統（SIS）和流程工業安全完整性等級（SIL）認證體系正在形成。SIS和DCS融合或兼容的趨勢也逐漸形成。
EDDL設備描述語言和系統集成技術以及在此基礎上形成的設備管理系統（AMS）已經成為基礎自動化不可分割的一部分，而且逐漸擴大資產管理范圍，包括設備信息平臺、智能設備管理系統、機械設備管理系統、性能檢測系統等。目前資產管理系統在世界上已應用了1000多套，全生命周期的企業資產管理和工程管理的理念正在形成。
管控一體化和儀控、電控一體化正在統一構架下逐步實施，EPR/MES/PCS三層結構已形成共識，逐步實現基礎自動化與企業信息管理的無縫集成。馬達控制中心（MCC）及企業用電的配電系統等在基礎模塊智能化及采用現場總線技術的基礎上逐步納入以溫度、壓力、流量等信號為主的儀控系統中。
　　火電廠用DCS的特點
　　大型火電廠用DCS除去上述趨勢共性外，還有它固有的個性：
汽機、鍋爐等控制及安全要求復雜，燃料、水、灰等相關輔助設施龐大，產生的電能受電網調度要求高等，造成用于電廠的DCS應具有回路反饋控制、順序控制、混合控制等復雜控制功能，具有驅動多種執行機構的要求，完成復雜計算能力及先進控制（APC）功能。
由于FSSS對作為事件順序的操作記錄的要求很高，而且可能是多系統組合來完成該項功能，所以SOE的帶有時間戳的開關量輸入設備及相關功能是必須具備的。在時間同步方面控制工程網版權所有，除了DCS系統內時鐘同步方式，還有目前正興起的GPS衛星時間同步方式。
由于電廠的主要產品“電能”的特殊性及電網調度和電業管理的要求，電廠已推行“火力發電廠廠級監控信息系統技術要求”，電廠監控信息管理系統SIS的管控一體化方式是符合國情的技術，所以DCS與之銜接問題應該進一步落實。
電廠機電設備多，廠用電管理十分重要，關于儀控、電控一體化，在電廠建設中電工專業要積極地將其納入全廠大系統中，所以DCS應適應其要求，在I/O硬件及掃描周期、人機界面及增大系統容量等方面擴大功能，加速儀控、電控一體化的進程。
　　大型火電廠建設周期短，對主儀表供應商（MIV）要求能完成“交鑰匙”工程，所以MIV（或MAC 主自控承包商）不僅是DCS和儀表的制造商，而且應具有電廠建設的工程經驗，應該是集制造商、集成商、工程公司于一身。而且今后MIV方式會逐漸流行。另外，為了大型火電廠“瘦身”，專業的電廠自動化維修服務工程公司也應得到發展。所有這些將深刻地影響著DCS制造業的發展。
　　國外DCS系統現狀
　　DCS系統進入21世紀，在通信和信息管理技術、集成電路技術的進步以及工藝設備大型化的影響下，在節能環保和提高生產效率的需求下，形成了新一代的DCS，或稱為第四代DCS。在電廠方面，我們重點介紹國外ABB、西門子和艾默生三家相關產品。
　　1、ABB——在“Industrial IT”的架構下，由ABB 貝利 Infi 90 Open 形成的Symphony系統基礎上控制工程網版權所有，進一步開發了800系列的新產品，推出IndustrialIT Symphony最新的DCS系統。
　　其中，800XA系統通過了現場總線基金會的互可操作性測試（在擴大范圍的程序下的HIST測試）。800XA已有用于大型電廠的業績。在最新微電子技術基礎上，開發了采用MCF5407 CPU芯片的新一代在線控制與管理模件BRC300。主要節點類型有現場控制單元（HCU），人機系統接口操作站PGP（Power Generation Portal），系統組態和維護工具（Composer），計算機接口（ICI），網絡接口單元（IIL）。網絡接口單元IIL提供了多個控制網絡間數據交換能力；一個控制器模件可以控制上百個回路，監視上千個過程變量；控制層網絡以10 mbps的速度可在62500個節點之間傳遞信息，并仍具備“例外報告”等傳遞形式，發揮了智能數據鏈傳輸數據的優勢；模塊化結構可以按照工藝過程來配置DCS，保證被控制對象的獨立性，完整性；系統中最基本的電纜、端子單元、電源模塊，到最高層的控制模件、系統接口、通信網絡、都可以冗余配置，使系統具有高可靠性；系統分層劃分合理，控制與I/O分開的控制方式，提高了系統的可靠性；有先進而實用的工業控制算法，保留了積累多年的200多種功能碼；系統設計組態方便，保留了SAMA圖等方式。
　　ABB貝利在中國電力方面用戶多達200多個，新系統和老系統兼容，這有利于以后的設備改造更新。
　　2、西門子——在全世界已有超過1500套控制系統裝置，是成功的電力和I&C系統供應商。在我國電站中采用西門子的Teleperm系統較多。近年在“全集成自動化”的架構下，西門子推出SPPA-T3000系統，已經在國內電廠項目陸續使用。現就SPPA-T3000系統作一介紹。
　　SPPA-T3000通過基于對象的設計及嵌入式組件服務（ECS），實現了全新的集成系統體系結構。使用XML和Java技術，其應用不受任何操作系統或硬件平臺兼容性的限制，信息從最底層的現場設備直達控制室、辦公室或企業層，無需通過不同網關或軟件接口，消除映射數據交換和子系統通訊，避免了額外的處理時間、管理負荷及多重軟件版本而導致的多重故障點和更多的維護工作。SPPA-T3000提供了一個用于工程設計、組態、調試運行診斷和服務的單一用戶界面，每個對象都嵌入了所有必要的信息和接口，無需授權軟件。簡便的系統體系結構允許軟硬件的即插即用，還采用了大量新技術，例如嵌入式互聯網技術、TCP/IP通訊等，提供了與公司信息管理一起開發I&C結構的可能性。橫向集成可以做到從項目投標階段到運行維護階段，SPPA-T3000總是提供相同的用戶接口和功能，信息只記錄一次，然后在項目的設計等階段一直沿用，做到支撐整個生命周期，能夠做到不同地點的工程師采用遠程訪問同時工作。軟件體系結構方面，由于采用了ECS方式，沒有中央數據庫來存儲或編輯數據，因此不會引起性能或容量的瓶頸，形成了一個組合單元進行數據的無縫集成和交換。人機接口站可以采用標準PC、筆記本電腦、移動PAD，無需裝任何系統軟件，軟件體系結構的主要優勢總結為：全集成（任何時間的一致性視圖，無子系統界定，集成汽輪機控制系統）、硬件平臺無關性、開放性。硬件體系結構方面，有如下四項組件層構成：用戶接口（站）、電力服務（器）、網絡（包括工業以太網及PROFIBUS-DP）、過程接口。
　　其中，過程接口為分散的ET200M I/O系統，使用PROFIBUS-DP與SPPA-T3000相連，PROFIBUS通信具有開放性，可以自由選擇集中與遠程安裝，可連接馬達控制中心（MCC）。
　　過程接口有標準I/O模件和特殊模件。標準模件為ET200M系列I/O模件控制工程網版權所有，包括電源模件、總線模件、接口模件、信號模件，可做到冗余及模件熱插拔。ET200站通過安裝于主板的PROFIBUS-DP通訊處理器連接到電力服務器（AP）。這使SPPA-T3000與西門子的通信產品S7（PLC）、PCS7（DCS）有了一個通用的硬件平臺，對提高性價比及備品備件管理等很有利。
　　特殊模件：主要指用于汽輪機控制的AddFEM高速I/O模件控制工程網版權所有，可以冗余設置，具備模擬量和數字量的輸入和輸出及速度信號輸入，具有短路保護。有快速準確的信號采集時間，與專用的FM458自動處理器擴展模件一起，可實現高性能要求的精確應用。
　　3、艾默生——在并購基礎上形成的艾默生過程控制公用事業部發表了“PlantWeb 數字化工廠管控網”，它涵蓋了DeltaV 和Ovation。Ovation是其前身西屋過程控制公司于1997年推出，是WDPF的更新換代產品，在電廠獲得了廣泛的應用?，F對Ovation介紹如圖1。

Ovation 網絡是一個完全確定的實時數據傳輸網絡。采用COST技術，網絡相關硬件極易在市場上購得，不使用特殊網關、接口、網橋，具有所有網絡的特性，如冗余、同步、確定和令牌傳輸，在與以太網、快速以太網、令牌環或其他拓撲結構相連時，使用TCP/IP，可以構成局域網（LAN）和廣域網的信息系統。特性如表一所示。
Ovation控制器：采用32位Intel 系列處理器及PCI總線，內嵌多任務實時操作系統（RTOS），內置Ovation和WDPF I/O接口；具有同時處理5個過程控制任務（由I/O過程點掃描，算法執行和輸出掃描組成），掃描頻率從10ms到30s；每個控制器可以運行多達6000個控制組態頁文件；SOE記錄下用戶設定的數字量輸入變化狀態序列的分辨率為1/8ms（控制器間的時間分辨率為1ms）；網絡接口、功能處理器內存和網絡控制器、處理器電源、I/O電源、輸入電源、輔助電源、I/O接口，遠程I/O通信介質均可以冗余設置，實時應用能夠實現無擾動的冗余切換；控制器I/O能力為模擬量1024點，數字量（包括SOE點）為2048點，遠程I/O最多8個節點，64個模塊。
　　Ovation控制器支持FF，Profibus-DP，DeviceNet三種現場總線標準，每個Ovation控制器最多支持24個網段（FF H1總線），還可以采用以太網方式連接FF智能現場儀表。
　　另有仿真控制器仿真I/O和先進控制器，后者支持多變量控制（MPC）等先進控制。
　　Ovation控制器的技術可以用于同步多于一個工廠的生命周期內所需要的升級，技術永遠移向更新和更好的平臺，而且確保操作和維護成本更低。
操作員用戶界面有三個標準平臺：PC（windows），UNIX（solaris）和Java瀏覽器；操作員站允許對200,000個動態點進行訪問，具有快速直接訪問信息的能力。歷史報警清單有5000條報警，具有過濾功能，將報警送至特定站或整個系統，即每個報警可以特定地表示它所在的控制區域；過程畫面可超過25000幅；工程師站除包含了操作員站的功能外，還能提供創建編輯和下載過程圖像、控制邏輯和過程點數據庫的必要工作，還包含“工程工具”用于組態和維護，提供一套安全、簡單易用的圖形界面重要數據庫。
　　Ovation 歷史站具有高速、高效和高度靈活的特點，過程數據可以以0.1秒或1秒的時間間隔掃描和存儲，可存20000個實時過程數據點；基本歷史站軟件包可將收集到的數據歸檔到光盤內，以便長期存儲；通過模擬量數據壓縮模塊，可優化存儲內存；可完成SOE列表，并搜尋列表后首發事件。
　　相應軟件系統中，組態建立器（Builder）、控制建立器、圖形建立器、安全建立器、測點建立器，高效工具數據庫等構成一套高效工具，如安全建立器提供安全保護機制，可就地和遠程兩種安全保護，允許定義多個級別進入系統，可按用戶姓名或設備功能甚至逐點分別設置安全界面。
　　國內DCS系統現狀
　　近20年來，國內在原來DDC直接數字控制技術自行研發和工控機應用的基礎上，在對國外DCS的工程應用及技術引進的基礎上，逐漸形成了獨立自主的DCS產業，特別是在大型火力發電廠中的應用國產DCS已取得了可喜的業績?，F對國電智深、和利時、上自儀三家相關DCS進行介紹。
　　1．國電智深——在多年DCS應用實踐經驗的基礎上，在技術引進的基礎上，形成了具有自主知識產權的EDPF-NT、EDPF-NT+和EDPF-BA的EDPF系列產品。其中EDPF-BA在傳統的DCS框架下進一步融合PLC的特點?，F以火電廠應用較廣的EDPF-NT進行闡述。
EDPF-NT系統網絡采用100Mbps或1000Mbps交換式工業以太網，拓撲結構為星形/環形/樹形，可實現多重化冗余。如河北龍山電廠一期2×600MW DCS項目中單元機組DCS為環形網絡，公用DCS為星形網絡，其之間通過專用網絡路由器實現隔離。這樣可以保持網絡的相對獨立，又可保證兩臺單元機組之間操作備用和操作互鎖。網絡負荷＜10%，提高了通信的可靠性。
　　采用專用路由器公用系統方案的多廣播域技術，可達250個域×250個站，做到不增加網絡負荷率。
控制器采用Pentium 400M Hz CPU，為獨有的模塊式設計，冗余配置，最快處理周期50ms，控制處理能力為999個控制頁。
I/O除溫、壓、液、流等輸入信號外，還有電壓、電流、電氣PT和CT信號，頻率和脈沖等，而且采取強化結構設計，全封閉機構，防塵、防靜電、抗電磁干擾，采用光電隔離技術，實現與外部的電氣隔離和各回路的電氣隔離，有專門的SOE模件，容許模擬量輸入模件不同信號類型混排，模擬量輸入精度為0.1%。采用Profibus-DP技術。環境溫度為-20℃～65℃，濕度10%～95% RH。
各級供電電源采用冗余電源及配電裝置。
人機界面為全中文，畫面刷新時間＜1s。
　　操作響應時間＜2s，畫面數據刷新時間＜0.5s。
實時數據庫容量250×5120點，可做到不同控制器點名可重名。10萬點數據更新占CPU2%的負荷以下，4萬點檢索占CPU8%負荷以下。
關于SOE時間順序記錄功能是通過高精度GPS授時裝置，經控制器為各SOE模件提供高精度的同步時鐘信號，做到整個系統SOE的分辨率＜1ms。
控制算法做到跟蹤狀態、串級跟蹤、低選跟蹤、高選跟蹤、升禁止，降禁止，到達高限，到達低限等8種約束狀態的動態判斷及在這些約束狀態下的快速返回，提高了控制回路的響應速度，可滿足超臨界機組對控制快速性的要求。
EDPF-NT的DEH系統控制周期可小于10ms，系統控制精度高，智能型的伺服、功放功能合一的模塊，使系統簡潔可靠，和整個DCS系統同在一個高速數據公路上，實現系統級上的一體化。
可靠性：可利用率＞99.95%，網絡、控制器、電源、重要I/O卡均可冗余。
　　2．和利時：自90年代以來，歷經了HS-DCS-1000、HS-2000、MACS直至現今主推的HOLLIAS系統，在大型火電廠中主要使用HOLLIAS-MACS-S，有符合汽輪機控制要求的HOLLIAS DEH（汽輪機數字式電液控制系統）和ETS（汽輪機緊急跳閘系統），和HOLLIAS-MACS構成一體，滿足大型電廠控制和安全保護的要求。在管控一體化方面，HOLLIAS具有MES功能，在開放的實時/關系數據庫基礎上，有子系統模塊，可以滿足電站信息化的需求。
　　3．上自儀：上海自動化儀表股份有限公司經歷了100年的歷史積淀和16年的創新發展，成為國內首家自動化儀表行業的上市公司，而且成為上海電氣集團的一部分。與國家核電共同組建了國核自儀系統工程有限公司，逐步做到具備核電工程儀控系統設計、控制系統集成、核電儀控設備成套供應等的能力，并擁有自主知識產權，形成較大規模批量化建設中國品牌核電站的能力。
　　大型火電站采用MAX DNA 的DCS于2007年5月完成湖北襄樊電廠2×600MW超臨界機組自控工程投入商業運行，至此，躋身于國產DCS應用于大型火電站的行列。上自儀DCS產業起源于1991年，作為國家DCS產業的布點項目，在當時的經貿委、機械部、電力部的主導和推進下，技術引進美國利諾（Leeds & Northup）公司的MAX1000分散型控制系統及其工程技術，該公司現更名為Metso Automation MAX Control Inc.，是具有80多年歷史的電站控制系統產品制造商和服務提供商，是世界上最早的全電子控制系統的公司之一。上自儀開發了具有自主知識產權的SUPMAX500，SUPMAX800，2000年在山東章丘2×135MW機組上SUPMAX800獲得成功，實現了DAS，MCS，FSSS，SCS，ECS，BLS，DEH，ETS等功能。爾后又完成SUPMAX1000（升級為MAX DNA）及SIMAX的產品鑒定。上自儀是一個I&C（儀表和控制）業務全面的公司，制造的監測儀表、執行器可適用于電廠。所以向工程總承包過渡，成為MIV（或MAC）的可能性很大。關于電廠工程經驗方面，直接能量平衡（DEB）已有多年實踐經驗。DEB能夠最大限度地利用鍋爐的儲存能量，驅動汽機調解法，從而在最大變化率下獲得負荷需求的線性響應，協調鍋爐和汽機運行，提供限制和甩負荷動作，確保發電機組的安全性，在設備受到限制或不能響應時限制其變化率，仍繼續能保持機組的運行。所以上自儀組建火電廠I&C的工程公司是有基礎的。

DCS分析比較的結論
　　通過上述三章的綜述，可以看出國產DCS已經達到或接近國際先進水平。
反映水平的技術指標具體是指網絡結構、硬件體系、軟件體系及系統容量、系統實時性、系統人機界面、系統現場借口、系統控制功能、系統精確度、系統靈活性和可擴展性、系統可靠性、可用性、可維護性、系統穩定性和系統安全性等。如何進一步科學地評比這些指標，是當今制造業的任務。
國產DCS的性價比高，適合在300MW以下機組中選用，在600MW以上機組可逐步擴大應用范圍。
國內DCS企業對大型電廠的工程能力有待在實際工程鍛煉中進一步提高。
國內DCS企業應加強研發力量，在DCS中盡快解決與FF、Profibus-PA等現場總線儀表連接的工程實踐，EDDL設備描述語言技術，可互操作性技術的應用等專項技術。
加強管控一體化，電控、儀控一體化的應用技術的工程實踐，特別是加強“資產管理”專項技術的實踐。
加強功能安全技術的研究。
在引進國外特大型機組DCS應用工程中，把國內制造廠作為最終用戶的伙伴，參加進去，從中吸取國外先進技術和工程管理經驗，并為最終用戶在該機組的運行、維護保駕護航。