分散控制系統(tǒng)物理分散應(yīng)用探討

摘要：針對當(dāng)前大型燃煤機(jī)組分散控制系統(tǒng)(DCS)物理分散方案進(jìn)行了探討,簡單介紹了采用DCS物理分散方案的電廠實(shí)際應(yīng)用情況，重點(diǎn)對主廠房采用側(cè)煤倉布置的DCS物理分散方案進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。采用DCS物理分散布置。可大幅減少電纜、橋架用量和施工費(fèi)用，并提高DCS的性能；同時(shí)由

前言
分散控制系統(tǒng)(DCS)自上世紀(jì)八十年代開始在國內(nèi)作為火電廠的主要控制系統(tǒng)，使火電廠的控制水平得到極大提高。但早期DCS在國內(nèi)的應(yīng)用只實(shí)現(xiàn)了功能分散，而其物理分散基本上沒有被采用。隨著DCS電子設(shè)備抗干擾等級(jí)的提高，設(shè)備更可靠，尤其是2000年300MW燃煤機(jī)組示范電廠的設(shè)計(jì)和由此在實(shí)際實(shí)施中所產(chǎn)生的成效，使DCS的物理分散方案越來越受到各方面的重視和關(guān)注。本文將對遠(yuǎn)程1/0(站)的應(yīng)用以及將鍋爐和汽機(jī)電子設(shè)備間分散布置的DCS物理分散方案進(jìn)行論述，并結(jié)合采用不同類型主廠房布置方案的電子設(shè)備間物理分散布置應(yīng)用情況進(jìn)行分析和探討，尋求合適的機(jī)組DCS分散方案，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)今業(yè)主"高質(zhì)量、低造價(jià)"的目標(biāo)。
DCS物理分散可采取遠(yuǎn)程I/O(站)、電子設(shè)備間(DCS控制站)分散布置等實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)則是最大程度的物理分散方案。DCS物理分散涉及到DCS通訊和抗干擾條件、遠(yuǎn)程I/0和遠(yuǎn)程控制站應(yīng)用等，本文將對上述內(nèi)容進(jìn)行闡述，并簡單介紹當(dāng)今廣為關(guān)注的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，最后對各類DCS物理分散方案進(jìn)行說明并進(jìn)行方案比較和經(jīng)濟(jì)效益分析。
一、主要DCS通訊和抗干條件
西屋公司的Ovation系統(tǒng)采用TCP/IP協(xié)議通訊網(wǎng)絡(luò)，通訊速率為100Mbps，以光纖為介質(zhì)，兩站之間距離可達(dá)2km。超過2km時(shí)，可選擇單模光纖，兩站之間距離可達(dá)60km。
ABB公司Symphony系統(tǒng)中用于過程控制和過程管理數(shù)據(jù)交換的控制網(wǎng)絡(luò)為Cnet，Cnet的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)用于連接現(xiàn)場控制站HCU(DPU柜)、人機(jī)系統(tǒng)接口和系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)工具，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)使用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸為10Mbps，可采用同軸電纜和光纖介質(zhì)，相鄰兩節(jié)點(diǎn)之間的距離可達(dá)2km。
西門子公司的T-XP系統(tǒng)的電廠總線用于AS620自動(dòng)控制系統(tǒng)(DPU柜)、0M650過程控制和管理系統(tǒng)的處理器PU/SU、ES680工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)處理器ES和DS670診斷系統(tǒng)處理器DS之問的通訊。終端總線用于PU/SU、OM650操作終端(操作員站)、ES680操作終端ET(工程師站)和DS670操作終端DT之間的通訊。電廠總線和終端總線均是通過使用光纜的局域以太網(wǎng)建立起來的，采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的碰撞檢測(CSMA/CD)協(xié)議，最遠(yuǎn)距離可達(dá)4.3km。
Mestso公司的MAX-DNA系統(tǒng)采用MAXnet通訊網(wǎng)絡(luò)連接工程師站、操作員站和機(jī)柜RPU(DPU柜)。MAXnet通訊網(wǎng)絡(luò)采用100Mbps的交換式以太網(wǎng)，支特雙絞線和光纖介質(zhì)，當(dāng)機(jī)柜距離控制室低于180m時(shí)可采用雙絞線，超過180m時(shí)需采用光纖介質(zhì)，最遠(yuǎn)距離可達(dá)2km以上。
上海福克斯波羅的I/A Series系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)按節(jié)點(diǎn)的概念來構(gòu)成，I/A Series系統(tǒng)各個(gè)站(控制處理機(jī)，應(yīng)用操作站處理機(jī)等)通過節(jié)點(diǎn)總線(Nodebus)相互連接形成過程管理和控制節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)總線符合IEEEF8002.3標(biāo)準(zhǔn)，采用總線形式，傳遞媒體為同軸電纜或光纜，通訊管理方式采用碰撞檢測(CSMA/CD)方式，數(shù)據(jù)傳輸率為1OOMbps，節(jié)點(diǎn)總線最大長度可達(dá)700m。控制處理機(jī)通過現(xiàn)場總線和現(xiàn)場總線組件連接，現(xiàn)場總線采用雙絞線時(shí)最大長度可達(dá)1.8km，采用光纜時(shí)可達(dá)2Okm。
從以上幾家在火電廠常用的DCS來看，DCS廠家的高速數(shù)據(jù)總線的通訊距離均能滿足在主廠房內(nèi)分別建立鍋爐、汽機(jī)電子設(shè)備問的物理分散要求。
上述幾家主要DCS廠商的I/0模件均能夠適應(yīng)0~40℃環(huán)境溫度，5%-95%的相對濕度，振動(dòng)達(dá)到0-2OOHz，0.75G，完全能適應(yīng)汽機(jī)房振動(dòng)較大的環(huán)境，抗電磁干擾符合CE和IEC標(biāo)準(zhǔn)，所以說各DCS廠商的I/0模件抗物理干擾的問題都得到很好的解決，完全適合在汽機(jī)房建立電子設(shè)備問的要求。
二、遠(yuǎn)程I/O和遠(yuǎn)程控制站
常用的遠(yuǎn)程I/0有國產(chǎn)遠(yuǎn)程I/O和DCS一體化遠(yuǎn)程I/0之分。
國內(nèi)儀表生產(chǎn)商早已成功地開發(fā)出分布式測控網(wǎng)絡(luò)，比較有代表性的有南京總參工程兵學(xué)院微機(jī)測控技術(shù)研究所開發(fā)的893-數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，無錫華東電站儀表廠的HD-2000SCADA智能分布式測控系統(tǒng)(IDCB)和無錫貝爾自動(dòng)化儀器儀表有限公司IDAS-3000系列分布式智能測控網(wǎng)絡(luò)(IDAS)。智能數(shù)據(jù)采集前端采用密封結(jié)構(gòu)，可防塵防潮，適應(yīng)環(huán)境溫度超過-20~60℃，就近布置于生產(chǎn)設(shè)備附近，通過串行總線和置于主機(jī)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)適配器與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。一個(gè)采集網(wǎng)絡(luò)可掛50塊黑匣子，一塊黑匣子一般具有20個(gè)左右的通道。十多年來，分布式測控網(wǎng)絡(luò)己大量應(yīng)用于火電廠數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在小機(jī)組生產(chǎn)過程監(jiān)控方面應(yīng)用也非常廣泛。目前在大型火電廠其應(yīng)用范固主要為鍋爐金屬溫度、發(fā)電機(jī)本體溫度(線圈、鐵芯和冷卻水溫度)、輔機(jī)電機(jī)線圈溫度等的采集。雖然智能采集前端可構(gòu)成開關(guān)量控制和簡單模擬量調(diào)節(jié)回路，但基于火電廠系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性，這些功能在火電廠沒有得到象石化等行業(yè)那樣廣泛的應(yīng)用。目前國內(nèi)大多廠商的智能采集系統(tǒng)采取自身不設(shè)上位機(jī)(工控機(jī))的方式直接與大多數(shù) DCS實(shí)現(xiàn)通訊連接，統(tǒng)一了平臺(tái)，簡化了控制室布置并保持了人機(jī)接口的協(xié)調(diào)一致性，提高了電廠的自動(dòng)化水平。
在DCS中采用遠(yuǎn)程I/0具有以下突出的優(yōu)點(diǎn):
(1)可靠性高。遠(yuǎn)程I/0采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，還可根據(jù)具體情況對主機(jī)和前端設(shè)置一定的冗余備份。
(2)遠(yuǎn)程I/0產(chǎn)品的智能化，可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、冷端溫度補(bǔ)償、工程單位變換、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、非線性補(bǔ)償、上下限報(bào)警、自檢、自校正、自診斷等功能，使DCS主機(jī)的負(fù)荷率減小和系統(tǒng)精度提高。一部分原來直接進(jìn)入DCS的I/0信號(hào)采用遠(yuǎn)程I/0后，在遠(yuǎn)程I/0中進(jìn)行預(yù)處理，并將處理的結(jié)果以數(shù)字通訊方式傳給主機(jī)。
(3)系統(tǒng)可更為分散，以節(jié)省信號(hào)電纜，減少調(diào)試工作量。
DCS一體化的遠(yuǎn)程I/0和遠(yuǎn)程控制站的應(yīng)用在較大范圍內(nèi)解決了由DCS控制的各分散輔助(車問)系統(tǒng)電纜連接問題，國內(nèi)電廠在這方面的應(yīng)用主要集中在燃油泵房和循環(huán)水泵房的監(jiān)控。
現(xiàn)場總線是指在生產(chǎn)現(xiàn)場的測量控制設(shè)備與控制中心之間采用全數(shù)字、雙向、串行、多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)，基于這種開放型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的新一代的全分布控制系統(tǒng)稱為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)。FCS具有互操作性、開放性、分散性、經(jīng)濟(jì)性、系統(tǒng)精度高、可維護(hù)性等優(yōu)點(diǎn)。但目前被確認(rèn)的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)多達(dá)十種，不同的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間是不能夠直接進(jìn)行互連和通訊的。因而在火電廠自動(dòng)化系統(tǒng)選型時(shí)，DCS仍然是目前工程應(yīng)用選型的主流，而目前FCS在電廠的局部區(qū)域(如化學(xué)補(bǔ)給水處理系統(tǒng))只取得少量應(yīng)用。
4.l DCS構(gòu)理分散原則
DCS物理分散的一般原則是按照工藝系統(tǒng)的布置和特點(diǎn)，在機(jī)組爐、機(jī)分開的基礎(chǔ)上，按工藝系統(tǒng)區(qū)域劃分電子設(shè)備間。采用DCS物理分散后，各控制站的劃分則以工藝系統(tǒng)為主，結(jié)合控制功能(機(jī)組協(xié)調(diào)和復(fù)雜模擬量控制單獨(dú)設(shè)站)的原則進(jìn)行。
4.2 內(nèi)媒倉和外媒倉DCS物理分散方案簡介
黃石電廠"大代小"2×330MW機(jī)組工程采用中間貯倉鋼球磨制粉系統(tǒng)，煤倉間布置在主廠房鍋爐的后部，即外煤倉布置方案。配合主廠房布置，集中控制室布置在兩爐間的小型樓的運(yùn)轉(zhuǎn)層，在集中控制室兩側(cè)設(shè)置每臺(tái)鍋爐的電子設(shè)備間，在汽機(jī)房靠近機(jī)頭側(cè)的8.2m層按照模塊化布置各自汽機(jī)的電子設(shè)備間。由于汽機(jī)電子設(shè)備間直接布置在汽機(jī)房，因而節(jié)減了大量電纜和橋架，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。
由中南電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)完成的其它采用DCS物理分散的30OMW級(jí)電廠，主廠房多采用內(nèi)煤倉布置，集中控制室布置在兩爐問的小型樓的運(yùn)轉(zhuǎn)層，鍋爐和公用電子設(shè)備間布置在控制室后，汽機(jī)和電氣控制設(shè)備分散布置在汽機(jī)房的電子設(shè)備問，各項(xiàng)目不同程度地節(jié)省了電纜和橋架。
4.3 仍煤倉DCS物理分散方案
4.3.1 布置方案說明
當(dāng)前中南電力設(shè)計(jì)院正在設(shè)計(jì)的某項(xiàng)目2×600MW機(jī)組工程在主廠房布置時(shí)采用了側(cè)煤倉布置方案，并采用模塊化設(shè)計(jì)。下面重點(diǎn)針對該方案的DCS物理分散進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)分析。
該項(xiàng)目取消了常規(guī)集中控制樓布置方案的兩爐之間的集控樓，使煤倉問能夠布置在兩爐之問的空余場地上，同時(shí)汽機(jī)房不設(shè)專門的管道問，壓縮了主廠房占地和體積，節(jié)省了投資。熱控設(shè)備按照工藝系統(tǒng)劃分就地相對集中布置于被控對象附近，從而可節(jié)省大量電纜及橋架。
該項(xiàng)目集中控制室和熱控電子設(shè)備問具體布置如下:
集中控制室布置在側(cè)煤倉問鍋爐運(yùn)行層的給煤機(jī)平臺(tái)，與汽機(jī)房B列緊鄰，與各電子設(shè)備間完全分離。
在汽機(jī)房B列與鍋爐Kl柱之間中間層靠機(jī)頭側(cè)的適中位置布置有每臺(tái)機(jī)組的汽機(jī)電子設(shè)備間，其內(nèi)布置汽機(jī)和部分電氣控制設(shè)備。
在側(cè)煤倉與鍋爐運(yùn)轉(zhuǎn)層平臺(tái)內(nèi)側(cè)之間、位于鍋爐橫向中心線前后布置每臺(tái)機(jī)組的鍋爐電子設(shè)備間，其內(nèi)布置鍋爐熱控設(shè)備，雖然鍋爐區(qū)域較大，但該電子設(shè)備間位置非常適中，可取得最佳經(jīng)濟(jì)效益。
公用電子設(shè)備問布置在汽機(jī)房B列與鍋爐K1柱之間中間層的，位于集中控制室下方，屬于兩臺(tái)機(jī)組公用。
4.3.2 方案比較和經(jīng)濟(jì)效益分析
與常規(guī)集中布置方案相比，采用DCS物理分散布置方案引起的電纜和橋架費(fèi)用的主要差別體現(xiàn)在主廠房區(qū)域內(nèi)，因此本文只比較主廠房部分的電纜和橋架用量。
以目前己投產(chǎn)的某電廠2×600MW燃煤機(jī)組工程作為"對比工程"，該項(xiàng)目為常規(guī)集中控制樓內(nèi)煤倉布置方案。兩臺(tái)600MW級(jí)燃煤機(jī)組對比工程的主廠房熱工控制電纜總根數(shù)約為9008根，扣除2558根短距離電纜(不論何種方案其長度不變)，剩余長距離控制電纜根數(shù)約為6450根，其中鍋爐和汽機(jī)各占2/3和1/3，即鍋爐和汽機(jī)長距離電纜數(shù)量分別為4300根和2150根，鍋爐部分每根控制電纜的平均長度為130m，汽機(jī)部分每根控制電纜的平均長度為110m,對比工程主廠房熱工控制電纜的總量為130×4300m+110×2l50m+40000=835.5km。當(dāng)采用與"對比工程"相同或相似的主設(shè)備和主要工藝系統(tǒng)的側(cè)煤倉和電子設(shè)備間分散布置方案時(shí)，從電子設(shè)備間到被控對象的電纜敷設(shè)的距離明顯縮短，平均每根鍋爐部分控制電纜長度將減少到約85m，平均每根汽機(jī)控制電纜的長度將減少到約70m。這樣分散布置方案的主廠房熱工控制電纜的總量約為85×4300m+70×2l50m+40000m=556km。
采用常規(guī)集中控制樓布置方案時(shí)，電子設(shè)備問通往汽機(jī)房和鍋爐煤倉間的電纜都要穿過集中控制室下的電纜夾層，兩臺(tái)600MW燃煤機(jī)組主廠房熱工控制電纜橋架用量按全廠限額指標(biāo)的25%計(jì)，約為340t。采用DCS物理分散布置后，熱控電纜超寬和超重的橋架用量估計(jì)可減少200m左右，按每米節(jié)約0.5t(多層橋架及步道的總量)考慮，約可節(jié)省橋架100t。
由上述推算可得出如表口的經(jīng)濟(jì)效益分析:

從表1可以看出，采用DCS物理分散布置的模塊方案，主廠房熱控電纜和橋架的總費(fèi)用能夠節(jié)省約946.4萬元，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)具備熱控技術(shù)應(yīng)用水平高，控制區(qū)域劃分合理，DCS整體性能大為提高等優(yōu)點(diǎn)。
由此可以看出，采用DCS物理分散方案后，由于控制站和控制機(jī)柜與被控設(shè)備或被控對象的距離更近，電纜材料和電纜施工費(fèi)用均有不同程度的減少。但大型燃煤機(jī)組主廠房布置是一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，需要多專業(yè)協(xié)調(diào)配合。從熱工自動(dòng)化設(shè)計(jì)的角度講，就是要配合主體業(yè)確定最佳控制室和電子設(shè)備間布置位置，從而確定采用何種程度的DCS物理分散方案，以取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。
五、結(jié)束語
以往項(xiàng)目業(yè)主對采用DCS物理分散布置方案有很多顧慮(如擔(dān)心不便于集中管理和維護(hù))和對節(jié)省投資的迫切性要求不高。隨著電力體制改革的深化，節(jié)省投資是項(xiàng)目建設(shè)的重中之重，隨之采用DCS物理分散布置方案的電廠逐步增多。
主機(jī)控制系統(tǒng)(DCS)實(shí)現(xiàn)物理分散布置后，可使分散控制系統(tǒng)(DCS)"分散"的特點(diǎn)得以更充分地體現(xiàn)，既可有效地減少電纜和橋架用量，減少施工工作量，節(jié)省投資，縮短施工周期，取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益;同時(shí)大量平行敷設(shè)的電纜問的相互干擾得以降低，使信號(hào)傳輸穩(wěn)定，系統(tǒng)可靠性得到提高。
采取DCS物理分散布置方案后，一般電纜夾層會(huì)隨之消失，需要很好地規(guī)劃電纜通道;各區(qū)域之間以及各電子設(shè)備間下的DCS通訊電纜應(yīng)采用皚裝型式，且采取保護(hù)管或?qū)ｉT電纜槽盒進(jìn)行敷設(shè);同時(shí)還需要對鍋爐側(cè)和汽機(jī)側(cè)的DCS控制器進(jìn)行合理劃分，將給水系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備的信號(hào)、汽機(jī)速度級(jí)壓力信號(hào)等與機(jī)組協(xié)調(diào)有關(guān)的信號(hào)正確接入相應(yīng)的系統(tǒng)等等。另外需要與建筑、暖通、消防專業(yè)密切配合，做好電子設(shè)備問的隔音、防塵、空調(diào)、消防等設(shè)計(jì)工作。