分散控制系統備用空間的開發和工程應用

一、控制系統簡介
嘉興發電有限責任公司(下稱公司)一期工程安裝2臺300MW國產引進型燃煤發電機組，1號、2號機組分別于1995年7月和12月投入試生產。分散控制系統(DCS)采用德國西門子TELEPERMME，汽輪機控制系統DEH采用上海新華控制公司DEH-Ⅲ型產品，主要監控手段采用CRT和鼠標。機爐電集中控制，2臺機組共用1個控制室，重要輔機和一些自動系統配有后備控制盤。爐側主要輔機配有就地控制裝置，如風機的油站配有硬聯鎖就地控制裝置，同時對風機線圈溫度采用巡測儀檢測;磨煤機油站配有就地PLC控制裝置等。機側給水泵一些溫度保護采用硬保護，給水泵汽輪機控制裝置為日本的WORD505，循環水泵采用就地PLC控制。機側大量的自動系統采用基地式調節儀控制。
機組移交試生產后，2臺機組因熱控原因引起的MFT頻繁，其中因就地裝置引起的MFT問題尤為突出。同時，一些采用基地式調節儀控制的參數控制品質不理想，且基地式調節儀由儀用空氣作為動力，故障率也較高，相對DCS而言，其壽命也不長。公司在1996年、1997年檢查性大修中取消了1、2號機組送、引風機和一次風機油站就地繼電器控制裝置，把它引入到DCS，由DCS直接控制，使系統簡化，維護量減少，自動化程度提高，同時杜絕了因繼電器控制裝置故障而引起的風機跳閘。在風機油站就地繼電器控制裝置改造成功的基礎上，又于1999年對1號爐磨煤機油站就地PLC控制裝置進行了改造，把它也引入到DCS，并由DCS直接控制，杜絕了因就地PLC控制裝置故障而引起的磨煤機跳閘。
在經過上述兩項改造后，對DCS備用空間的開發和利用做了進一步研究。
二、DCS的可擴展性及其利用
DCS在設計時就充分考慮了它的可擴展性，其在DCS規范書中有明確的要求:
DCS制造廠應提供下列已配置但未使用的供系統以后擴展所需的余量，其中包括:(1)每個柜內有20%各種類型的I/O余量;(2)每個柜內有20%的模件插槽余量以及今后插入模件就能工作所需的所有硬件;(3)有50%處理器處理能力余量;(4)有50%處理器數據存儲余量;(5)有50%電源余量。上述這些余量要求是系統投入運行后的最終容量的百分比值。為了充分利用DCS控制系統備用空間和能力，進行了相關的分析和研究。
首先對1號機組DCS各控制機柜實際備用情況進行統計，并對各子系統負荷率進行了測試，得到技改前DCS備用空間和負荷率的數據(表1)。

而后，通過技改，將一些就地控制裝置和信號引入到DCS，具體分為3類:
(1)取消就地控制裝置類 至今取消就地控制裝置類有6個風機稀油站就地控制裝置和磨煤機油站就地PLC控制裝置。
(2)取消就地自動裝置類 取消的部分基地式自動調節儀有:1)定排溫度控制YKl323;2)氫側密封油溫控制YK3735;3)空側密封油溫控制YK3745;4)主機油溫控制YK3610;5)勵磁機空溫控制YK3900。
(3)取消硬保護信號或就地顯示儀表信號類 1) 6個風機軸承溫度保護;2)高排溫度高跳機保護;3)風機喘振;4)給水泵軸承溫度。
通過幾年的技改，在1號機組DCS系統中增加的總卡件數為16塊，其中模擬量卡4塊，溫度卡5塊，開環控制卡4塊，閉環控制卡3塊。新增模擬量信號68個，溫度信號104個，開關量信號57個，開環回路34個，閉環回路6個。
技改后對DCS的備用空間和負荷率也進行了統計和測試，結果見表1。
從表1可見，技改后子系統EAS負荷率在測點數增加的情況下不升反而下降了。這是因為1號機組原 DCS的負荷分配極不合理，導致AWEllO、AWEll1和AWEl13系統的EAS負荷率一直偏高，均接近或達到制造商SIEMENS公司規定的安全下限，即EAS的負荷率為50%。為此，在停機檢修中將降低EAS的負荷率和提高DCS的可靠性作為一項重要任務，對系統中所有影響EAS及總線負荷率的因素進行了檢查和分析，發現原來設計中有些信號傳送方式及周期設置極不合理，即重要的信號發送周期過長，而大量的不參與控制與保護的信號發送周期反而短，以致EAS的負荷率居高不下，為此，對所有開關量及模擬量信號的發送方式及周期進行了修改，將一些重要的模擬量信號的發送方式由周期傳送方式改為中斷方式，以提高實時性，對一些非重要的信號(如鍋爐壁溫等信號)則適當延長發送周期。采用以上各項措施后，EAS的負荷率有了明顯的下降，基本上每個子系統的EAS負荷率都下降了5%，提高了DCS運行的安全性和可靠性。
三、技改中若干問題的解決
3.l DCS的合理利用
通過對1號機組DCS系統備用空間和能力的研究，發現DCS并沒有嚴格按規范書的要求設計。由于DCS控制子系統是按電廠生產過程的系統來劃分的，而各系統控制對象和參數量差別較大，因此各子系統備用空間和能力有差異。通過實踐，對合理利用DCS總結出如下幾點:
(1)應盡量使各子系統負荷均勻，即對負荷率高的系統少利用一些，對負荷率低的系統多利用一些。 AWEll0、AWEl13系統的負荷相對比其它系統要重，因而新增加的控制回路一般放在負荷較輕的其它子系統。
(2)應遵循各子系統原設計的總體布局，即機側設備盡量引入原機側的控制子系統，爐側設備盡量引入原爐側的控制子系統。
(3)對一個控制對象或參數，應根據其重要性考慮是否采用冗余設計，以防因單卡故障對對象或參數失控。
(4)對一些重要的三取二或二取一信號，不能進同一卡件，要求分卡接入。
(5)同一設備的控制對象和參數應盡量放在同一子系統中，即控制回路所需要的控制卡和模擬量/開關量信號采集卡應盡量放在同一系統，以減少信號傳遞，減低EAS和總線負荷。
3.2 取消就地控制裝置后DCS與控制系統的接口問題
對就地控制裝置進行技改，在現場把其取消很容易，但要把它引入到DCS，并由DCS對其進行控制，則
必須解決控制對象或參數與DCS的接口問題，技改中具體做法如下:
(1)對控制對象(如電機、執行機構、電磁閥等)和信號(開關量、模擬量等)進行統計和分類。
(2)明確各控制卡件的功能，并按照控制對象和信號的數量對卡件進行合理布局，對需冗余的兩卡之間應按典型設計做好跳線工作。同時對新增的卡件要根據需要參照卡件手冊進行跳線設置，以滿足DCS與就地執行機構之間信號匹配和控制的冗余需求。
(3)對不同的控制對象和信號，其引入接線的數量和端口不同，可參照DCS各卡件的典型接線圖進行聯接，同時需劃出詳細的界線圖。
(4)各控制對象的電源等級要與相應的接觸器對應。
(5)要注意各信號有源與無源問題以及信號極性與接地間題。
(6)控制對象或信號與DCS連接好后對回路需認真檢查，對強電信號要有隔離措施，嚴防卡件燒毀。
3.3 控制邏輯的開發
在DCS中引入新的控制回路或信號后應根據生產實際情況對其控制邏輯進行開發，技改中對控制邏輯的開發可歸納如下:
(1)保留原合理的部分。
(2)對控制對象，要充分考慮啟動停運的條件，對跳閘條件必須設置合理，對各條件的設置應經機務和有關運行技術人員確認。
(3)對模擬量如變送器，要根據有源或無源在邏輯中設置電源信號，同時要填好對應的量程范圍。
(4)對閉環控制，可充分發揮DCS中PID可隨意組合的優勢進行組合。
(5)根據需要實現的各功能邏輯，要以簡單、清晰的邏輯來完成復雜的需求功能，盡量降低卡件的負荷。
四、結 論
(1)由于DCS設計時考慮了系統的擴展性，其備用空間和負荷率可滿足擴容的要求。
(2)利用DCS備用空間和能力時，應盡量遵循各系統均勻性的原則，同一裝置的控制對象和參數應盡量集中在同一控制子系統中，最大程度地減少負荷率。
(3)取消一些就地控制裝置并將它們納入DCS后，使機組自動化程度大大提高，杜絕了因就地控制裝置引起的輔機跳閘及其引起的MFT，減少了維修和檢修工作量，同時減少了就地控制裝置備件的儲備量，效益明顯。
(4)通過對控制邏輯的優化，特別是對信息量的優化，剔除或調整一些常報警或常亂報警的信息，能使系統負荷有所下降。