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电厂的DCS物尽其用否?

北极星电力网新闻中心  来源:北极星电力网  作者:王立地  2020/8/26 13:35:17  我要投稿  
所属频道: 火力发电   关键词: 王立地 智慧电厂 DCS

北极星火力发电网讯:出了这样一个题目,发电厂里大概许多人会很不屑。咱厂里用DCS(Distributed Control System-DCS)也有几年、十几年甚至几十年了,这话问的啥意思?难不成DCS还有资源浪费?的确,这是个值得商榷的提问。俗话说:不比不知道一比吓一跳。实不相瞒,看过以下内容会有明确答案。

大家都知道,DCS是以3C(Computer-计算机、Communications-通信、Control-控制)技术为核心的计算机控制系统,现如今在工业领域各个行业的过程控制中获得了广泛应用。DCS最早出现在上个世纪七十年代中期的美国,其后欧洲和日本都有不同品牌陆续面世。我国七十年代后期,从国外引进化纤、乙烯、化肥等大型成套生产线,同时带进来配套的DCS,开创国内应用DCS的先河。其后是冶金企业,比如首都钢铁公司,引进了美国贝利的N-90。国内发电厂应用DCS在时间排序上是很靠后的,当时电力系统技术政策是“中等适用”,对应用DCS采取保守政策,有诸多限制。到了九十年代中后期,电力部所属电厂才开始在新建机组中放开应用DCS。比较特立独行的是广东省的电厂,改革开放初期,广东电力匮乏,八十年代末广东省自己筹钱建电厂,用什么设备没有那么多限制,率先在国内新建电厂中无一例外地应用了DCS。

国内较早全面介绍DCS的专业论文,见于1985年上海工业自动化仪表研究所甘和贵先生发表在“自动化仪表”(1985年03期)上的文章,“美、日集散系统的新动向”,文章阐明了DCS的主要功能,指出DCS的突出特点为“集中管理、分散控制”,把DCS定名为:集散控制系统。电力系统应用DCS时,把DCS称作“分散控制系统”。虽然一字之差,对DCS的理解差距还是不小的。后来的实际应用中,直接影响到发电厂DCS的选型和使用定位。

2000年之前,算做DCS的初创和发展阶段,同样号称DCS,各个厂家的DCS设计思路百花齐放,结构和功能各有千秋,虽说异曲同工,性能差别还是比较大的,主要体现在“集”与“散”的设计理念和配置。从研制路径入手可以把DCS分为两类。第一类DCS是从计算机集中控制系统(Concentrated Control System-CCS)向分散发展,所以无论从硬件配置和系统软件设计带有计算机的全部特质,典型的代表是美国西屋公司的WDPF-Ⅱ(早已完成历史使命,但对日后DCS发展影响深远),分散控制有DPU(分布过程控制站),集中管理有操作员站、历史数据记录站(HSR)、数据记录打印站、计算站和工程师站,系统有分布式数据库的支持,还有完善的网络构建和数据转移功能,只要你脑洞开得足够大,DCS应用空间没有限制,可以称作“全能型”DCS。第二类DCS,是从独立控制装置向集中发展,侧重过程控制,集中监控人机接口(MMI)配置齐全,但忽略了过程数据的处理,什么历史数据记录站、计算站以及数据库都作为省略项,如美国贝利的N-90和后续的INFI-90,日本横河的YEPARK MARKⅡ,可以认为是“控制型”的DCS。若要集中处理数据时只能外挂设备。但这也不是说简单的买一套计算机装上就能使用,这种DCS本身就没考虑这方面的应用,所以外挂设备时还需要另外花一笔不菲的费用和不短的时间来完善DCS的系统软件。

从DCS的命名来看,上海工业自动化仪表研究所对DCS的研究和理解更为全面,既注重了“分散控制”也突出了“集中管理”。分散控制,很好理解,电厂生产过程的数据采集、参数调节、设备控制由DCS的分布过程控制站完成,一套DCS由多个过程控制站组成,每个过程控制站都是一个独立的计算机控制系统,由计算机通信网络链接在一起而形成DCS系统。集中管理,通常都理解为在网络通信的支持下有了操作员站、工程师站,能集中监控机组运行过程参数和DPU组态、维护就以为是集中管理了。其实,这是对DCS集中管理功能的偏见。DCS无时不刻检测到的机组运行数据,一旦进入数据库进行海量储存,就是深入了解机组运行特性,参数变化规律的宝贵资料,按当今时髦的说法就是“大数据”,利用专家软件对历史数据进行分析、鉴别能发掘、捕捉到操作员站上无法察觉的安全隐患和影响经济运行的不利因素,可以有效地促进机组安全、经济运行。“集中管理”,集中的是数据,管理的也是数据,历史数据记录站、计算站、数据库必不可少。2000年以后,互联网技术快速发展,走向成熟,加之多年的应用实践,各国DCS设计朝趋同化发展,主要体现在DPU适度分散、模块化I/O卡、快速以太网数据传输、图形组态、实时数据库、开放型组网功能,几乎所有的DCS包括国产的都配置了集中处理数据的专用工作站。实际上这些功能配置在早年美国西屋公司的WDPF-Ⅱ上有全套设计,只不过后来的DCS采用了更为现代化的计算机芯片、网络通信、数据库和组态工具,算是殊途同归吧,国产DCS走的也是这个路子。

我国电厂过程自动化控制装置,从上个世纪五十年代开始,不同时期由不同科技水平的设备各领风骚。五十年代是前苏联的电子管基地式仪表作为先进控制装置的代表,直到七十年代中期还有电厂在使用。六十年代后期有了国产DDZ-Ⅰ型系列仪表,核心电子器件仍然是电子管,应用比较短命,前后也就用了几年时间便出局了。七十年代初DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表横空出世,采用分立元件的半导体晶体管,算是一个划时代的产品吧,有的电厂曾30年一贯制,陪着电厂退出现役。七十年代中期就有了DDZ-Ⅲ型仪表,电子器件主打线性集成电路。到了八十年代国内组装组件式仪表推向电厂,以大规模线性集成电路为中坚,在200MW机组上用量较大。DCS在电力部所属电厂中作为标准热工控制装置大面积使用已经是2000年以后的事儿了。

纵观我国电厂热工自动控制装置的发展,随着科技进步,从五十年代开始到如今,设备硬件几番更新换代。目前国内绝大多数电厂,都选用了具有世界先进水平的DCS。DCS是硬件和软件的综合体,电厂热工控制装置硬件水平完全媲美世界上任何先进工业国家。但也不得不指出,我国电厂DCS的应用软件,也就是应用控制策略,却还迟滞在常规控制的水平上。DCS应用软件分为基本控制、系统控制和综合控制等多个层面。基本控制主要是设备启停操作、自动调节回路手/自动切换和开关量设备联锁的投/切。通过比较就可以看出,DCS的模拟量调节回路“手动/自动投切方式” 和上个世纪五十年代前苏联的电子管基地式控制仪表的切投方式差别不大,DCS的开关量设备“自动联锁投切方式”和五十年代BTG盘硬开关操作没有不同,最大的差别是六、七十年前控制盘上的开关换成了21世纪的键盘或鼠标。怎么会是这样?如此的应用水平让DCS都自觉得不好意思,计算机技术支撑的强大功能被闲置不用,严重地浪费了DCS的技术资源。有研究机构统计表明,DCS在电厂实际应用中其功能发挥还不到30%。

没有比较就没有鉴别,看看其他先进工业国家DCS的应用,同样是模拟量自动调节回路,上个世纪八十年代自动调节回路投/切操作就实现了“傻瓜自动”。常规自动调节回路手动转自动的投/切操作以及“纠偏”过程,都是人工判断、人工决策和人工操作的。而依靠DCS组态软件实现的“傻瓜自动”是通过运用计算机智能“思维”,让模拟量自动调节回路在设备和系统没有启动之前,即可投入“自动”,运用控制逻辑监视生产工艺系统启动进程,适时将调节回路转为“自动调节”,这个期间人工操作简化成一次完成,如同操作一部“傻瓜相机”(详见“北极星电力网”,火电燃煤机组APS的“傻瓜自动”)。常规设备联锁开关的投、切以及状态监测、判定等相互关联的一系列操作也都是由人工完成的。同样,先进控制的开关量设备联锁投/切,在DCS中已经应用智能化缺省自动 “一指联锁”取代常规设计。DCS中由智能化逻辑构成的 “一指联锁”具备联锁设备状态监测、判定的“思维”能力和“联锁开关投、切” 的自动操作,还具备在运设备记忆、电气联锁、热工联锁、异常自检等功能(详见“北极星电力网”,火电燃煤机组APS的“一指联锁”)。利用DCS的计算机技术开启电厂过程控制的智能化逻辑,简化了操作方式和提升了控制水平,这就叫做物尽其用。国外先进工业国家电厂“系统控制”应用DCS又处于怎样的水平呢?上个世纪八十年代有的国家已经成功构建了DIASYS(数字式智能自动控制系统),并且作为出口项目中的指标性亮点进行全球推广。锅炉风烟、锅炉给水、锅炉燃烧器、磨煤机程序控制、MCS和SCS等系统控制策略与时俱进,全部实现了“一键启停”,而且是开关量和模拟量复合变量系统的“一键启停”(详见“北极星电力网”,“一键启停”系列文章)。双列风机、多套给水泵的并列/解列皆为自动完成。国内电厂应用DCS也有三十多年了,热工控制系统“一键启停”尚未全面实现,DCS的资源一直被闲置,电厂过程控制应用软件的开发任重道远。DCS综合控制方面的代表作是APS(Automatic Procedure Start-up/Shut-down)。何谓APS?依托DCS能够在燃煤机组规定的运行区间内分阶段递进导引热工控制系统完成机组启动或停止的自动程序控制,被称之为APS(详见“北极星电力网”,APS专题文章)。APS在我国的应用,始见于1986年前后,随同国外进口的发电机组同步引进,其应用的有效利用率获得了用户的高度认可。用DCS作为平台,智能化的热工自动控制成就了APS,能够实现APS的DCS,可谓不负DCS所具备的强大功能。如果没有成功的基本控制、系统控制作为基础,APS这座大楼是建不起来的。

国内电厂当前DCS应用软件方面还有巨大潜能尚待释放,提升电厂DCS控制的应用水平需要一种工匠精神脚踏实地解决问题,把雪藏的资源发掘出来。回头看上海工业自动化仪表研究所甘和贵先生1985年发表的论文,温旧而知新。真正读懂DCS以后就会明白,组态软件自不必说,那本来就是给自动化控制专业人员量身定做的,如果打算用计算机编程语言攒个专家系统,DCS有计算站,能提供各种高级编程语言,“天高任鸟飞”。在DCS中,想要数据,实时的有分布式数据库,历史的有数据记录站,没有做不到只怕想不到。这些年来,动辄给DCS“外挂”个什么PLC、PC、实时数据库之类的,实在有画蛇添足之嫌,也着实的浪费了电厂的大笔钱财,映射出相关人员亟待加强DCS培训。继往开来,认真吸取电力系统应用DCS方面的教训,充分用足现代DCS本来就有的功能,多专业集思广益,采用智能化控制策略,内置专家诊断系统,这是今后改进完善电厂DCS控制、用好DCS的重要一环。(来源:北极星电力网 作者:王立地

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