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摘要:本文对分散控制系统做了简要的介绍,并以新疆某热电厂的机组电气系统为例,阐述了DCS在该热电厂机组电气系统中主要的应用情况。
关键词:热电厂;DCS系统;ECS系统;监控系统
作者简介:刘媛杰(1982-),女,陕西府谷人,塔里木大学机电学院,助教,沈阳农业大学信电学院硕士研究生,(辽宁 沈阳 110866)主要研究方向:农业电气化与自动化。(新疆 阿拉尔 843300)
现代热电机组为了满足CAMP[即控制(control),报警(alarm),检测(monitor),保护(protect)]功能的要求,单元机组的热工自动控制普遍采用分散控制系统(DCS)。分散控制系统(Distributed Control System,DCS)是以微处理器(µP)为核心,采用数据通信技术和CRT显示技术,对生产过程进行集中操作管理和分散控制的系统,有时也称分布式计算机控制系统(Distributed Computer Control System,DCCS),或称集散控制系统(Total Distributed Control System,TDCS)。[1]
一、DCS系统简介
1.DCS的基本概念
分散控制系统是采用计算机、通信和屏幕显示技术,实现对生产过程的数据采集、控制和保护等功能,利用通信技术实现数据共享的多计算机监控系统,含义是集中管理、分散控制,即“控制和危险分散,管理和监视集中”。分散控制系统将连续的生产流程分散地采用多台微型计算机控制,即整个控制系统的目标和任务事先按一定方式分配给各个子系统,而各子系统之间可以进行信息交换。所有微型计算机可能处于平等地位,也可能有主从之分。它将全部信息集中到控制室,以便操作人员监视操作和集中管理。[1]DCS是多门类学科互相渗透、互相促进、综合发展的产物,国外称其为4C技术的产物,即指控制(Control)技术、计算机(Computer)技术、通信(Communication)技术和CRT(Cathode Ray Tube)显示技术。
2.DCS的构成
DCS系统一般由过程输入/输出模件,工程师站,过程控制器,CRT操作站和通信系统四大部分构成,采用以太网构建,各操作员站和工程师站共享数据。DCS应包括下列主要功能系统:数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)、机组协调控制系统(Coordinated Control System,CCS)、辅机顺序控制系统(Sequence Control System,SCS)、锅炉炉膛安全监控系统(Furnace Safeguard Supervisory System,FSSS)、汽轮机旁路控制系统(Bypass Control System,BPC或BCS)、汽轮机数字电液控制系统(Digital Electric Hydraulic Pressure Control,简称DEH),如图1所示。
二、DCS在该热电厂电气机组中的应用
该厂为2×50MW热、电联产工程,系统为三炉两机——热网除氧,每台炉设2个操作员站,每台机设1个操作员站,除氧热网设1个操作站(1台主机带两台显示器),共9个操作员站,1个工程师站。通讯网络分为LCN和UCN两层。LCN为上位网,TPS的控制管理网,连接各操作员站和工程师站。UCN为下位网,TPS的过程控制网,连接各HPM(High Performance Process Manager,高性能过程管理器)柜。它们之间通过NIM(Network Interface Module)网络接口模件进行协议转换和数据交换。各控制柜之间各自独立,但其数据可以互相共享。DCS系统对各机、炉、除氧给水分别进行了不同的区域划分,所以各操作员站能进行的操作是有所限制的,即它们之间相对独立,不能互相操作。
1.ECS系统介绍
所谓ECS(Electrical Control System),就是电气自动化控制系统,它沿袭了DCS系统的设计思想,也采用了4C技术。电气ECS监测和控制的对象主要有:发电机—变压器组,高压厂用工作及备用电源,AVR(自动励磁调节装置)、同期装置,主厂房内低压厂用变压器,辅助车间低压厂用变压器6kV侧断路器,6kV厂用电动机,直流系统,交流不停电电源,保安电源等。电气整个被控制过程具有层次性和可分割性,符合DCS的分布、分散控制,集中管理的基本设计原则。但它又具有自身的特点:(1)I/O测控点以开关量居多,该厂ECS测控点共872个,开关量有706点;(2)动作速度要求高,为ms级,与汽机ETS、锅炉灭火保护FSSS一致;(3)顺控回路居多,联锁条件复杂。
2.关于BSJ2200监控系统
分层、分布、开放式布置是该系统典型的结构特点。分层,是指根据系统各部功能的不同分别采用不同的网络型式。分布,是指各结构层的设备分布在主网上,有一定的主從、冗余关系,共享数据,能部分实现互为备用的功能。开放式,是指采用符合“开放式”标准的计算机软件、硬件环境,具有较强的兼容性。开放,就是指应用软件的可移植性、人机接口的可移植性、不同计算机系统间的相互操作性。
该厂采用的BSJ2200监控系统为国电公司南瑞系统部自主开发的成熟产品系列。该系列特点如下。
(1)其测控装置SLC和GWY网关以及自动切换装置均为南瑞自行研发生产,售后服务有保障。
(2)采用拓扑结构,安全性可靠性高,速率大,抗干扰性强,网络配置上无论是上位管理机还是现地控制层,均为双网冗余设计,操作系统采用的是UNIX。
(3)实现当地的人机接口和操作控制,具有功能强、处理速度快、响应时间短等优点。人机界面友好,采用X-windows窗口系统,更能符合运行人员的操作习惯。
(4)系统环境开放,分层、分布、开放式的结构特点,使得系统有较强的稳定性,各组成部分彼此之间影响较小,网络结构稳定,网络资源后备力量充分,兼用性强,对硬件设备没有特殊苛刻的要求。编程语言采用C语言,无需专用网卡、网线等设备,便于软、硬件的升级、维护和更新。
三、系统构成
系统总体结构图如图2所示。
四、系统功能
1.数据采集与处理
模拟量可分为直流量和交流量,直流量主要有变压器的温度、电机温度、直流系统的电压、电流,发电机的励磁电压、电流等,输入方式为1-5V或4-20mA等,这也意味着必须配有变送器。交流量为各条线路的电压、电流等,输入方式直接为PT100V/CT5A,监控系统就可测出三相相电流、相电压。而线电流、线电压,无功、有功功率、功率因数等可由软件计算处理得到。
开关量采集的是现场各开关、刀闸的设备状态、位置、故障、拉合次数。信号经光电隔离或继电器隔离输入输出进入监控系统。
2.控制
包括断路器的分合、刀闸分合和发电机有、无功功率等,采用继电器接点输出方式。
3.报表打印
4.画面显示
可显示电气接线图、各工作段电压棒图、各类曲线、发电机励磁系统图、电量监视图。
5.历史数据库
可以保存一年甚至更长时间的模拟量和事件顺序记录、事故追忆及相关记录。
6.系统通信
实现了监视与外部的通信,它包括与远动调度、DCS、模拟屏、数字设备(故障录波器、微机保护)的通信等。
7.事故追忆记录和事故顺序记录
8.其他功能
语音报警、卫星同步对时等。
五、硬件、软件设备
1.硬件设备
(1)概述。系统功能采用基于网络的配置设计,某一节点上配置的功能只影响本节点而独立于其他节点,故独立性和并发性较好。分为前置控制层和上位管理层,即前、后台。
前台包括:前置机2台、16串口卡2块、双机互切装置1台、GWY-S1网关2台、SLC系列测控柜42个。
前置机采用研华生产的工控机,键盘、主机、屏幕浑然一体,均为标准配置,所配网卡为3Com。软件操作系统为SCO UNIX。16位串口卡用于前置机的串口扩展。
双机互切装置为南瑞自主生产,采用继电器切换方式,切换外部DCS、远动、微机保护等信号。
(2)SLC介绍。该厂采用的SLC测控柜系列单线路监控装置是南瑞系统控制公司研制的可分散安装的单线路智能监控设备。SLC系列单线路监控装置通过实时可靠的现场总线网络与站级计算机相连,构成全分散分布式计算机监控系统。SLC系列单线路监控装置的运用,可大大简化二次系统的设计工作,节省电缆,减少占地面积,降低投资,并且易于运行和维护。采用汉字液晶显示和薄膜键盘,实现就地监视和控制功能。
后台包括:操作员站2台、工程师站1台、值长站1台、打印机2台、GPS全球卫星定位系统、HUB集线器、多媒体设备。
操作员站采用SUN公司的工作站,操作系统为Solaris UNIX。值长站、工程师站采用DELL公司PC机,操作系统为SCO UNIX。GPS全球卫星定位系统,提供对系统各设备的硬对时,使用SJ-18时钟同步扩展光隔离盒,可实现一路输入,八路输出,信号有源、无源均可。
2.控制软件
(1)操作系统软件。PC机:SCO5.0操作系统及开发系统;SUN工作站:Solaris7.0或Solaris8.0操作系统,C5.0开发系统。
(2)监控系统应用软件。接口驱动软件;人机接口软件;数据库软件;网络通讯软件;顺序控制管理和执行软件(seqman);顺控信息窗口软件(cntwin);网络处理软件(rdd);冗余切换软件(redsw);远程数据读取软件(rvs);报警处理软件(alarm);语音报警软件(audio);数据存储备份(backred);GPS对时软件(st_clock)。
(3)监控系统组态软件。
六、結语
目前,分散控制系统仍在融合多种先进技术,使其规模和功能不断完善,可靠性、适应性、灵活性、实时性、扩展性、经济性不断提高,正朝着标准化、模块化、开放化、综合化、集成化、智能化的方向发展。[1]在热电机组中利用已经成熟的分散控制系统,将电气量纳入DCS,有效地提高了整个电气控制的安全性和可靠性,从而实现真正意义上的炉、机、电集中控制,使火力发电机组的自动控制和技术经济管理水平发展到了一个新的阶段。[2]
参考文献:
[1]张磊,彭德振.大型火力发电机组集控运行[M].北京:中国电力出版社,2006,(4):221-224.
[2]华东六省一市电机工程(电力)学会.电气设备及其系统[M].北京:中国电力出版社,2007.
[3]刘媛杰,曾如意.浅谈DCS在新疆某热电厂中的应用[J].农村经济与科技,2010,(1):135-137.
[4]孙德新.电气系统监控纳入DCS改造的设计与实践[J].电站系统工程,2006,(1):51-52.
[5]DL/T774-2004.火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程[S].
(责任编辑:刘辉)
关键词:热电厂;DCS系统;ECS系统;监控系统
作者简介:刘媛杰(1982-),女,陕西府谷人,塔里木大学机电学院,助教,沈阳农业大学信电学院硕士研究生,(辽宁 沈阳 110866)主要研究方向:农业电气化与自动化。(新疆 阿拉尔 843300)
现代热电机组为了满足CAMP[即控制(control),报警(alarm),检测(monitor),保护(protect)]功能的要求,单元机组的热工自动控制普遍采用分散控制系统(DCS)。分散控制系统(Distributed Control System,DCS)是以微处理器(µP)为核心,采用数据通信技术和CRT显示技术,对生产过程进行集中操作管理和分散控制的系统,有时也称分布式计算机控制系统(Distributed Computer Control System,DCCS),或称集散控制系统(Total Distributed Control System,TDCS)。[1]
一、DCS系统简介
1.DCS的基本概念
分散控制系统是采用计算机、通信和屏幕显示技术,实现对生产过程的数据采集、控制和保护等功能,利用通信技术实现数据共享的多计算机监控系统,含义是集中管理、分散控制,即“控制和危险分散,管理和监视集中”。分散控制系统将连续的生产流程分散地采用多台微型计算机控制,即整个控制系统的目标和任务事先按一定方式分配给各个子系统,而各子系统之间可以进行信息交换。所有微型计算机可能处于平等地位,也可能有主从之分。它将全部信息集中到控制室,以便操作人员监视操作和集中管理。[1]DCS是多门类学科互相渗透、互相促进、综合发展的产物,国外称其为4C技术的产物,即指控制(Control)技术、计算机(Computer)技术、通信(Communication)技术和CRT(Cathode Ray Tube)显示技术。
2.DCS的构成
DCS系统一般由过程输入/输出模件,工程师站,过程控制器,CRT操作站和通信系统四大部分构成,采用以太网构建,各操作员站和工程师站共享数据。DCS应包括下列主要功能系统:数据采集系统(Data Acquisition System,DAS)、机组协调控制系统(Coordinated Control System,CCS)、辅机顺序控制系统(Sequence Control System,SCS)、锅炉炉膛安全监控系统(Furnace Safeguard Supervisory System,FSSS)、汽轮机旁路控制系统(Bypass Control System,BPC或BCS)、汽轮机数字电液控制系统(Digital Electric Hydraulic Pressure Control,简称DEH),如图1所示。
二、DCS在该热电厂电气机组中的应用
该厂为2×50MW热、电联产工程,系统为三炉两机——热网除氧,每台炉设2个操作员站,每台机设1个操作员站,除氧热网设1个操作站(1台主机带两台显示器),共9个操作员站,1个工程师站。通讯网络分为LCN和UCN两层。LCN为上位网,TPS的控制管理网,连接各操作员站和工程师站。UCN为下位网,TPS的过程控制网,连接各HPM(High Performance Process Manager,高性能过程管理器)柜。它们之间通过NIM(Network Interface Module)网络接口模件进行协议转换和数据交换。各控制柜之间各自独立,但其数据可以互相共享。DCS系统对各机、炉、除氧给水分别进行了不同的区域划分,所以各操作员站能进行的操作是有所限制的,即它们之间相对独立,不能互相操作。
1.ECS系统介绍
所谓ECS(Electrical Control System),就是电气自动化控制系统,它沿袭了DCS系统的设计思想,也采用了4C技术。电气ECS监测和控制的对象主要有:发电机—变压器组,高压厂用工作及备用电源,AVR(自动励磁调节装置)、同期装置,主厂房内低压厂用变压器,辅助车间低压厂用变压器6kV侧断路器,6kV厂用电动机,直流系统,交流不停电电源,保安电源等。电气整个被控制过程具有层次性和可分割性,符合DCS的分布、分散控制,集中管理的基本设计原则。但它又具有自身的特点:(1)I/O测控点以开关量居多,该厂ECS测控点共872个,开关量有706点;(2)动作速度要求高,为ms级,与汽机ETS、锅炉灭火保护FSSS一致;(3)顺控回路居多,联锁条件复杂。
2.关于BSJ2200监控系统
分层、分布、开放式布置是该系统典型的结构特点。分层,是指根据系统各部功能的不同分别采用不同的网络型式。分布,是指各结构层的设备分布在主网上,有一定的主從、冗余关系,共享数据,能部分实现互为备用的功能。开放式,是指采用符合“开放式”标准的计算机软件、硬件环境,具有较强的兼容性。开放,就是指应用软件的可移植性、人机接口的可移植性、不同计算机系统间的相互操作性。
该厂采用的BSJ2200监控系统为国电公司南瑞系统部自主开发的成熟产品系列。该系列特点如下。
(1)其测控装置SLC和GWY网关以及自动切换装置均为南瑞自行研发生产,售后服务有保障。
(2)采用拓扑结构,安全性可靠性高,速率大,抗干扰性强,网络配置上无论是上位管理机还是现地控制层,均为双网冗余设计,操作系统采用的是UNIX。
(3)实现当地的人机接口和操作控制,具有功能强、处理速度快、响应时间短等优点。人机界面友好,采用X-windows窗口系统,更能符合运行人员的操作习惯。
(4)系统环境开放,分层、分布、开放式的结构特点,使得系统有较强的稳定性,各组成部分彼此之间影响较小,网络结构稳定,网络资源后备力量充分,兼用性强,对硬件设备没有特殊苛刻的要求。编程语言采用C语言,无需专用网卡、网线等设备,便于软、硬件的升级、维护和更新。
三、系统构成
系统总体结构图如图2所示。
四、系统功能
1.数据采集与处理
模拟量可分为直流量和交流量,直流量主要有变压器的温度、电机温度、直流系统的电压、电流,发电机的励磁电压、电流等,输入方式为1-5V或4-20mA等,这也意味着必须配有变送器。交流量为各条线路的电压、电流等,输入方式直接为PT100V/CT5A,监控系统就可测出三相相电流、相电压。而线电流、线电压,无功、有功功率、功率因数等可由软件计算处理得到。
开关量采集的是现场各开关、刀闸的设备状态、位置、故障、拉合次数。信号经光电隔离或继电器隔离输入输出进入监控系统。
2.控制
包括断路器的分合、刀闸分合和发电机有、无功功率等,采用继电器接点输出方式。
3.报表打印
4.画面显示
可显示电气接线图、各工作段电压棒图、各类曲线、发电机励磁系统图、电量监视图。
5.历史数据库
可以保存一年甚至更长时间的模拟量和事件顺序记录、事故追忆及相关记录。
6.系统通信
实现了监视与外部的通信,它包括与远动调度、DCS、模拟屏、数字设备(故障录波器、微机保护)的通信等。
7.事故追忆记录和事故顺序记录
8.其他功能
语音报警、卫星同步对时等。
五、硬件、软件设备
1.硬件设备
(1)概述。系统功能采用基于网络的配置设计,某一节点上配置的功能只影响本节点而独立于其他节点,故独立性和并发性较好。分为前置控制层和上位管理层,即前、后台。
前台包括:前置机2台、16串口卡2块、双机互切装置1台、GWY-S1网关2台、SLC系列测控柜42个。
前置机采用研华生产的工控机,键盘、主机、屏幕浑然一体,均为标准配置,所配网卡为3Com。软件操作系统为SCO UNIX。16位串口卡用于前置机的串口扩展。
双机互切装置为南瑞自主生产,采用继电器切换方式,切换外部DCS、远动、微机保护等信号。
(2)SLC介绍。该厂采用的SLC测控柜系列单线路监控装置是南瑞系统控制公司研制的可分散安装的单线路智能监控设备。SLC系列单线路监控装置通过实时可靠的现场总线网络与站级计算机相连,构成全分散分布式计算机监控系统。SLC系列单线路监控装置的运用,可大大简化二次系统的设计工作,节省电缆,减少占地面积,降低投资,并且易于运行和维护。采用汉字液晶显示和薄膜键盘,实现就地监视和控制功能。
后台包括:操作员站2台、工程师站1台、值长站1台、打印机2台、GPS全球卫星定位系统、HUB集线器、多媒体设备。
操作员站采用SUN公司的工作站,操作系统为Solaris UNIX。值长站、工程师站采用DELL公司PC机,操作系统为SCO UNIX。GPS全球卫星定位系统,提供对系统各设备的硬对时,使用SJ-18时钟同步扩展光隔离盒,可实现一路输入,八路输出,信号有源、无源均可。
2.控制软件
(1)操作系统软件。PC机:SCO5.0操作系统及开发系统;SUN工作站:Solaris7.0或Solaris8.0操作系统,C5.0开发系统。
(2)监控系统应用软件。接口驱动软件;人机接口软件;数据库软件;网络通讯软件;顺序控制管理和执行软件(seqman);顺控信息窗口软件(cntwin);网络处理软件(rdd);冗余切换软件(redsw);远程数据读取软件(rvs);报警处理软件(alarm);语音报警软件(audio);数据存储备份(backred);GPS对时软件(st_clock)。
(3)监控系统组态软件。
六、結语
目前,分散控制系统仍在融合多种先进技术,使其规模和功能不断完善,可靠性、适应性、灵活性、实时性、扩展性、经济性不断提高,正朝着标准化、模块化、开放化、综合化、集成化、智能化的方向发展。[1]在热电机组中利用已经成熟的分散控制系统,将电气量纳入DCS,有效地提高了整个电气控制的安全性和可靠性,从而实现真正意义上的炉、机、电集中控制,使火力发电机组的自动控制和技术经济管理水平发展到了一个新的阶段。[2]
参考文献:
[1]张磊,彭德振.大型火力发电机组集控运行[M].北京:中国电力出版社,2006,(4):221-224.
[2]华东六省一市电机工程(电力)学会.电气设备及其系统[M].北京:中国电力出版社,2007.
[3]刘媛杰,曾如意.浅谈DCS在新疆某热电厂中的应用[J].农村经济与科技,2010,(1):135-137.
[4]孙德新.电气系统监控纳入DCS改造的设计与实践[J].电站系统工程,2006,(1):51-52.
[5]DL/T774-2004.火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程[S].
(责任编辑:刘辉)