SYMPHONY分散控制系统在火电厂中的设计与应用.docx
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SYMPHONY分散控制系统在火电厂中的设计与应用
SYMPHONY分散控制系统在火电厂中的设计与应用
摘要
目前我国的电力生产正经历着从安全生产管理到安全、经济均予关注的管理模式的重大转变，同时社会的发展对电网的供电品质和供电可靠性也提出了越来越高的要求。
“厂网分开、竞价上网、同网同质同价”是电力体制改革的根本方向。
采用先进的技术和设备改造原国产的火力发电机组是当前电力企业发展的必由之路。
本文主要针对机组机炉电一体化控制改造工程，根据工程的实际情况和特点以及Symphony集散控制系统在该工程的应用，从分散控制系统总体设计方案，系统的硬件及软件设计，自动化控制技术及方案等方面进行论述。
本文还重点说明了目前火力发电机组自动化控制的先进技术和发展方向。
通过对自动发电机控制，机组协调控制，变参数回路控制，前馈式分段气温调节控制等技术的详细研究，为提高机组的自动化运行水平指明了方向。
同时通过对DCS与DEH系统共享操作站技术，机群组控制技术，DCS与MIS系统连接技术的综合运用，全面提高了机组的综合运行水平，为创造现代化管理的电厂提供了坚实的基础。
通过研究和实践证明通过采用先进的控制系统，结合国产火力发电机组的情况开发出机组改造的合理，经济，先进的改造方案。
该方案实施后，既能最大限度的节省投资，又能提高电厂的自动化运行水平，提高机组运行效益。
从而提高电厂的运行水平和适应市场的竞争能力。
关键词：
分散控制系统，火力发电，一体化控制，系统设计，控制方案
ABSTRACT
Chineseelectricpowerproductisnowonastagechangingfromsafetymanagementtomanagementconcerningsafetyaswellaseconomy.Atthesametime,thedevelopmentdemandshigherqualityandsecurityofelectricpowerproducts.“Partingplantsandnet,competingtheprices,supplyingtheproductswithsamequalityandpriceinthesamenet”istheessentialaimforthereformationofpowermanagementsystem.Itisnecessarytoreconstructtheoriginalpowerplantunitsthroughusingadvancedtechniqueanddevices.
ThisthesisbasisonthereconstructingprojectofBoiler-turbineintegralcontroldiscussesthespecialtiesoftheproject,theapplicationofSymphonysystem.Itconcernsthedesignofthesystemoverview,thehardwareandsoftware,thetechniqueofautomaticcontrol,etc.
Thisthesisfocusestheadvancedtechniqueanddevelopingdirectionoftheautomaticcontrolinlarge-scalecoalpowerplants.Throughtheresearchingofgeneratorautomaticcontrol,Unitcoordinationcontrol,varyingparameterloop-control,feedforwardingsteam-temperaturecontrol,ittriestoexplorethewaysofdevelopingunitautomation.WiththeapplicationofsharingoperatorstationstechniquebetweenDCS-DEH,ofunit’sgroupcontrol,ofcommunicationtechniquebetweenDCSandMISSymphonysystemadvancedthelevelofunitcomplexcontrol.Itbuildsthefirmbaseformodernmanagementinpowerplant.
ItisprovedthatbyusingtheadvancedDCSsystemandadvancedconcepts;wecansaveinvestments,aswellasadvanceautomaticcontrollevel,increaseseconomicbenefits,andincreasingthecompetitionofpowerplantinthemarket.
Keywords:
DCS,coalpowerplant,integralcontrol,systemdesign,controlconception.
1绪论
1.1火电厂自动化技术概述
近十多年来是我国火电厂自动化技术发展最快的时期，特别是分散控制系统（DCS）在我国火力发电机组上得到了越来越广泛的应用。
其发展大致分为以下几个阶段：
第一阶段，九十年代初期分散控制系统（DCS）从试点到推广应用。
八十年代末，作为先进国家一项成熟技术，我国在引进的火电机组上广泛应用了DCS，在国内机组上也着手选择几个电厂试点。
当时，在一些引进机组的工程中暴露出的一些问题，引发一场激烈的“要不要在我国火电厂推广应用DCS”的争论。
对此能源部热工自动化领导小组对争论作了结论，明确指出，DCS是当代国际上取代传统控制系统的新技术，已趋成熟也适合中国国情，之所以在某些工程中出现一些问题，不是DCS本身问题而是我国工程建设管理中应循守旧，把自动化系统放在不恰当位置的结果。
因此，领导小组当机立断做出决定，要在火电机组工程中积极稳妥推广应用DCS。
从此，我国火电厂自动化发展的历史翻开了新的一页，火电厂自动化开始被摆到了一个适当的位置。
第二阶段，九十年代后期，火电厂自动化技术逐步成熟。
通过我国各级领导和广大自动化工程人员的努力，火电厂自动化技术在我国迅速发展，应用技术逐步成熟，自动化程度逐步提高。
主要标志有下列几个方面：
①数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）和炉膛安全监控系统（FSSS）全面纳入DCS，各项功能可用率达到较高水平，单元机组监控实现了以DCS的人一机界面为中心，传统的后备监控已基本取消。
新机组投产时自动化系统可用率达到较高水平。
②部分工程中汽机控制系统（DEH）采用DCS设备，实现了一体化。
③火电机组全面应用DCS对原先落后的自动化技术进行改造。
第三阶段，2000年火电厂自动化设计新思路提出和应用。
进入二十一世纪后，国家提出了“2000年电厂仪表和控制（I&C）系统设计原则”。
该原则针对国内的火电自动化发展现状和国际上自动化发展水平，提出了新时期火电自动化发展的方向。
其主要表现在以下几个方面：
①强调了单元机组机炉电一体化控制的总体思路，要求单元机组控制进一步智能化、自动化、控制中心小型化。
②监控系统的功能配置和物理配置分段原则的应用。
③要求DCS系统的覆盖范围进一步扩大，电气系统（ECS）全面纳入DCS系统范畴。
全厂辅助系统车间进一步集中监控。
④发展厂级监控信息系统（SupervisoryInformationSystem,简称SIS）和管理信息系统（ManagementInformationSystem,简称MIS），形成全厂计算机监控和信息网络。
提高机组的“管控一体化”水平，为建立新型的电力企业奠定基础。
通过多年实践，特别是最近几年的应用，我国火电厂DCS装备水平已经基本达到国际上先进水平，总体应用水平也正在逐步接近国际先进水平。
与国际上发达国家相比，主要的差距表现在：
优化控制技术（如模糊控制、专家控制、优化燃烧控制或指导、新型协调控制技术）在火电机组上的应用；SIS系统和MIS系统在电力企业发展和应用水平的差距等方面。
从我国的电力生产自动化发展的历史可以看出，我国电力行业正经历着从安全生产管理到安全、经济均予关注的管理模式的重大转变，在有效地完成机组和辅助系统过程控制的基础上，还需要扩展到生产、经营的信息管理领域，组建厂级自动化系统，提高电厂的综合自动化和管理现代化水平。
同时社会的发展对电网的供电品质和供电可靠性也提出了越来越高的要求。
因此要求发电机组提高可靠性和自动化水平，实现自动发电控制功能，不断适应时代的要求。
局部电网的发电量已越来越不能满足社会经济快速发展的要求，通过与周边的大电网实现联网，以补充电网发电量的不足，为此国家已开始实施西电东送策略。
这种联网对电网机组的可靠性和自动化水平提出了更高的要求。
“厂网分开、竞价上网、同网同质同价”是电力体制改革的根本方向。
发电企业要想在将来的电力市场中赢得主动，必须降低发电成本。
国产200MW机组的控制系统大多比较落后。
国产200MW机组大多投产于80年代，组装仪表存在精度差、故障率高、调整不方便等问题，大部份模拟量控制系统只能实现远操功能，不能实现自动调节，已严重影响机组的安全经济运行。
因此，有必要采用先进的计算机控制技术，开发一套能应用于国产机组全自动控制系统。
应用先进的计算机控制系统后，可以全面提高机组的自动化运行水平，提高机组运行的经济性和安全性，为电厂的节能降耗和减员增效打下基础，直接降低电厂的发电成本，提高电厂的竞争力。
1.3本课题研究的内容及目的
本文主要针对200MW机组机炉电一体化控制改造工程，根据工程的实际情况和特点以及Symphony集散控制系统在该工程的应用，从分散控制系统总体设计方案，系统的硬件及软件设计，自动化控制技术及方案等方面进行分析研究。
1.3.1一体化控制中分散控制系统的（DCS）总体设计方案
机组工程为机炉电一体化控制改造工程，是在机组原有的基础上通过技术改造使已运行多年的老机组提高运行能力，适应新时期的要求。
对控制系统的功能、控制策略、人机接口界面、机组运行管理的科学性等进行严格的技术论证，拟定了200MW机组控制系统的总体方案遵循适当保留就地一次元件，全面采用DCS系统并辅以BTG盘的控制形式；对DEH系统进行改造并与DCS系统操作界面一体化并共享操作员站；在DCS系统中采用新的控制技术和方案，并对自动发电、多机一控等先进技术进行研究。
通过对总体设计方案的研究达到优化设计，合理确定系统规模，把握系统改造总体思路的目的。
1.3.2分散控制系统的硬件及软件设计
该部分主要研究了分散控制系统的系统结构体系，各部分的硬件要求和具体配置。
通过对硬件设备的研究确定适合与机组改造应用的具体设备，达到最大化的资源运用。
除对系统的硬件进行研究外，同时还对控制系统的软件体系进行讨论，主要是系统监控软件的设计，系统基础控制软件的设计。
研究出适合与操作人员的最优化监控软件，提高系统的全面监控水平，同时通过对基础控制软件的研究确定出系统的自动化控制水平，提高机组运行的自动化程度，降低运行人员的劳动强度，提高效率。
1.3.3自动化控制新技术和分散控制系统新技术及方案
在基础控制软件的基础上，根据机组和控制系统的特点，研究适合于机组的先进的自动化控制技术和方案，最大化的提高机组的自动运行水平，并对目前国内在机组上的自动化控制发展方向进行研究和探索。
主要有以下几个方面：
①自动发电控制系统
自动发电控制（AutoGeneratedControl，简称AGC）是发电机组自动控制的最高形式，它接受并根据负荷调度中心来的负荷指令信号，经机组的负荷指令运算回路运算后协调控制机组各设备的运行，使机组的实际负荷满足负荷调度的需要，从而实现机组的遥控自动发电控制。
②机炉协调控制系统
机炉协调控制系统是自动发电控制系统的核心组成部分，它是将整个机组作为一个整体进行控制，使锅炉和汽机同时响应控制要求，确保机组快速、稳定地满足负荷变化并保持稳定运行。
采用模块化的设计方法，研究了协调控制方式，机组负荷响应，频差修正等多种新型协调控制技术。
③变参数回路控制技术
利用控制系统完善的功能模块和灵活的功能模块参数调整，构成有高灵活性、适应性和可靠性的控制回路。
改变以往控制回路只能采用固定参数，适应性差的缺点。
通过炉膛压力调节系统为例详细剖析了变参数回路控制技术的原理和实现方法。
④前馈式分段汽温调节系统
通过定值分段式汽温调节系统和温差式汽温调节系统的总结和研究，提出了前馈式的分段汽温定值调节系统。
通过在调节系统增加与机组负荷相关的前馈控制环节，既使调节系统结构简单、参数整定容易、系统投运方便的优点又克服了采用独立设定值的分段汽温调节系统不能很好控制传热特性不同的一、二级过热器汽温的缺点。
通过系统实际投运结果表明，能良好的控制气温运行，因而具有广泛的推广价值。
除对控制系统新技术进行研究外，还对DCS系统与DEH共享操作站技术，远程I/O技术，机群组技术进行了研究。
对机组自动化控制的发展方向进行了探索。
目的：
机组机炉电一体化控制改造工程，根据工程的实际情况和特点以及Symphony集散控制系统在该工程的应用，从分散控制系统总体设计方案，系统的硬件及软件设计，自动化控制技术及方案等方面进行分析研究。
为加强行业管理，避免系统选型杂乱，有必要对比各系统的优缺点，给厂商选择提供参考。
通过先进的控制系统，结合国产火力发电机组的情况研究出机组改造的合理，经济，先进的改造方案。
该方案实施后，既能最大限度的节省投资，又能最大化提高电厂的自动化运行水平和机组运行效率。
从而提高电厂的运行水平和适应市场的竞争能力，建立现代化的新型电力企业。
2分散控制系统综述
分散控制系统的含义着重体现在“分散”上，而“分散”含义有两个方面：
一是强调各种被控的生产设备是分散的，系统相应的控制设备也在地理上分散布置；二是指控制系统所具有的功能是分散的，即计算机控制系统的数据采集、过程控制，运行显示、监控操作等按功能进行分散，这种功能上的分散同时意味着整个系统危险分散。
2.1分散控制系统典型结构
2.1.1DCS的基本构成
一个最基本的DCS应包括四大部分:
至少一台现场控制站，至少一台操作员站，一台工程师站（也可利用一台操作员站兼做工程师站），一个系统网络。
一个经典的DCS体系结构如图2一1所示。
图2-1典型DCS结构
（1）操作员站
操作员站主要完成人机界面的功能，一般采用桌面型通用计算机系统，如图形工作站或个人计算机等。
其配置与常规的桌面系统相同，但要求有大尺寸的显示器（CRT或液晶屏）和高性能的图形处理器，有些系统还要求每台操作员站使用多屏幕，以扩展观察范围。
为提高画面的显示速度，一般都在操作员站上配置较大的内存。
（2）现场控制站
现场控制站是DCS的核心，系统主要的控制功能由它来完成。
系统的性能、可靠性等重要指标也都要依靠现场控制站保证，因此对它的设计、生产及安装都是有很高的要求。
现场控制站的硬件一般都采用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必须的运算器、存储器外，还包括了现场测量单元、执行单元的输入输出设备、及过程I/O和现场1/0。
在现场控制器内部，主CPU和内存等用于数据的处理、计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场1/0则被称为现场部分，这两个部分是需要严格隔离的，以防止现场的各种信号，包括干扰信号对计算机的处理产生不利的影响。
现场控制站内逻辑部分和现场部分的连接，一般采用与工业计算机相匹配的内部串行总线。
（3）工程师站
工程师站是DCS中的一个特殊功能站，其主要作用是对DCS进行应用组态。
应用组态是DCS应用过程中必不可少的一个环节，因为DCS是一个通用的控制系统，在其上可实现各种各样的应用，关建是如何定义一个具体的系统完成什么样的控制，控制的输入、输出量是什么，控制回路的算法如何，在控制计算中选取什么样的参数，在系统中设置哪些人机界面来实现人对系统的管理和监控，还有诸如报警、报表及历史数据记录等各个方面功能的定义，所有这些，都是组态所要完成的工作，只有完成正确的组态，一个通用的DCS才能够成为一个针对具体控制应用的可运行系统。
（4）服务器及其他功能站
在现代DCS中，除了现场控制站和操作员站以外，还可以有许多执行特定功能的计算机，如专门记录历史数据的历史站;进行高级控制运算功能的高级计算站;进行生产管理的管理站等。
这些站都是通过网络与其他各站连接，形成一个功能完备的复杂控制系统。
（5）系统网络
DCS的另一个重要的组成部分是系统网络，它是连接系统各个站的桥梁。
由于DCS是由各种不同功能的站组成，这些站之间必须实现有效的数据传输，以实现系统总体的功能，因此系统的实时性、可靠性和数据通信能力关系到整个系统的性能，特别是网络的通信规约，关系到网络通信的效率和系统功能的实现，因此都是由各个DCS厂家专门精心设计的。
随着网络技术的发展，很多标准的网络产品陆续推出，特别是以太网逐步成为事实上的工业标准，越来越多的DCS厂家直接采用了以太网作为系统网络。
（6）现场总线网络
早期的DCS在现场检测和控制执行方面仍采用了模拟式仪表的变送单元和执行单元，在现场总线出现以后，这两个部分也被数字化，因此DCS将成为一种全数字化的系统。
在以往采用模拟变送单元和执行单元时，系统与现场之间是通过模拟信号连接的，而在实现全数字化后，系统与现场之间的连接也将通过计算机数字通信网络，即通过现场总线实现连接，这将彻底改变整个控制系统的面貌。
2.1.2DCS的软件
通过以上对DCS中各个站的功能描述，可以很清楚地知道每种站上的软件的功能，如现场控制站上的软件主要完成各种控制功能，包括回路控制、逻辑控制、顺序控制、以及这些控制所必须的现场I/O处理;操作员站上的软件主要完成运行操作人员所发出的各个命令的执行、图形与画面的显示、报警的处理、对现场各类检测数据的集中处理等;工程师站软件则主要完成系统的组态功能和系统运行期间的状态监视功能。
2.1.1DCS的网络结构
分析DCS一般从两个方面入手:
网络拓扑和网络软件。
（1）DCS的网络拓扑结构
在实际意义上有两种拓扑结构，一种是共享传输介质而不需要中央节点的网
络，如总线型网络和环形网络;另一种是独占传输介质而需要中央节点的网络，如
星型网络。
共享传输介质会产生资源竞争的问题，这将降低网络传输的性能，并且
需要较复杂的资源占用裁决机制;而中央节点的存在又会产生可靠性问题，因此在
选择系统的网络结构时，需要根据实际应用的需求进行合理的取舍。
当然最理想的
网络是即可独占传输介质，有不需中央节点的结构形式，为了实现这一点，目前只
有将各个节点之间全部使用点对点连接，但这种方式已不能称其为网络了，尤其在
节点数量较大时，无论在具体的工程实施方面还是在系统成本方面都是不可行的。
在共享传输介质类的网络中，常用的资源占用裁决机制有两种，一种是确定的
传输时间分配机制，另一种是随机的碰撞检测和规避机制。
（2）DCS的网络软件
要使这些节点连接成一个完整的系统，使各个部分的软件作为一个整体协调运行，还必须依靠网络通信协议。
网络通信软件担负着在系统各个节点之间沟通信息、协调运行的重要任务，因此其可靠性、运行效率信息传输的及时性等对系统的整体性能至关重要。
在网络软件之中，最关键的是网络协议，这里指的是高层网络协议，即应用层的协议。
由于网络协议设计得好坏直接影响到系统的性能，因此各个厂家对此都花费了大量的时间进行精心的设计，并且各个厂家都分别有自己的专利技术。
2.2国内主要DCS比较
2.2.1国内外DCS产品硬件比较
（一）ABB公司SYMPHONY系统
SYMPHONY系统是贝利公司20世纪90年代中期推出的融过程控制和企业管理一身的新一代分布式过程控制装置。
该装置的硬件主要分为现场控制单元（HCU）、多功能处理器（MFP）、人系统接口（conductor）、网络到计算机接口（NCI）、系统工程工具（eomposer）、通信系统（Communication）和节点（nodes）等。
（二）EMESON公司OVATION系列DCS
OVATION控制器采用奔腾处理器，软件采用多任务实时操作系统（RTOS）处理数据。
控制器具有容量大、速度快、处理能力强等特点。
OVATION控制器设计了多级别冗余结构，能实现自动故障切换功能。
当主控制器处理失败或无I/O接口，其内部监视器将检测到，并立刻通知备份控制器，备份控制器将自动跟踪故障控制器输出值，并开始执行过程控制，从而实现自动无扰故障切换。
同时，控制器对关键部件也设计了相应多级别冗余，包括FDDI网络接口、处理器电源、I/O电源、I/O接口远程通信介质等。
（三）FOXPRO公司I/A系列DCS
I/ASerieS的硬件主要包括:
1、应用处理机（ApplicationProeeSSor）
2、工作站处理机（WorkstationProCeSSor）
3、控制处理机（ControlProCeSSor）
4、通讯处理机（CommunicationProeeSSor）
5、现场总线组件FBM（FieldBuSModule）
表2-1:
国内外DCS产品硬件比较
2.2.2DCS软件比较
（一）SYMPHONY系统
为使过程控制系统能够有效地运行起来，在SYMPHONY系统中滞留有3种不同
功能的基础软件结构，分别是:
形成多种控制策略的块状控制语言一功能码（FUNCTIONCODE，FC）。
形成操作员站和工程师站的操作环境一win2000操作系统。
形成系统设计、维护功能的专用软件一控制器组态工具。
（二）OVATION系列DCS
OVATION系统的操作员站有两种软件版本，一个是基于SolariS操作系统的SPARC工作站，一个是基于PC机的WindowsNT4.0。
（三）I/A系列DCS
I/ASerieS软件是一套完善的软件，它提供用户最优化过程和管理能力，实际上适合所有的应用场合。
该软件充分利用了工/ASerieS的客户机/服务器（Client/Server）结构的全部优势，该结构是建立在开放系统互连模型（051）上的以对象为基础的通讯结构。
它允许将功能和计算能力分散在很大的地理区域内，提供了与不同制造商的计算机系统的连网能力，以及提供了适合第三方工业应用的大型平台。
（四）XDPS一400+系列
XDPS一400+系统软件符合MierosoftWin一32规范的真正32位的DCS应用软件系列以及基于WindowS的实时多任务操作系统RMX一X，方便直观的符合IEC一1131一3的DPU图形组态软件，图形显示、报表、控制、记录统计的生成软件，能充分发挥Windows强大功能，具有直观的图形人机界面。
支持分布式客户机/服务器结构和
DDE/OLE、SQL/ODBC等数据交换和共享规范，适用于各种规模的DCS、MIS和SCADA
系统。
表2-2国内外DCS产品软件比较
2.2.3DCS产品性能比较
（一）SYMPHONY系统
SYMPHONY系统具有以下特点:
1.高速、可靠、开放的通讯系统SYMPHONY系统采用了多层次的通讯结构、传递过程及管理数据。
2.分散、独立的现场控制结构。
现场控制
升级会员 