分散控制系统物理分散应用探讨

前言    分散控制系统(DCS)自上世纪八十年代开始在国内作为火电厂的主要控制系统，使火电厂的控制水平得到极大提高。但早期DCS在国内的应用只实现了功能分散，而其物理分散基本上没有被采用。随着DCS电子设备抗干扰等级的提高，设备更可靠，尤其是2000年300MW燃煤机组示范电厂的设计和由此在实际实施中所产生的成效，使DCS的物理分散方案越来越受到各方面的重视和关注。本文将对远程1/0(站)的应用以及将锅炉和汽机电子设备间分散布置的DCS物理分散方案进行论述，并结合采用不同类型主厂房布置方案的电子设备间物理分散布置应用情况进行分析和探讨，寻求合适的机组DCS分散方案，以实现当今业主"高质量、低造价"的目标。    DCS物理分散可采取远程I/O(站)、电子设备间(DCS控制站)分散布置等实现，而现场总线控制系统则是最大程度的物理分散方案。DCS物理分散涉及到DCS通讯和抗干扰条件、远程I/0和远程控制站应用等，本文将对上述内容进行阐述，并简单介绍当今广为关注的现场总线控制系统，最后对各类DCS物理分散方案进行说明并进行方案比较和经济效益分析。 一、主要DCS通讯和抗干条件    西屋公司的Ovation系统采用TCP/IP协议通讯网络，通讯速率为100Mbps，以光纤为介质，两站之间距离可达2km。超过2km时，可选择单模光纤，两站之间距离可达60km。    ABB公司Symphony系统中用于过程控制和过程管理数据交换的控制网络为Cnet，Cnet的环形网络用于连接现场控制站HCU(DPU柜)、人机系统接口和系统工程设计工具，环形网络使用存储转发协议，数据传输为10Mbps，可采用同轴电缆和光纤介质，相邻两节点之间的距离可达2km。    西门子公司的T-XP系统的电厂总线用于AS620自动控制系统(DPU柜)、0M650过程控制和管理系统的处理器PU/SU、ES680工程设计系统处理器ES和DS670诊断系统处理器DS之问的通讯。终端总线用于PU/SU、OM650操作终端(操作员站)、ES680操作终端ET(工程师站)和DS670操作终端DT之间的通讯。电厂总线和终端总线均是通过使用光缆的局域以太网建立起来的，采用IEEE802.3标准的碰撞检测(CSMA/CD)协议，最远距离可达4.3km。    Mestso公司的MAX-DNA系统采用MAXnet通讯网络连接工程师站、操作员站和机柜RPU(DPU柜)。MAXnet通讯网络采用100Mbps的交换式以太网，支特双绞线和光纤介质，当机柜距离控制室低于180m时可采用双绞线，超过180m时需采用光纤介质，最远距离可达2km以上。    上海福克斯波罗的I/A Series系统的结构按节点的概念来构成，I/A Series系统各个站(控制处理机，应用操作站处理机等)通过节点总线(Nodebus)相互连接形成过程管理和控制节点，节点总线符合IEEEF8002.3标准，采用总线形式，传递媒体为同轴电缆或光缆，通讯管理方式采用碰撞检测(CSMA/CD)方式，数据传输率为1OOMbps，节点总线最大长度可达700m。控制处理机通过现场总线和现场总线组件连接，现场总线采用双绞线时最大长度可达1.8km，采用光缆时可达2Okm。    从以上几家在火电厂常用的DCS来看，DCS厂家的高速数据总线的通讯距离均能满足在主厂房内分别建立锅炉、汽机电子设备问的物理分散要求。    上述几家主要DCS厂商的I/0模件均能够适应0~40℃环境温度，5%-95%的相对湿度，振动达到0-2OOHz，0.75G，完全能适应汽机房振动较大的环境，抗电磁干扰符合CE和IEC标准，所以说各DCS厂商的I/0模件抗物理干扰的问题都得到很好的解决，完全适合在汽机房建立电子设备问的要求。 二、远程I/O和远程控制站    常用的远程I/0有国产远程I/O和DCS一体化远程I/0之分。    国内仪表生产商早已成功地开发出分布式测控网络，比较有代表性的有南京总参工程兵学院微机测控技术研究所开发的893-数据采集网络，无锡华东电站仪表厂的HD-2000SCADA智能分布式测控系统(IDCB)和无锡贝尔自动化仪器仪表有限公司IDAS-3000系列分布式智能测控网络(IDAS)。智能数据采集前端采用密封结构，可防尘防潮，适应环境温度超过-20~60℃，就近布置于生产设备附近，通过串行总线和置于主机内的网络适配器与主机进行数据通讯。一个采集网络可挂50块黑匣子，一块黑匣子一般具有20个左右的通道。十多年来，分布式测控网络己大量应用于火电厂数据采集系统，在小机组生产过程监控方面应用也非常广泛。目前在大型火电厂其应用范固主要为锅炉金属温度、发电机本体温度(线圈、铁芯和冷却水温度)、辅机电机线圈温度等的采集。虽然智能采集前端可构成开关量控制和简单模拟量调节回路，但基于火电厂系统的复杂性和特殊性，这些功能在火电厂没有得到象石化等行业那样广泛的应用。目前国内大多厂商的智能采集系统采取自身不设上位机(工控机)的方式直接与大多数 DCS实现通讯连接，统一了平台，简化了控制室布置并保持了人机接口的协调一致性，提高了电厂的自动化水平。    在DCS中采用远程I/0具有以下突出的优点:    (1)可靠性高。远程I/0采用网络结构，还可根据具体情况对主机和前端设置一定的冗余备份。    (2)远程I/0产品的智能化，可实现A/D转换、冷端温度补偿、工程单位变换、量程自动转换、非线性补偿、上下限报警、自检、自校正、自诊断等功能，使DCS主机的负荷率减小和系统精度提高。一部分原来直接进入DCS的I/0信号采用远程I/0后，在远程I/0中进行预处理，并将处理的结果以数字通讯方式传给主机。    (3)系统可更为分散，以节省信号电缆，减少调试工作量。    DCS一体化的远程I/0和远程控制站的应用在较大范围内解决了由DCS控制的各分散辅助(车问)系统电缆连接问题，国内电厂在这方面的应用主要集中在燃油泵房和循环水泵房的监控。    现场总线是指在生产现场的测量控制设备与控制中心之间采用全数字、双向、串行、多节点数字通信网络，基于这种开放型网络构造的新一代的全分布控制系统称为现场总线控制系统(FCS)。FCS具有互操作性、开放性、分散性、经济性、系统精度高、可维护性等优点。但目前被确认的现场总线标准多达十种，不同的现场总线标准协议之间是不能够直接进行互连和通讯的。因而在火电厂自动化系统选型时，DCS仍然是目前工程应用选型的主流，而目前FCS在电厂的局部区域(如化学补给水处理系统)只取得少量应用。 4.l DCS构理分散原则    DCS物理分散的一般原则是按照工艺系统的布置和特点，在机组炉、机分开的基础上，按工艺系统区域划分电子设备间。采用DCS物理分散后，各控制站的划分则以工艺系统为主，结合控制功能(机组协调和复杂模拟量控制单独设站)的原则进行。 4.2 内媒仓和外媒仓DCS物理分散方案简介    黄石电厂"大代小"2�330MW机组工程采用中间贮仓钢球磨制粉系统，煤仓间布置在主厂房锅炉的后部，即外煤仓布置方案。配合主厂房布置，集中控制室布置在两炉间的小型楼的运转层，在集中控制室两侧设置每台锅炉的电子设备间，在汽机房靠近机头侧的8.2m层按照模块化布置各自汽机的电子设备间。由于汽机电子设备间直接布置在汽机房，因而节减了大量电缆和桥架，取得了较好的经济效益。    由中南电力设计院设计完成的其它采用DCS物理分散的30OMW级电厂，主厂房多采用内煤仓布置，集中控制室布置在两炉问的小型楼的运转层，锅炉和公用电子设备间布置在控制室后，汽机和电气控制设备分散布置在汽机房的电子设备问，各项目不同程度地节省了电缆和桥架。 4.3 仍煤仓DCS物理分散方案 4.3.1 布置方案说明    当前中南电力设计院正在设计的某项目2�600MW机组工程在主厂房布置时采用了侧煤仓布置方案，并采用模块化设计。下面重点针对该方案的DCS物理分散进行技术和经济分析。    该项目取消了常规集中控制楼布置方案的两炉之间的集控楼，使煤仓问能够布置在两炉之问的空余场地上，同时汽机房不设专门的管道问，压缩了主厂房占地和体积，节省了投资。热控设备按照工艺系统划分就地相对集中布置于被控对象附近，从而可节省大量电缆及桥架。    该项目集中控制室和热控电子设备问具体布置如下:    集中控制室布置在侧煤仓问锅炉运行层的给煤机平台，与汽机房B列紧邻，与各电子设备间完全分离。    在汽机房B列与锅炉Kl柱之间中间层靠机头侧的适中位置布置有每台机组的汽机电子设备间，其内布置汽机和部分电气控制设备。    在侧煤仓与锅炉运转层平台内侧之间、位于锅炉横向中心线前后布置每台机组的锅炉电子设备间，其内布置锅炉热控设备，虽然锅炉区域较大，但该电子设备间位置非常适中，可取得最佳经济效益。    公用电子设备问布置在汽机房B列与锅炉K1柱之间中间层的，位于集中控制室下方，属于两台机组公用。 4.3.2 方案比较和经济效益分析    与常规集中布置方案相比，采用DCS物理分散布置方案引起的电缆和桥架费用的主要差别体现在主厂房区域内，因此本文只比较主厂房部分的电缆和桥架用量。    以目前己投产的某电厂2�600MW燃煤机组工程作为"对比工程"，该项目为常规集中控制楼内煤仓布置方案。两台600MW级燃煤机组对比工程的主厂房热工控制电缆总根数约为9008根，扣除2558根短距离电缆(不论何种方案其长度不变)，剩余长距离控制电缆根数约为6450根，其中锅炉和汽机各占2/3和1/3，即锅炉和汽机长距离电缆数量分别为4300根和2150根，锅炉部分每根控制电缆的平均长度为130m，汽机部分每根控制电缆的平均长度为110m,对比工程主厂房热工控制电缆的总量为130�4300m 110�2l50m 40000=835.5km。当采用与"对比工程"相同或相似的主设备和主要工艺系统的侧煤仓和电子设备间分散布置方案时，从电子设备间到被控对象的电缆敷设的距离明显缩短，平均每根锅炉部分控制电缆长度将减少到约85m，平均每根汽机控制电缆的长度将减少到约70m。这样分散布置方案的主厂房热工控制电缆的总量约为85�4300m 70�2l50m 40000m=556km。    采用常规集中控制楼布置方案时，电子设备问通往汽机房和锅炉煤仓间的电缆都要穿过集中控制室下的电缆夹层，两台600MW燃煤机组主厂房热工控制电缆桥架用量按全厂限额指标的25%计，约为340t。采用DCS物理分散布置后，热控电缆超宽和超重的桥架用量估计可减少200m左右，按每米节约0.5t(多层桥架及步道的总量)考虑，约可节省桥架100t。    由上述推算可得出如表口的经济效益分析:        从表1可以看出，采用DCS物理分散布置的模块方案，主厂房热控电缆和桥架的总费用能够节省约946.4万元，具有明显的经济效益，同时具备热控技术应用水平高，控制区域划分合理，DCS整体性能大为提高等优点。    由此可以看出，采用DCS物理分散方案后，由于控制站和控制机柜与被控设备或被控对象的距离更近，电缆材料和电缆施工费用均有不同程度的减少。但大型燃煤机组主厂房布置是一个庞大的系统工程，需要多专业协调配合。从热工自动化设计的角度讲，就是要配合主体业确定最佳控制室和电子设备间布置位置，从而确定采用何种程度的DCS物理分散方案，以取得更好的经济效益。 五、结束语    以往项目业主对采用DCS物理分散布置方案有很多顾虑(如担心不便于集中管理和维护)和对节省投资的迫切性要求不高。随着电力体制改革的深化，节省投资是项目建设的重中之重，随之采用DCS物理分散布置方案的电厂逐步增多。    主机控制系统(DCS)实现物理分散布置后，可使分散控制系统(DCS)"分散"的特点得以更充分地体现，既可有效地减少电缆和桥架用量，减少施工工作量，节省投资，缩短施工周期，取得显著的经济效益;同时大量平行敷设的电缆问的相互干扰得以降低，使信号传输稳定，系统可靠性得到提高。    采取DCS物理分散布置方案后，一般电缆夹层会随之消失，需要很好地规划电缆通道;各区域之间以及各电子设备间下的DCS通讯电缆应采用皑装型式，且采取保护管或专门电缆槽盒进行敷设;同时还需要对锅炉侧和汽机侧的DCS控制器进行合理划分，将给水系统有关设备的信号、汽机速度级压力信号等与机组协调有关的信号正确接入相应的系统等等。另外需要与建筑、暖通、消防专业密切配合，做好电子设备问的隔音、防尘、空调、消防等设计工作。