大型火力發電廠輔助車間控制系統選擇

摘 要:本文介紹了目前國內火力發電廠全廠輔助車間的控制方案，即通過輔助車間控制網絡采用PLC或DCS實現全廠輔助車間監控進行了分析和比較。

關鍵詞:發電廠 車間控制系統 應用

中圖分類號:TM6文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(a)-0049-02

1 國內輔助車間控制系統水平及存在的問題

我國電力行業改革正在如火如荼的進行中，隨著“廠網分離，競價上網”的改革方針的實施，各大發電公司競爭將加劇。大型發電廠機組對電廠輔助系統自動控制水平也提出了更高的要求。全過程自動化及網絡化是電廠輔助系統為滿足大機組高效運行而必須確定的發展方向。

輔助車間控制系統網絡化具有許多優勢。首先，輔助車間控制系統網絡化實現了輔助系統集中監控及綜合調度，它能夠實現整個電廠輔助系統的優化控制，最大限度地滿足電廠機組安全、高效運行的要求。其次，輔助車間控制系統高度的自動化和網絡化，可最大限度地節約人力資源，提高勞動生產率，實現效率最大化，滿足投資方的要求，實現投資的良性互動。再次，輔助車間控制系統的聯網，進而與電廠SIS系統及MIS系統實現聯網，真正實現全廠網絡化，使電廠競爭力更加強大。

2000年燃煤示范電廠及新頒發的《火力發電廠設計技術規程》(DL 5000-2002)對輔助車間的控制也提出了新的要求，即“相鄰的輔助生產車間或性質相近的輔助工藝系統宜合并控制系統及控制點，輔助車間控制點不宜超過三個(輸煤、除灰、化水)，其余車間均按無人值班設計。”目前，300MW以上的大型火電機組，為提高輔助生產車間自動化水平基本上均按上述要求設置輸煤、灰渣、水務三個輔助車間控制點，實現以燃料、灰渣、水務為主體的分區域網絡控制系統。輔助車間控制系統一種是采用成熟的DCS來實現輔助車間控制(主要取決于單元機組DCS選型，如在招標中DCS系統性能價格比優于PLC系統，宜選用DCS系統)，另一種是采用PLC＋LCD站的監控方式，基本上取消了常規操作盤臺，實現了以LCD為核心的監控方式。但這些作法還沒有充分發揮計算機控制技術和網絡技術近年來飛速發展所提供的巨大優勢。輔助車間與單元機組的控制水平仍存在較大差距，主要在:

(1)各控制系統的監控相互獨立，沒有充分考慮資源的共享，造成浪費。

(2)控制系統設備選型有時又多種多樣，給生產維護帶來不便。

(3)輔助車間采用車間集中控制方式，都設有控制室，每個控制室又必須固定2～3名運行值班員，形成多個控制“孤島”，使得運行管理不能集中，從而造成各種資源的浪費。

(4)各個區域的控制網絡均需設置與廠級監控信息系統(SIS)的接口，(包括硬件和軟件)客觀上造成與SIS系統接口實施復雜化。

針對目前附屬生產系統和輔助車間控制方案上存在的問題，必須進行輔助車間控制系統的優化，如何簡化全廠自動化監控和信息網絡結構，進一步提高全廠自動化水平，最大程度的減員增效，成為輔助車間控制系統優化設計的關鍵所在。

2 目前火電廠輔網控制系統的應用

在目前輔助車間控制系統中，PLC和DCS都得到了廣泛的應用，都是計算機技術與工業控制技術相結合的產物，DCS和PLC都有操作員站提供人機交互的手段、都基于計算機技術的控制器完成控制運算、通過I/O卡件與一次元件和執行裝置的數據交換，都具備網絡通信系統。但兩者之間也有細微差別，其主要方面是:

(1)從控制器對于輔助系統(車間)的控制要求來講，DCS和PLC控制器的主要差別是在開關量和模擬量的運算上。對于輔助車間目前發展是兩者相互有些滲透，PLC除邏輯運算外，也增加了一些控制回路算法，但要完成一些復雜運算還是比較困難，PLC主要采用梯形圖方式編程，編程時不太直觀，編程比較麻煩。而DCS使用功能塊進行模擬運算和邏輯運算，無論是邏輯運算還是復雜模擬運算的表達形式都非常清晰，電廠輔助車間的控制主要是開關量控制，PLC完全可以滿足要求。輔助車間控制除開關量控制外，還有一些復雜的模擬量控制，例如，加藥控制，更適合采用DCS。

PLC執行邏輯運算的效率很高，執行1K邏輯程序不到1毫秒，其控制周期(以DI輸入直接送DO輸出為例)可以控制在50ms以內;而DCS在處理邏輯運算和模擬運算時采用相同的方式，其控制周期往往在100ms以上。我們用PID算法來比較時，可以發現PLC執行一個PID運算約幾個毫秒，而DCS的控制器執行一個PID只需要1毫秒，這說明PLC和DCS和實際運算能力是相當的。控制周期上的差異主要與控制器的調度設計有關，大型PLC往往使用副CPU來完成模擬量的運算，主CPU高速地完成開關量運算，所以即使模擬運算速度一般，在開關量控制方面的速度表現還是非常優秀的。新型的DCS控制器借鑒了PLC的優點，控制器可以設置多個不同優先級的任務，最小運算周期可以設為10ms，配合高速I/O卡件，控制周期也能夠達到50ms以內。

PLC的軟件組態功能以梯形圖為主，部分支持IEC1131-3標準規定的五種編程語言，人機界面組態軟件采用PLC配套或第三方提供的通用的工控軟件(如iFix、Intouch)來完成。DCS作為一個系統，組態軟件是DCS廠家提供的成套專用軟件，有功能專業、穩定性好和系統性強的特點，DCS組態以模塊功能圖為主，積累了大量的高級算法模塊，例如DCS具有的設備級模塊，在一個模塊中集中完成了面向設備的基本控制和故障報警功能，在網絡通訊中也以此模塊為單位進行傳遞，大大提高了軟件開發和數據傳輸的效率，一個設備模塊相當于0.5K的梯形圖邏輯量，PLC要完成同樣的功能，就要煩瑣得多。目前一些DCS也開始使用基于iFIX或INTOUCH的工控組態軟件，但DCS廠家使用通用工控組態軟件并不是簡單地拼裝，而是在通用監控軟件的基礎上，通過合作開發，將自已多年積累的網絡通訊技術、系統自診斷技術以專用軟件包的形式保留和繼承下來了。

(2)從網絡通訊方面看，分散控制系統的“分散”主要體現在獨立的控制器上，“集中”主要體現在具有完整的數據通訊系統，PLC系統的I/O點數一般沒有DCS多，而單個控制器的I/O集成度又高，所以網絡傳輸數據量小，因此其網絡技術發展未得到足夠的重視。當前雖然在形式上DCS和PLC都采用了工業以太網技術，但由于PLC和組態軟件一般是兩個工廠生產，PLC采用的是將MODBUS通訊協議加載到以太網的TCP協議之上的一種通訊方式，它雖然具有了網絡的外形，但依然是一主多從的串行通訊方式，采用數據表的傳輸結構。而基于工業以太網的DCS，其應用層協議是DCS公司積累了近30年的專用協議，主要特點在于各站平等，不存在網絡管理站，而且數據通訊是以模塊為單位的結構化數據，較PLC數據表傳輸方式的效率要高得多。

(3)從擴展功能看，DCS能夠提供系統仿真的功能，利用仿真功能不僅能夠使控制系統調試更為簡單，縮短現場調試進程;對運行人員的培訓也能起到重要作用，又利于運行人員能夠迅速掌握運行方法。PLC暫未具備該項能力。

(4)從工程實施(設計、調試、擴展以及與工藝的配合)上看，DCS比PLC靈活，但PLC比DCS成熟，而且相對來講PLC的價格低，工程應用業績多，從應用環境及要求看，DCS和PLC都能滿足使用要求。DCS以往由于價格較高，在輔助系統(車間)應用一直不多。最近由于價格不斷下降，加上大型機組對輔助車間控制的要求的不斷提高，目前也具有采用DCS成功實施輔助車間控制的工程業績有了一些輔助系統(車間)的工程業績。從目前情況看來，DCS與PLC的價格差距已不明顯，今后將呈現出輔助車間控制采用DCS的趨勢。

3 結論

綜上所述，在輔助系統環境下，PLC和DCS有差別但并不十分明顯，DCS在整體性能上要略占優勢，PLC在成熟度上占有優勢，而且兩者有越來越接近的趨勢，輔助系統(車間)集中控制無論采用PLC或DCS，均能滿足控制要求。在熱工自動化領域，主廠房控制系統基本上采用DCS，其主要原因是早期的DCS系統非常昂貴，鍋爐、汽機和發電機的控制要求長期穩定可靠運行，信號中含有相當比例的模擬量，從系統性能出發，人們選擇了昂貴的DCS，而電廠輔助系統(車間)的運行可以間斷，可靠性要求比主廠房低，且模擬量控制要求較少，從降低成本的角度出發，往往選擇PLC系統，現在兩種系統價位也較為趨近。可在同樣的條件下對兩種系統進行比選，至于最終選擇哪種方案可通過招標決定，建議在價格相近的情況下優先選擇DCS。

參考文獻

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[2]邱公偉主編.可編程控制器網絡通信及應用.北京:清華大學出版社，2000.

[3]李展燕.火電廠輔助陳建控制系統方案探討.世界儀表及自動化，2005.