電廠輔助車間控制方式比較與選擇

電廠輔助車間控制方式比較與選擇

孫曉紅

(中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣東 廣州 510663)

摘要：針對當前電廠建設特點，對輔助車間控制系統及其輔助系統控制網(BOP)選擇DCS還是PLC技術進行比較，并提出建議。

關鍵詞：輔助車間；控制方式；DCS；PLC；方案比較

收稿日期：2015-07-17

作者簡介：孫曉紅(1969—)，女，山西沁源人，高級工程師，從事電廠儀表與控制設計工作。

1DCS及PLC介紹

近年來，隨著分散控制系統DCS的價格走低，越來越多的電廠開始采用分散控制系統來實現輔助車間的控制。DCS為分散控制系統(DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM)的英文簡稱。它以屏幕顯示、計算機技術、控制技術和網絡通信技術為基礎，突出數據共享、控制功能分散、危險分散、管理和顯示集中的設計理念。DCS控制器內部固化有多任務按優先級搶占方式調度的實時操作系統。在每一調度周期，只有當前申請運行的最高優先級任務可以獲得CPU控制權，并投入運行。更高優先級任務可以打斷較低優先級任務的運行，搶占CPU控制權。

PLC是模仿原繼電器控制原理發展起來的，一個PLC控制器可以控制若干個順序控制任務同時運行。PLC每完成一次全部順序任務程序步，稱為一個掃描周期，其掃描周期在1 ms到幾十毫秒之間。

2輔助車間控制系統采用PLC或DCS方案比較

2.1DCS的多任務運行環境更適合電廠應用

DCS和PLC的任務調度方式不同，DCS的多任務運行環境更適合電廠應用。

PLC控制器對突發事件的實時響應能力不如DCS高，其采用固化的、按預先設定的步序和循環調度的方式來保證系統運行的高可靠性。當CPU負荷較大時，PLC往往不能及時響應通信請求。且隨著PLC的工作負荷增加，其實時性迅速下降。

DCS的特點是系統實時響應能力強，但因其實時操作系統內部任務調度和共享資源管理復雜，系統理論可靠性相對PLC略低。但多年來投運的機組證明DCS實時操作系統及應用軟件已經成熟，系統可靠性不亞于PLC，而其固有的強大多任務實時響應能力相比PLC更加適合于工業控制應用。

隨著競價上網、大客戶直供電的推行，為確保供電質量和提高經濟性，對輔助車間控制系統的實時性要求迅速提高，要求各相關控制系統的數據交換能及時、完整，對控制設備操作靈敏、反應迅速、處理正確、紀錄準確，常規PLC控制器已難以保證控制系統的實時響應能力。

2.2系統冗余能力比較

冗余配置技術在DCS中得到充分體現，其部件的冗余配置價廉便捷，配置時通常包含操作員站、服務器、控制器、網絡、電源、模件等主要部分。由于傳統使用習慣和技術原因，PLC控制器較少采用冗余配置。

系統冗余是提高控制設備可靠性，使其實現無人值守、長期自動運行的重要手段。采用DCS技術，能真正實現系統冗余，從而降低系統運行成本。

2.3DCS結構更適合電廠輔機操作控制

DCS結構更加適合地域分散的電廠輔機操作控制，過程控制站往往被設計成可以遠程/就地安裝使用，可以抵御更加惡劣的運行環境，如過程控制站控制器和I/O模件被密封封裝，沒有外露的電子元器件。

常規PLC控制器一般不具備現場安裝應用條件。

2.4DCS控制站功能更加強大

DCS控制站均固化了數百個控制算法模塊，甚至包括自適應控制、模糊控制、最優控制等現代控制理論算法模塊，可以解決電廠的任何復雜控制課題。

PLC控制器的算法功能遠遠達不到DCS控制站的水平。

2.5人機界面的差別

早期的PLC控制器并沒有設計上位監視操作軟件接口。現代PLC控制器通常配備了通用數據接口，使用iFIX、inTouch等通用控制操作軟件，系統組態繁雜，還容易出現不同PLC品牌或不同工程組態單位使用不同操作、組態軟件的可能，需要在工程中及時協調，人機界面針對性差。

人機交互更加友好是DCS的特點，每個品牌DCS都有自己的專用組態、操作監視軟件和實時數據庫，控制組態和人機界面組態簡單直觀，無需在具體工程中投入大量協調工作。

2.6采用的網絡技術的差別

PLC的發展動因與DCS不同，其早期產品并無網絡通信能力，只是后來的發展實踐促使其增加了網絡接口，具備了網絡通信能力。

DCS的誕生和發展就是與計算機網絡通信技術緊密聯系在一起的，其功能和危險分散設計原則就依托于網絡通信技術來實現。人們非常形象地將DCS的通信網絡比喻為數據高速公路，可見其網絡通信能力的強大。

以PLC控制器和DCS控制站的通信為例：

PLC控制器采用的是一種主從式通信協議，整個網絡系統必須設一個通信管理主站(網絡服務器)，它負責逐個查詢所有掛在網絡上的PLC控制器，以獲得其實時數據和狀態，PLC控制器不會主動向外發送信息。如果這個通信管理主站故障，整個系統通信就會中斷。通信管理主站一般由某個操作員站兼任，或專設一臺通信服務器實現該功能。

大多數DCS采用廣播和點對點通信相結合的網絡通信協議。任一掛在數據高速公路上的設備均是其中一個站點，都能實時將自己產生的數據和狀態信息發至數據高速公路并接收其他站點發來的信息。數據高速公路就像一個大的實時數據庫，任何信息均可從網絡實時獲得。按照危險分散、功能分散原則設計的DCS系統無需網絡服務器、通信管理站。

2.7系統網絡接口能力比較

DCS可以提供多種標準網絡接口，可同時與多個第三方控制信息系統連接，系統開放性比PLC更好。

2.8I/O模件比較

PLC與DCS都配備了大量I/O模件。

PLC控制器通常采用機架式安裝，I/O模件僅用于提供現場數據的I/O通道，智能性較差，數據處理往往需由機架內配備的專用I/O處理模件完成(同時負責數據通信)。

DCS過程控制站配備的I/O模件可以獨立工作，每個模件都設計配備CPU處理器和I/O總線接口，獨立完成數據采集和數據處理工作，模件智能化程度高。

PLC控制器的I/O模件往往不要求通道間隔離；而對于DCS而言，I/O模件的通道間隔離是基本要求。

PLC控制器最初被設計用于二進制順序控制，只是近年來對控制器功能要求提高，增加了模擬量采集控制功能，但模擬量控制功能終究是PLC控制器的“補丁”。

DCS從設計伊始就將模擬量控制作為自己最重要的控制功能之一，具有完善的軟硬件設計，可以輕松完成最復雜的模擬量控制功能。

2.9應用DCS便于實現全廠管控一體化

采用DCS完成電廠輔助車間控制能實現全廠控制系統一體化配置，有效減少備品備件和運行維護人員的勞動強度，更便于自動化管理，實現全廠管控一體化。

2.10事故分析能力比較

由于DCS獨具SOE功能、事故追憶功能、歷史數據記錄功能、更高級的報警功能，因此更便于事故分析。

2.11經濟比較

DCS在20世紀90年代還是技術含量高、應用相對復雜、價格也相當昂貴的工業控制系統。隨著應用的普及，特別是國產DCS的推廣使用，DCS已經走出高貴的神秘塔，變成大家熟悉的、價格合理的常規控制產品。最近國內建設的進口DCS價格平均每個I/O點在400～700元之間，而國產DCS系統用于主廠房更是在400元以下，在輔助車間控制系統即使隨BOP-DCS配供分析儀表電源柜，也未超過550元。而高端PLC+PC的每個I/O點平均價格在700元上下。

綜上所述，DCS系統用于全廠輔助車間控制系統具有系統可靠性更高、功能更強大、響應更快、信息更全面、開放性更廣、更便于實現全廠管控一體化、備品備件及維修成本更低、系統性能價格比更好的優點。

3DCS在全廠輔助車間控制系統中的應用

火電廠DCS系統除了采用進口品牌外，還可采用國產和利時公司HOLLiAS-MACS、上海新華公司XDC-800、北京國電智深公司EDPF-NT等。

電廠全廠輔助車間采用DCS系統組成輔助車間控制網絡，能實現鍋爐補給水系統、凝結水精處理系統、廢水處理系統、貯氨系統、電解海水制氯系統、海水淡化取水泵房、海水淡化系統、工業消防水泵房、中央空調系統、空壓機房、熱網首站、脫硫、除灰、燃油泵房、輸煤等設備的遠程聯網控制，除個別輔助車間保留巡檢調試操作員站外，現場無人值守，在集控室即可達到全廠一點監控的目的。

采用DCS實現全廠輔助車間控制能夠實現采用PLC難以實現的操作控制功能，具有更友好的操作界面、更完整準確的歷史數據紀錄、復雜控制算法等，能有效提高機組的運行穩定性和經濟性，為全廠管控一體化打下了良好基礎，是建設信息化電廠的必由之路。