分散控制系統物理分散應用探討

摘要：針對當前大型燃煤機組分散控制系統(DCS)物理分散方案進行了探討,簡單介紹了采用DCS物理分散方案的電廠實際應用情況，重點對主廠房采用側煤倉布置的DCS物理分散方案進行了技術和經濟分析。采用DCS物理分散布置。可大幅減少電纜、橋架用量和施工費用，并提高DCS的性能；同時由

前言
分散控制系統(DCS)自上世紀八十年代開始在國內作為火電廠的主要控制系統，使火電廠的控制水平得到極大提高。但早期DCS在國內的應用只實現了功能分散，而其物理分散基本上沒有被采用。隨著DCS電子設備抗干擾等級的提高，設備更可靠，尤其是2000年300MW燃煤機組示范電廠的設計和由此在實際實施中所產生的成效，使DCS的物理分散方案越來越受到各方面的重視和關注。本文將對遠程1/0(站)的應用以及將鍋爐和汽機電子設備間分散布置的DCS物理分散方案進行論述，并結合采用不同類型主廠房布置方案的電子設備間物理分散布置應用情況進行分析和探討，尋求合適的機組DCS分散方案，以實現當今業主"高質量、低造價"的目標。
DCS物理分散可采取遠程I/O(站)、電子設備間(DCS控制站)分散布置等實現，而現場總線控制系統則是最大程度的物理分散方案。DCS物理分散涉及到DCS通訊和抗干擾條件、遠程I/0和遠程控制站應用等，本文將對上述內容進行闡述，并簡單介紹當今廣為關注的現場總線控制系統，最后對各類DCS物理分散方案進行說明并進行方案比較和經濟效益分析。
一、主要DCS通訊和抗干條件
西屋公司的Ovation系統采用TCP/IP協議通訊網絡，通訊速率為100Mbps，以光纖為介質，兩站之間距離可達2km。超過2km時，可選擇單模光纖，兩站之間距離可達60km。
ABB公司Symphony系統中用于過程控制和過程管理數據交換的控制網絡為Cnet，Cnet的環形網絡用于連接現場控制站HCU(DPU柜)、人機系統接口和系統工程設計工具，環形網絡使用存儲轉發協議，數據傳輸為10Mbps，可采用同軸電纜和光纖介質，相鄰兩節點之間的距離可達2km。
西門子公司的T-XP系統的電廠總線用于AS620自動控制系統(DPU柜)、0M650過程控制和管理系統的處理器PU/SU、ES680工程設計系統處理器ES和DS670診斷系統處理器DS之問的通訊。終端總線用于PU/SU、OM650操作終端(操作員站)、ES680操作終端ET(工程師站)和DS670操作終端DT之間的通訊。電廠總線和終端總線均是通過使用光纜的局域以太網建立起來的，采用IEEE802.3標準的碰撞檢測(CSMA/CD)協議，最遠距離可達4.3km。
Mestso公司的MAX-DNA系統采用MAXnet通訊網絡連接工程師站、操作員站和機柜RPU(DPU柜)。MAXnet通訊網絡采用100Mbps的交換式以太網，支特雙絞線和光纖介質，當機柜距離控制室低于180m時可采用雙絞線，超過180m時需采用光纖介質，最遠距離可達2km以上。
上海福克斯波羅的I/A Series系統的結構按節點的概念來構成，I/A Series系統各個站(控制處理機，應用操作站處理機等)通過節點總線(Nodebus)相互連接形成過程管理和控制節點，節點總線符合IEEEF8002.3標準，采用總線形式，傳遞媒體為同軸電纜或光纜，通訊管理方式采用碰撞檢測(CSMA/CD)方式，數據傳輸率為1OOMbps，節點總線最大長度可達700m。控制處理機通過現場總線和現場總線組件連接，現場總線采用雙絞線時最大長度可達1.8km，采用光纜時可達2Okm。
從以上幾家在火電廠常用的DCS來看，DCS廠家的高速數據總線的通訊距離均能滿足在主廠房內分別建立鍋爐、汽機電子設備問的物理分散要求。
上述幾家主要DCS廠商的I/0模件均能夠適應0~40℃環境溫度，5%-95%的相對濕度，振動達到0-2OOHz，0.75G，完全能適應汽機房振動較大的環境，抗電磁干擾符合CE和IEC標準，所以說各DCS廠商的I/0模件抗物理干擾的問題都得到很好的解決，完全適合在汽機房建立電子設備問的要求。
二、遠程I/O和遠程控制站
常用的遠程I/0有國產遠程I/O和DCS一體化遠程I/0之分。
國內儀表生產商早已成功地開發出分布式測控網絡，比較有代表性的有南京總參工程兵學院微機測控技術研究所開發的893-數據采集網絡，無錫華東電站儀表廠的HD-2000SCADA智能分布式測控系統(IDCB)和無錫貝爾自動化儀器儀表有限公司IDAS-3000系列分布式智能測控網絡(IDAS)。智能數據采集前端采用密封結構，可防塵防潮，適應環境溫度超過-20~60℃，就近布置于生產設備附近，通過串行總線和置于主機內的網絡適配器與主機進行數據通訊。一個采集網絡可掛50塊黑匣子，一塊黑匣子一般具有20個左右的通道。十多年來，分布式測控網絡己大量應用于火電廠數據采集系統，在小機組生產過程監控方面應用也非常廣泛。目前在大型火電廠其應用范固主要為鍋爐金屬溫度、發電機本體溫度(線圈、鐵芯和冷卻水溫度)、輔機電機線圈溫度等的采集。雖然智能采集前端可構成開關量控制和簡單模擬量調節回路，但基于火電廠系統的復雜性和特殊性，這些功能在火電廠沒有得到象石化等行業那樣廣泛的應用。目前國內大多廠商的智能采集系統采取自身不設上位機(工控機)的方式直接與大多數 DCS實現通訊連接，統一了平臺，簡化了控制室布置并保持了人機接口的協調一致性，提高了電廠的自動化水平。
在DCS中采用遠程I/0具有以下突出的優點:
(1)可靠性高。遠程I/0采用網絡結構，還可根據具體情況對主機和前端設置一定的冗余備份。
(2)遠程I/0產品的智能化，可實現A/D轉換、冷端溫度補償、工程單位變換、量程自動轉換、非線性補償、上下限報警、自檢、自校正、自診斷等功能，使DCS主機的負荷率減小和系統精度提高。一部分原來直接進入DCS的I/0信號采用遠程I/0后，在遠程I/0中進行預處理，并將處理的結果以數字通訊方式傳給主機。
(3)系統可更為分散，以節省信號電纜，減少調試工作量。
DCS一體化的遠程I/0和遠程控制站的應用在較大范圍內解決了由DCS控制的各分散輔助(車問)系統電纜連接問題，國內電廠在這方面的應用主要集中在燃油泵房和循環水泵房的監控。
現場總線是指在生產現場的測量控制設備與控制中心之間采用全數字、雙向、串行、多節點數字通信網絡，基于這種開放型網絡構造的新一代的全分布控制系統稱為現場總線控制系統(FCS)。FCS具有互操作性、開放性、分散性、經濟性、系統精度高、可維護性等優點。但目前被確認的現場總線標準多達十種，不同的現場總線標準協議之間是不能夠直接進行互連和通訊的。因而在火電廠自動化系統選型時，DCS仍然是目前工程應用選型的主流，而目前FCS在電廠的局部區域(如化學補給水處理系統)只取得少量應用。
4.l DCS構理分散原則
DCS物理分散的一般原則是按照工藝系統的布置和特點，在機組爐、機分開的基礎上，按工藝系統區域劃分電子設備間。采用DCS物理分散后，各控制站的劃分則以工藝系統為主，結合控制功能(機組協調和復雜模擬量控制單獨設站)的原則進行。
4.2 內媒倉和外媒倉DCS物理分散方案簡介
黃石電廠"大代小"2×330MW機組工程采用中間貯倉鋼球磨制粉系統，煤倉間布置在主廠房鍋爐的后部，即外煤倉布置方案。配合主廠房布置，集中控制室布置在兩爐間的小型樓的運轉層，在集中控制室兩側設置每臺鍋爐的電子設備間，在汽機房靠近機頭側的8.2m層按照模塊化布置各自汽機的電子設備間。由于汽機電子設備間直接布置在汽機房，因而節減了大量電纜和橋架，取得了較好的經濟效益。
由中南電力設計院設計完成的其它采用DCS物理分散的30OMW級電廠，主廠房多采用內煤倉布置，集中控制室布置在兩爐問的小型樓的運轉層，鍋爐和公用電子設備間布置在控制室后，汽機和電氣控制設備分散布置在汽機房的電子設備問，各項目不同程度地節省了電纜和橋架。
4.3 仍煤倉DCS物理分散方案
4.3.1 布置方案說明
當前中南電力設計院正在設計的某項目2×600MW機組工程在主廠房布置時采用了側煤倉布置方案，并采用模塊化設計。下面重點針對該方案的DCS物理分散進行技術和經濟分析。
該項目取消了常規集中控制樓布置方案的兩爐之間的集控樓，使煤倉問能夠布置在兩爐之問的空余場地上，同時汽機房不設專門的管道問，壓縮了主廠房占地和體積，節省了投資。熱控設備按照工藝系統劃分就地相對集中布置于被控對象附近，從而可節省大量電纜及橋架。
該項目集中控制室和熱控電子設備問具體布置如下:
集中控制室布置在側煤倉問鍋爐運行層的給煤機平臺，與汽機房B列緊鄰，與各電子設備間完全分離。
在汽機房B列與鍋爐Kl柱之間中間層靠機頭側的適中位置布置有每臺機組的汽機電子設備間，其內布置汽機和部分電氣控制設備。
在側煤倉與鍋爐運轉層平臺內側之間、位于鍋爐橫向中心線前后布置每臺機組的鍋爐電子設備間，其內布置鍋爐熱控設備，雖然鍋爐區域較大，但該電子設備間位置非常適中，可取得最佳經濟效益。
公用電子設備問布置在汽機房B列與鍋爐K1柱之間中間層的，位于集中控制室下方，屬于兩臺機組公用。
4.3.2 方案比較和經濟效益分析
與常規集中布置方案相比，采用DCS物理分散布置方案引起的電纜和橋架費用的主要差別體現在主廠房區域內，因此本文只比較主廠房部分的電纜和橋架用量。
以目前己投產的某電廠2×600MW燃煤機組工程作為"對比工程"，該項目為常規集中控制樓內煤倉布置方案。兩臺600MW級燃煤機組對比工程的主廠房熱工控制電纜總根數約為9008根，扣除2558根短距離電纜(不論何種方案其長度不變)，剩余長距離控制電纜根數約為6450根，其中鍋爐和汽機各占2/3和1/3，即鍋爐和汽機長距離電纜數量分別為4300根和2150根，鍋爐部分每根控制電纜的平均長度為130m，汽機部分每根控制電纜的平均長度為110m,對比工程主廠房熱工控制電纜的總量為130×4300m+110×2l50m+40000=835.5km。當采用與"對比工程"相同或相似的主設備和主要工藝系統的側煤倉和電子設備間分散布置方案時，從電子設備間到被控對象的電纜敷設的距離明顯縮短，平均每根鍋爐部分控制電纜長度將減少到約85m，平均每根汽機控制電纜的長度將減少到約70m。這樣分散布置方案的主廠房熱工控制電纜的總量約為85×4300m+70×2l50m+40000m=556km。
采用常規集中控制樓布置方案時，電子設備問通往汽機房和鍋爐煤倉間的電纜都要穿過集中控制室下的電纜夾層，兩臺600MW燃煤機組主廠房熱工控制電纜橋架用量按全廠限額指標的25%計，約為340t。采用DCS物理分散布置后，熱控電纜超寬和超重的橋架用量估計可減少200m左右，按每米節約0.5t(多層橋架及步道的總量)考慮，約可節省橋架100t。
由上述推算可得出如表口的經濟效益分析:

從表1可以看出，采用DCS物理分散布置的模塊方案，主廠房熱控電纜和橋架的總費用能夠節省約946.4萬元，具有明顯的經濟效益，同時具備熱控技術應用水平高，控制區域劃分合理，DCS整體性能大為提高等優點。
由此可以看出，采用DCS物理分散方案后，由于控制站和控制機柜與被控設備或被控對象的距離更近，電纜材料和電纜施工費用均有不同程度的減少。但大型燃煤機組主廠房布置是一個龐大的系統工程，需要多專業協調配合。從熱工自動化設計的角度講，就是要配合主體業確定最佳控制室和電子設備間布置位置，從而確定采用何種程度的DCS物理分散方案，以取得更好的經濟效益。
五、結束語
以往項目業主對采用DCS物理分散布置方案有很多顧慮(如擔心不便于集中管理和維護)和對節省投資的迫切性要求不高。隨著電力體制改革的深化，節省投資是項目建設的重中之重，隨之采用DCS物理分散布置方案的電廠逐步增多。
主機控制系統(DCS)實現物理分散布置后，可使分散控制系統(DCS)"分散"的特點得以更充分地體現，既可有效地減少電纜和橋架用量，減少施工工作量，節省投資，縮短施工周期，取得顯著的經濟效益;同時大量平行敷設的電纜問的相互干擾得以降低，使信號傳輸穩定，系統可靠性得到提高。
采取DCS物理分散布置方案后，一般電纜夾層會隨之消失，需要很好地規劃電纜通道;各區域之間以及各電子設備間下的DCS通訊電纜應采用皚裝型式，且采取保護管或專門電纜槽盒進行敷設;同時還需要對鍋爐側和汽機側的DCS控制器進行合理劃分，將給水系統有關設備的信號、汽機速度級壓力信號等與機組協調有關的信號正確接入相應的系統等等。另外需要與建筑、暖通、消防專業密切配合，做好電子設備問的隔音、防塵、空調、消防等設計工作。