DCS控制技术在热电厂机炉控制系统改造工程中的应用

摘 要：本文通过对小热电落后控制系统改造工程的实施，从技术角度论证了对小热电控制系统改造的必要性和可行性。新型DCS集散控制系统在小热电改造方面具有积极的推广意义。结合雁南热电厂机炉DCS系统改造工程，深入研究了DCS系统在热电厂机炉自动控制系统中的应用，完成了控制系统整体方案的设计、人机界面设计和软件组态的设计，并通过程序设计实现各种参数监测、数据采集与通讯、自动控制等过程控制，还通过DCS系统完成了各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等功能，提高了生产现场的自动化程度，降低了职工的劳动强度，也有效降低了职工误操作导致的事故风险。

关键词：集散控制系统；和利时；小热电；MACS系统

1 概述

1.1 DCS系统定义

“DCS（Distributed Control System），即所谓的分布式控制系统，或在有些资料中称之为集散系统”，“相对于集中式控制系统而言的一种新型计算机控制系统，它是在集中式控制系统的基础上发展、演变而来的。”过程控制和过程监测是构成DCS系统的两大组成部分，它们借助网络通信技术，构建起多级计算机控制系统，即所谓的DCS系统，它综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）四方面内容，实现了分级管理、集中操作、分散控制的系统功能，同时具备组态方便、配置灵活的优点。

1.2 DCS系统的发展状态

随着自动控制理论与计算机科学的快速更新，新一代DCS集控系统在许多方面取得了突破；例如在局部网络采用通用MAP协议；变送器的标准化和智能化发展，网络技术和现场总线技术的应用；以及在软件控制语法规则中过程顺序控制与模糊控制理论的逐渐完善，DCS技术再次有了质的飞跃。

1.3 研究内容及目标

2013年大雁集团公司委托和利时公司进行雁南热电厂DCS控制系统改造项目。作者学习研究和利时DCS集散控制系统各种组态方案，配合厂家进行系统结构设计，根据工艺流程界面和监控点位设计，进行控制单元组态、流程图组态和监测单元的组态设计。

2 改造工程DCS系统选型

2.1 DCS系统选型总体要求

生产厂家所提供的DCS系统应具备性能优良、系统完善、功能全面、运行可靠、技术先进、稳定性好的特点，同时具有良好扩展能力，以确保控制系统满足雁南热电厂机炉DCS系统改造技术的要求。

2.2 DCS控制系统选型结果

雁南热电厂DCS系统改造项目组依据横河、新华、和利时和浙大中控提供的产品资料和投标方案，对各系统的I/O卡件、网络通信方案、组态工具、控制算法、开放性、模块、结构以及价格等各方面条件进行了全面比较。最终选择和利时公司设计的MACS系列DCS系统。

3 HOLLiASMACS系统原理

3.1 MACS系统结构

MACS系统通过先进的ProfiBus-DP技术和标准网络通信规约，将众多厂家的各种仪表或模块纳入系统中。SM系列硬件模块在现场数据采集方面的应用最大限度的保证了数据的准确和安全；RASC控制器的处理速度甚至能够达到或超过毫秒级，从而同时完成上百个回路的控制任务；通过以太网技术实现的ERP系统为用户提供了便于操作、容易掌握的人机交互界面，重要的运行数据被存储在历史库中，便于操作者随时调用和查阅，生产数据分析报表同时为企业管理者提供了生产调度和管理的基础资料。

3.2 控制器算法组态研究

在MACS系统中，设计者运用算法组态软件CoDeSys来编辑和显示底层控制算法。可以通过控制器软件组态进行平台开发，通过软件的控制方案编辑器和仿真调试器两个功能模块使用不同的算法语言完成用户控制方案的逻辑组态。

3.3 MACS系统的图形组态研究

和利时MACS组态软件通过PlantView人机界面软件来进行监控站画面组态的工作，可以编辑和生成系统的工程总貌图、生产流程图、运行工况图和系统等。组态后的DCS系统依靠图形显示界面，操作员可方便地查询现场各台设备的运行情况和参数，并通过操作员站发布操纵指令，从而实现对生产过程的监视和控制。

3.4 数据库组态

数据库组态是形成应用系统的数据基础，它对逻辑系统中各站的点信息进行了定义。主要功能是建立整个DCS系统的核心组成——数据库。和利时MACS控制系统提供了数据库总控软件，可以方便地将所需点的信息导出，存为以空格为分割的TXT文件。

4 MACS系统配置设计

4.1 总体设计

本次DCS系统改造工程采用汽轮机和锅控制系统炉集中布置方式进行设计。雁南热电厂三炉两机母管制热力系统共用一个控制间，循环流化床炉、汽轮机、除氧器、给水泵和厂区减温减压器的控制全部由和利时MACS5.24控制系统实现，集控室内设有监视操作站，运行人员可以通操作站对设备状态进行监视和调整操作。控制系统的设计保证了系统开放性高、操控性易、灵敏度高、可靠性优的特点，能够满足机组在变工况下稳定运行的要求。

4.2 控制系统通信网络设计

PROFIBUS（Process Fieldbus）是一种成熟的开放式现场总线技术。PROFIBUS的各种版本分别能够解决车间层面通用性数据通信任务、实现分布式系统控制及各单元控制之间数据传输。

4.3 生产指标计算设计

通过输入/输出热量平衡法，计算汽轮机组热力循环性能指标，并对主蒸汽参数和排汽参数等实际数值偏差进行校正。系统可以计算当主蒸汽和排汽参数与设计工况发生偏差时引起机组效率的变化情况。并在操作站操控界面上提示值班员调整设备运行参数。通过端差逼近法来计算回热加热器换热效率。计算出各级回热加热器的热效率。依据HEIS给出的凝汽器内表面洁净系数，计算凝汽器的换热效率。并计算凝汽器的热效率。根据能量平衡原则计算锅炉给水泵的机械效率。通过热力系统实际运行参数与设计工况的偏差，利用等效焓降理论计算系统实际热效率与额定热效率的差异，并计算差异所引起的系统能耗变化指标。

5 雁南热电厂DCS控制系统技术改造设计

“SAMA是美国科学仪器制造协会（Scientific Apparatus Makers Association）的简称，SAMA图是该协会颁布的图例”。SAMA图具有过程直观、简洁和准确的特点，因此广泛地应用在各类控制工程的原理图绘制，国内外许多仪器仪表生产厂家都在使用SAMA图来进行控制工程方案设计；而且SAMA图的数据交换方式和流程构建模式和DCS控制模块组态图近乎一致，各种控制算法都有相对准确的定义。因此本章节选择运用SAMA图设计雁南热电厂DCS改造工程控制方案。

6 组态设计

系统组态是在工程师站上利用组态软件Sckey完成整个DCS系统方案设定，进行总体编译后，下载到控制站执行，并传送至其他操作站，成为操作站监控软件所调用的信息文件。

总体信息组态主要根据项目实际情况，确定控制站、操作站的数量及其地址，控制站组态主要包括I/O组态、控制方案组态、自定义变量组态等内容。操作站组态主要包括操作小组设置、监控画面组态、流程图组态、报表等内容。

上述组态内容完成后需进行全体编译，以检查组态正确与否，并生成控制站能执行的程序及监控软件所能调用的信息文件，编译无误后下载到控制站，并传送到各操作站。

7 工程分析及结论

7.1 项目实施效果

本课题设计的机炉DCS控制系统改造工程项目于2014年8月安装调试完成，雁南热电厂机组和锅炉在新安装的和利时DCS系统控制下顺利通过了72小时联合试运转实验，并完成了最终验收。

DCS系统改造后锅炉各运行参数的控制精度明显提高，以往设备自动调节的滞后感减弱很多；根据运行值班员反馈信息，系统在运行过程中，压力测量、温度测量、给水控制、给煤控制、减温控制等手动操作基本正常，系统能记录和查询各个测点和被控对象的数据，能根据设定的极限参数进行监测报警提醒锅炉操作人员。总的来说，系统的运行状况良好。

7.2 存在问题及改进措施

雁南热电厂DCS系统改造后经过2014年冬季采暖期的运行，通过对机组运行历史参数的分析，改造后的DCS系统同样暴露出部分缺陷和问题，具体情况如下：

①雁南热电厂作为矿井自备电厂，发电负荷受井下生产负荷变化的影响较大，在机组电功率变化幅度较大，同时变化速率较高时，汽包水位调节滞后明显，水位波动大。

②2#机组凝结泵流量显示多次发生异常，显示数值明显偏离经验数值。

③原有设备数据采集仪器仪表陈旧，测量值漂移失真严重，造成控制系统精度下降。

针对上述问题，应及时采取以下措施：①在设备生产厂家指导下，根据实际运行情况，调整DCS系统定制设置，提高水位调节灵敏度；同时对负荷变化情况进行分类，通过条件循环语句控制自动选择合适的调节模式。厂家现场处理后问题消除。②更换现场原有陈旧变送器和流量计等测量元件。更换测量元件后问题消除。