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1、火电厂DCS物理分散设计The Physical Distribute Design of DCS at Thermal Power Plant胡立国 河北省电力勘测设计研究院 050031摘 要 本文介绍了当今几家主要DCS品牌的产品状况，针对火电厂的实际情况，就DCS应用发展中的物理分散方面谈了自己的看法，与同行探讨。关键词 火电厂 DCS 物理分散DCS于七十年代中期诞生以来，以其硬件品种少、可靠性高、容易维护，控制策略由软件实现、灵活方便、功能强大、软件组态也很简单，运行人员监盘面小、CRT监视即能监视局部控制回路、又能监视全局等优点迅速发展起来。尤其是近代大容量、高参数机组的安装，电
2、网对机组运行控制要求的提高，常规控制系统已不能胜任控制任务，DCS以不可逆转的形式在200MW以上机组广泛应用。近两年来随着电子技术和计算机技术的发展，DCS价格下降，小型发电机组、包括小型供热锅炉也都纷纷采用DCS来控制。目前，DCS在火电机组上的应用技术相当成熟，应用已基本普及，迫切需要改变目前仅仅是应用DCS完成控制任务的状态，向用好DCS，充分发挥、挖掘DCS潜力的方向转变，使DCS的应用更上一层楼，发挥最大效益。就火电厂的应用情况来看，DCS应用的发展面临的任务基本上有三个方面，一是，随着电力系统体制的改革，厂网分开、电力市场经济的来临，电厂需要一个完整的计算机自动化网络，DCS生产
3、商在这方面有非常多的可开拓的机遇。另一方面，就目前DCS的应用水平来看，多数DCS应用是就工程而作工程，仅仅完成机组控制系统的投运，完成生产过程的控制，许多高级应用在国内尚未涉及，没有充分发挥DCS的功能，在目前硬件水平的基础上可作的软件工作非常多，性能计算、故障诊断、控制优化、运行指导、提高控制性能、延长机组寿命、减少机组停运时间、节约原料等诸多方面的工作都有待去完成，著名的DCS厂商在这些方面都有丰富的软件，国内厂家在这些方面也应多作一些应用开发和宣传推广工作，这些工作也有助于树立DCS生产商和其工程合作商的形象，增强其竞争力，电站用户在这方面也应有所投入，这是一低投入高回报的项目。最后一
4、方面，也是DCS概念本身应该包括而至今未能创造效益的一项，DCS（distribute control system）的distribute不仅包括控制系统功能分散，而还应包括控制系统物理分散，以减少电缆量和电缆敷设的施工费用，缩短热控施工周期，减轻热控施工前松后紧的矛盾。虽然DCS物理分散后，系统维护比集中电子设备间形式困难，但通过完善DCS系统的自诊断功能可以得到弥补。本文着重就DCS厂家的硬件及应用情况，结合目前我国火电厂的实际设计水平，就在火电厂热工自动化设计中积极稳妥的进行DCS物理分散设计介绍作者的思路。一 现场总线（FCS）谈到物理分散，首先应想到的应是FCS。近年来，DCS在工
5、业生产过程中广泛应用，工程人员对其信赖感备增，数字化控制的特点和优越性越来越深刻的被人们所认识。随着微电子技术及信息网络技术的发展，现场总线控制系统应运而生。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实现全数字、双向、串行、多节点数字通信网络，基于这种开放型网络构造了新一代的全分布控制系统现场总线控制系统（FCS）。FCS从概念上讲，是一全新的系统，有巨大的优越性，在石油化工等一些领域已有成功应用。但是，FCS的应用是一系统工程，涉及到协议的统一，涉及到变送器、执行机构等各个环节设备的智能化及充足的产品供应，这些均不是一朝一夕能解决的事情。目前、FCS的狂热思潮已经过去，应用的呼声更趋
6、于平静。另外，FCS从工程技术方面讲仍未定型，单元机组的协调控制等复杂算法应在FCS的哪一级去完成等等，仍是需研究确定的问题。因此，FCS作为“安全可靠”为第一设计原则的火电厂控制系统设计选型，条件尚不具备。在所选用DCS允许的情况下，可在工艺系统的局部，例如燃油泵房，小范围采用FCS产品，为FCS在火电厂的应用积累经验。二 电子设备间分散随着网络和计算机技术的发展，DCS应用的推广普及，响应用户的普遍需求，DCS网络趋向于采用通用的网络硬件和标准协议，DCS厂商专注于测量控制卡件的生产和控制策略软件的开发。目前，大多数DCS的主干通讯网络支持光纤介质，通讯网络两站之间的距离满足电子设备间分散
7、的要求,以下是电站常用的几家DCS的通讯网络情况。MCS公司的MAX1000PLUS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，支持双绞线和光纤介质，当机柜距离控制室低于超过180m时可采用双绞线，超过180m时需采用光纤介质，可达1000m；ABB贝利公司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）、人系统接口和系统工程设计工具，环形网络使用存储器插入式的存储转发协议，数据传输率为10MB/S,可采用同轴电缆和光纤介质，相邻
8、两节点之间的距离可达2000m以上；西门子公司的TXP系统的电厂总线用于AS620自动控制系统（DPU柜）、OM650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之间的通讯，终端总线用于PU/SU、OM650操作终端OT（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,传输介质可采用同轴电缆和光纤，最远距离可达4300m；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
9、/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IEEE802.3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方式，数据传输率为10MB/S，节点总线段最大长度为30m，利用节点总线扩展组件进行总线扩展，两节点总线扩展组件之间距离最大300m，节点总线最大长度为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1800m,采用光缆时可达20km；西屋公司的Ovation系统的Ovation FDDI通讯网络以FDDI网络（光纤分布式数据接口）为基础
10、，通讯速率为100Mbp/s，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，FDDI环形距离最大为200km。从以上几家电站常用的DCS来看，高速数据总线的通讯距离均能满足主厂房内控制机柜物理分散的要求。因此，完成DCS电子设备间分散，例如分别建立锅炉电子设备间和汽机电子设备间，主要受主设备布置的制约。目前已有电厂在初步设计中即采用在锅炉和汽机侧分别设置锅炉电子设备间和汽机电子设备间的布置方式。在汽机房设立汽机电子设备间，应充分考虑振动问题，确保满足DCS机柜的要求。对于60MW机组，汽机部分的DCS机柜、继电器柜、电源柜、ETS柜、TSI柜、D
11、EH柜及MEH柜等可全部放入汽机房电子设备间。由于机柜较多，可采用普通机柜，汽机电子设备间通过装设空调，考虑防尘等措施满足机柜的环境要求。目前电气进入DCS已有许多成功业绩，电气全部进入DCS（某些专有设备，例自动励磁控制装置、自动同期装置等通过接口与DCS连接）已成共识。电气I/O点数占DCS I/O点数的20以上，因此，电气部分DCS机柜就地布置，会创造相当的效益。厂用电和发电机/变压器组控制用DCS机柜可置于电气配电间，电气配电间的环境基本能满足DCS机柜对环境（温度、湿度、风尘及电磁环境等）的要求。配电间的环境不能满足要求时，可通过改善配电间环境，或通过DCS采用密封机柜和加装空调解决
12、。另外，DCS卡件都有机柜的屏蔽，再通过良好的接地系统都能满足对电磁环境的要求。实际上，电气的一些微机控制装置都在电气配电间内运行多年，且运行良好。三 远程I/O目前，远程I/O基本上分为两类，一是DCS系统的远程I/O、一是国产远程智能I/O。1、DCS一体化的远程I/O在石油化工等行业，DCS远程I/O的应用较为普遍，由于电站本身的特点，DCS在电力系统的应用到发展的过程中，几乎都采用集中电子设备间的形式。近年来随着DCS在电站应用的普及，应电站用户的要求，各DCS厂商都不同程度的在远程I/O方面作了不少工作，但目前在国内的应用业绩很少，下面是几家DCS产品远程I/O的特点和应用情况：西门
13、子公司的TXP系统采用现场总线profibus连接处理器AP和远程站ET200，ET200有IP20、IP54、IP65等不同防护等级的产品，有专门的手册介绍，在一些电厂的循环水泵房等有应用；MCS公司的MAX1000+PLUS的远程I/O卡件与MAX1000+PLUS系统中相同并行总线I/O卡件完全一样，I/O卡件运行环境温度为060，远程I/O箱大小可选，防护等级IP65，通过总线扩展模件利用光纤连接远程I/O和电子设备间的DPU，距离可达1000米，在产品样本中有专门的章节介绍，在国外有成功应用，但在国内尚无业绩；西屋的OVATION系统的远程I/O柜与其标准机柜尺寸相同，工作温度为06
14、0，国内无应用业绩；ABB-BEILY的symphony系统，远程I/O与主机柜之间距离为1300m，环境温度要求为070，在国内也无应用业绩。由以上情况可看出，著名的DCS厂家都有远程I/O产品，国内应用业绩较少，但技术上是成熟的，并且远程I/O的通讯总线可采用冗余通讯总线，可靠性得到了保证。因此可以说，远程I/O的应用问题仅仅是DCS厂家提供的柜体的防护等级和远程站规模大小的可选择性问题，以及采用远程站机柜相对于普通机柜增加的价格因素。2、国产远程智能I/O近年，国内仪表生产商成功开发出自己的分布式测控网络，比较有代表性的有南京总参工程兵工程学院微机测控技术研究所开发的893-数据采集网络
15、，锡山市阳山仪器仪表厂生产的IDAS智能数据采集网络。两者在结构上有相似之处，采用智能数据采集前端,素称黑匣子，就近布置于生产设备附近，采集过程参数并进行工程变换、越限报警等数据处理，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，智能数据采集前端采用密封结构，可防尘防潮，环境温度要求为-2060，真正实现了分布式测量，近十年来，已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非常广泛。在某些大中型火电机组采用DCS监控的同时，为减小DCS规模，降低DCS造价，对一部分数据的监视也采用国产数据采集网络，通常称
16、之为小DAS，其缺点是它的主机一般采用工控机，其监视器与DCS的操作员站不够协调，另外，又增加了一个监视点。为此在一些电厂的设计中，取消了小DAS的监视器，利用其数据采集与处理功能，采集过程参数，通过一定的通讯方式把采集到的参数传给DCS进行监视，相对DCS而言，称之为远程智能I/O。远程智能I/O与DCS之间的通讯基本上有四种方式，一是利用已开发的DCS和远程智能I/O的现成接口连接，目前只有少数可利用的产品；二是通过DCS局域网的PC机接口，增加PC机，该PC机既作为远程智能I/O的主机，也作为DCS的一个工作站；三是，当DCS系统的操作管理站采用PC总线计算机时（目前DCS的操作管理站多采用PC总线计算机），直接将智能数据采集网络的网络适配器插入DCS的操作管理站，此时操作管理站亦作为智能数据采集网络的主机；四是通过串行口的方式，也是以往工程中应用最多的一种方式，通过智能数据采集网络的串行口适配器或其主机的R
