基于DCS的电厂汽轮机DEH

基于DCS的电厂汽轮机DEH摘要：现代汽轮机控制系统的控制策略是在传统的基本控制策略的基础上，考虑了电网控制，热网控制和机炉协调控制的需要而发展起来的。

数字电液控制系统DEH（Digital Electro-Hydraulic Control Sy stem）是现代汽轮机控制系统的典型形式。

本文的要点在于基于传统汽轮机电调功能之上提出的DCS控制系统设计方案，以实现纯电调全部控制功能。

关键字：DEH 系统；DCS 控制系统；DDV 伺服阀；汽轮机1 集散控制系统概述1.1集散控制系统特点及组成随着现代化工业的飞速发展，工业生产过程的控制规模不断扩大，复杂程度不断增加，工艺过程不断强化，因而对过程控制和生产管理系统提出了越来越高的要求。

集散控制系统就是在这种背景下产生的，它是以计算机为基础而构成的控制、管理、决策系统，满足了现代生产过程的控制和管理的要求。

它是继直接作用式气动仪表、气动单元组合仪表、电动单元组合仪表和组件组装式仪表之后的新一代控制系统。

集散控制系统（Distributed control system）是以微处理器为基础的对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的集中分散控制系统，简称DCS系统。

该系统将若干台微机分散应用于过程控制，全部信息通过通信网络由上位管理计算机监控，实现最优化控制，整个装置继承了常规仪表分散控制和计算机集中控制的优点，克服了常规仪表功能单一，人-机联系差以及单台微型计算机控制系统危险性高度集中的缺点，既实现了在管理、操作和显示三方面集中，又实现了在功能、负荷和危险性三方面的分散。

集散控制系统中所有设备分别处于四个不同的层次，自下而上分别为：现场级、控制级、监控级和管理级。

现场级设备一般位于被控生产过程的附近。

典型的的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器，它们将生产过程中各种物理量转换为电信号。

控制级主要由过程控制站和数据采集站组成。

过程控制站接收由现场设备来的信号，按一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。

数据采集站与过程控制站类似，也接收由现场设备来的信号，但是它不直接完成控制功能，而是将经转换处理后的信号送到监控级设备中去。

监控级的主要设备有运行员操作站、工程师工作站和计算站。

运行员操作站是运行员与DCS相互交换信息的人机接口设备。

运行人员通过运行员操作站来监视和控制整个生产过程。

工程师工作站是为了控制工程师对DCS进行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。

计算站的主要任务是实现对生产过程的监督控制。

管理级包含的内容比较广泛，一般来说，它可能是一个发电厂的厂级管理计算机，也可能是若干个机组的管理计算机。

它所面向的使用者是厂长、经理、总工程师、值长等行政管理人员。

厂级管理系统的主要任务是监测企业各部门的运行情况，利用历史数据和实时数据预测可能发生的各种情况，从企业全局利益出发辅佐企业管理人员进行决策，帮助企业实现其规划目标。

1.2 集散控制系统应用于DEH由于本课程设计对象为汽轮机数字电液调节系统（DEH），不属于厂级管理系统的管理范畴。

所以对本集散控制系统进行设计时，只需包括现场级、控制级和监控级级的内容。

调节系统采用数字电液（DEH）控制系统，由汽机控制计算机、DEH控制卡件、电液转换器和液压系统构成，液压控制介质为低压透平油。

汽轮机数字控制信号由汽机控制计算机发出，指令信号的选择处理，反馈闭环运算及指令信号放大全部由DEH卡件完成，最终放大输出0～25mA信号至现场的伺服机构——电液转换器。

这种系统中阀门开度的闭环控制在卡件中由硬件完成，即“硬控制”方式。

至于如何让电信号转换为液压信号，可以将DEH供油系统采用直线马达驱动的电液转换器 DDV 电液调节阀为电液接口的低压纯电调系统。

直接采用液力弹簧平衡式错油门滑阀，用 DDV 电液转换器所控制的脉冲油替代脉冲泵、调速器和调压器等，与油动机配备的伺服模块和 DDV 阀油路集成块，一起构成电液伺服油动机，脉冲油压直接由 DCS 阀产生去控制油动机滑阀及活塞，DEH 控制器生成的油动机阀位指令信号，经过伺服板、DDV 阀，产生的脉动油直接去控制液力弹簧式的错油门使油动机动作。

油动机行程经 LVDT 测出，反馈到伺服板输入端，使之与该油动机阀位指令保持相等，从而使油动机行程完全由DEH阀位指令控制，进而实现DEH纯电调控制。

错油门滑阀上部的平衡油压由压力油生成为Px=1/2P0，因此可以说控制灵敏度最高。

且滑阀的上、下腔进油腔是同一个压力油，没有机械弹簧的存在，油压波动的影响上下相同、互相抵消即消除了寄生反馈的影响，使油动机的动作灵敏度达到最高，同时有效补偿油源波动波动带来的干扰，以此来消除压力油压波动对脉冲油压的影响和寄生反馈，提高油动机工作的稳定性，满足控制特性的需要。

2 集散控制系统参数确定2.1集散控制系统组成DCS 控制系统采用的是和利时的SmartPro，DEH 由该系统中的一个控制站组成，完成相关的功能。

下面以该系统介绍 DEH 系统得硬件构成。

DEH 系统由控制级的过程控制站，监控级的运行员操作站和工程师站以及一些相关设备如通讯网络、打印机、继电器盘、操作回路和硬接线手操盘等组成。

工程师站用于对应用系统进行数据库、控制算法、逻辑算法、图形和报表、趋势曲线和历史数据等一切现场控制站和操作员站所要完成的功能进行组态，并将组态数据下装到过程控制站和运行员操作站。

运行员操作站可以完成系统控制总貌、各工艺流程画面、实时参数显示、分组控制调节、过程参数趋势曲线显示、报警观察处理、生产记录报表的在线打印、运行状态、故障显示、控制参数设定及修改等功能。

运行员操作站、工程师站与过程控制站通过冗余数据高速公路（以太网）相连，形成一个系统网。

该系统网采用冗余的 100Mbps 的以太网，传输介质为双绞线或多模光纤，它是连接运行员操作站、工程师站等节点与主控单元之间的实时数据通讯网络。

其功能为人--机界面，实现操作员对控制系统的监控操作控制。

过程控制站是一个大规模 I/O 处理系统，由主控单元、各种 I/O 模块及现场电源组件等构成，具有可靠性高、分散度强、可冗余配置等特点。

I/O 卡与主控单元之间采用1.5～12Mbps的Profibus-DP现场总线，实现控制站内各智能 I/O 模块和主控单元之间的互连和信息传递，是现场控制站内部使用的网络。

3 集散控制系统硬件设计3.1集散控制系统硬件DEH 控制装置共设一个过程主控制站，主要承担转速控制、伺服放大、阀位移测量的调制和解调，各种定值生成，功率、汽压、阀门等控制回路及逻辑回路运算。

主控单元 FM801 是过程控制站的主控单元，为冗余配置，互为设备用。

两个主控单元同时接受到网络数据和同时进行控制运算，但是只有一个输出运算结果。

一旦工作中的主控单元故障，备份主控单元自动进入工作状态，且切换过程是无扰的。

测速模块 FM163A 是专为 DEH 开发的高精度，高可靠性测速板，系统配有3块测速板组成三取二冗余结构。

测量范围：盘车转速4500r/min，精度±0.5r/min，响应时间10ms。

测速板还具有103%n0及110%n0的接点输出和三取二的逻辑运算超速保护功能。

伺服模块 FM146A 是专为 DEH 开发的伺服控制板，它与液压系统的伺服阀、油动机、LVDT 组成电压--位移随动系统，系统配有 1 块伺服板，控制 1 个油动机。

伺服机还具有自动矫正零位幅值，紧急手动及油开关闸置输出为零的功能。

I/O 模块：DEH 系统中所用的开入/开出、模入/模出板为SmartPro系统的标准 I/O 模块，所有模块内部均带有CPU 处理器，可以将控制有效地分散到各 I/O 模板，降低主控单元的负担。

I/O 模块能够自诊断模板本身的故障和发讯器的故障，并给出报警信号。

I/O 模块支持带电插拔和冗余配置。

电源组件：控制站中配有多套冗余的24VDC现场电源组件，冗余电源并联使用，均流运行，当其中一个故障时，另一个自动承担全部负荷。

继电器操作回路：完成现场电磁阀的驱动；电源失电及硬接线打闸逻辑；硬件甩负荷快关逻辑。

硬手操盘安装在操作台上，用预制电缆与现场控制站连接，盘面上有调门紧急手操按钮，打闸按钮（带保护套）等。

同时通过硬接线直接连到阀门控制卡。

当控制 BCU 的设备发生故障时，均可由后备手操盘直接控制阀门位置。

3.2 系统硬件设计根据上述设计思想，系统硬件图设计如下。

图1 DEH 现场控制站控制柜系统硬件图其中，FM801：主控单元；FM146A：汽轮机DEH伺服单元模块；FM163：汽机转速测量模块；FM171：十六路继电器开关量输出模块；FM161D：十六路触点型开关量输入模块；FM151A：八路4-20mA模拟量输出模块；FM148A: 八路大信号模拟量输入模块。

3.3 系统功能3.3.1 汽轮机并网机组并网前，控制系统工作在转速控制运行方式，此时，压力、功率调节器处于跟踪状态。

系统升速可有三种方式：就地启动、高调门手动启动、高调门曲线启动。

三种启动方式互为闭锁，即在某一状态下，机组只能由其中一种方式启动。

就地启动时，自动主汽门、高压调门、中压全开，电动主汽门关闭，靠手动调整电动主汽门的旁通门升速。

待转速到2800转时，切换到高调门手动启动，此时电动主汽门打开，高调门开始关，中调门仍全开。

高调门手动启动时，电动主汽门、自动主汽门、中压调门全开，高调门全关。

由操作员输入目标值及升速率，DEH 靠调节高调门的开度控制转速；操作员也可通过微调按钮微调转速和速率。

高调门曲线启动与高调门手动启动相似，不同处为目标值与升速率不需人工输入，操作员仅需根据当前热状态选择某条曲线启动即可；操作员也可通过微调按钮微调转速和速率。

汽机并网后，根据需要通过主蒸汽调速汽门控制奇迹功率或蒸汽压力。

DEH 系统具有与自动同期装置的接口，借助于自动同期装置，进行发电机自动同步调节，使汽轮机转速与电网频率相适应，从而实现发电机的自动同步并网，或由操作人员在同期指示器的帮助下同步并网。

DEH 接收自动同期装置送来的同期增减信号对转速的目标值进行增减（收到增减上升一次，目标值增减一转），以使机组输出的频率、相位等参数与电网一致，达到并网的要求。

机组并网后，机组运行情况良好时，通过选择功率控制运行方式。

此时，功率调节器投入自动，压力调节器处于跟踪状态，转速调节器跟踪并网前的调门开度。

3.3.2 阀门试验和阀位限制为保证发生事故时阀门能可靠动作，DEH 系统具备对调门进行在线试验的功能，包括调门的严密性实验和活动试验。

做调门严密性试验时，调门全关，主汽门全开。

这些试验均通过操作员站的CRT，专门试验画面软手操进行。

在进行阀门在线试验时，汽轮机的运行不受影响。