浅谈现代电厂自动控制系统的发展

浅谈现代电厂自动控制系统的发展

【摘要】本文从分散控制系统的现状和行业需求出发，结合已经成熟的技术，分析预见了先进DCS系统架构的发展方向以及各种已经成熟的技术和标准在DCS中应用。

【关键词】需求；OPC；模糊PID；一体化

目前，火力发电机组仍然是我国发电行业主要支柱，而先进DCS系统正经历着逐步的演化，朝向更集成可靠先进的方向发展，而其发展历程也是自动控制领域，计算机系统和网络系统发展应用的缩影，也呈现了我国发电行业市场化精细化运营的发展历程。

1.DCS产品现状

当前各厂家的DCS基本包括:至少各一台现场控制站、操作员站、工程师站（也可用操作员站兼做工程师站）和一条系统网络，如图1。此外，还可扩充专门功能站、生产管理和信息处理功能的信息网络、及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络。控制站是系统中直接与现场进行I/O 数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心单元，完成实时控制功能，并实现各种I/O 接口。

图1 典型的DCS拓扑结构

控制站通过工业以太网与工程师站、操作员站等交换信息，采集控制站信号并通过工业以太网传送到工程师站、操作员站，工程师站、操作员站将系统组态信息通过工业以太网传送到控制站。

2.发电企业的需求

随着我国煤炭价格持续增长，煤电联动响应不足，电价市场化定价机制迟迟不能确定的行业背景下，发电企业对生产现场的控制和把握有了更高要求，生产成本的严格控制要求自动化程度更高，生产岗位减少，生产人员人均控制装机容量增加，这就要求DCS系统的核心单元要有更为先进的控制算法，先进的专家PID算法，模糊PID算法以适应类似于循环流化床锅炉这种更经济锅炉本身的大延迟，变工况的属性。生产决策必须及时就要求生产控制系统、厂级信息系统和协同管理系统一体化。随着国家对智能电网的发展的提倡，要求各大发电站的调峰、二次调频能力更强，AGC投切率更高且能适应先进的实时的潮流计算，并且要求大电站的DCS系统有更为稳定的协调控制方案和调节能力以应对负荷扰动，现如今的电企较之以前，生产设备调整周期更短，要求DCS要组态灵活方便，而且更严格执行IEC61131语言标准，便于升级换代。

3.发展方向

3.1软件数据接口更加多样化

软件工业的发展使各种系统兼容在软件层面实现成为可能，今后的DCS为满足厂区各种不同系统之间的通信，将会引入或执行各种协议或标准。如现有的各大DCS厂家均已支持OPC、ODBC等协议。

（1）OPC标准：OPC标准的制订，使所有的工业软件产品间的通信连接问题变得简单，它提供了一种软件的总线形式，任何一种设备只需提供一种驱动就可以供任何DCS软件系统使用，应用程序(OPC Client)只需知道如何从OPC数据源获取数据，设备的驱动程序(OPC Server)只需知道如何以简单的格式提供数据即可进行通信，如图2。

图 2 OPC标准的功能示意

支持OPC标准的DCS灵活性更高，便于和各种工控软件系统交换数据，如电气ECS系统、SIS系统和各主要辅机控制系统（一般为各个厂家的PLC），也可以将厂区必须的数据取出上传至各监管单位，如电网调度，环保局等。

（2）ODBC技术：开放式数据库互连(ODBC)是Microsoft建议并开发的数据库访问AP I标准,它是建立在各种数据库管理系统底层驱动程序之上的一个标准层,对数据库的底层作了封装，允许应用程序用统一的访问数据标准:结构化查询语言(SQL)来访问数据库管理系统中的数据。ODBC技术的最大优势是开放的互操作性,通过安装多种ODBC驱动程序,可实现同一应用程序对不同数据库的访问。借助于ODBC技术,可以将各厂家的DCS采集的现场数据通过以太网传送到MIS等系统的关系数据库中,以实现信息资源共享。

今后的DCS还会兼容IEC61850等等诸协议，这是系统互连、信息及时共享所导致的发展趋势，软件接口的扩展会随着各种新标准的推出，逐步在新型分散控制系统中实现。

3.2先进的控制算法集成

因为自身特性，在燃煤机组中，流化床锅炉机组在燃烧控制、压力自动、炉机协调等控制上对算法最为挑剔。国内流化床有模糊控制法、专家控制法，常常局限在表层，很难真正解决流化床自动控制本质问题。很多流化床锅炉运行，是靠流化床自身灰／热自平衡、或人工经验完成。模糊PID控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法，它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则，然后将来自传感器的实时信号模糊化，将模糊化后的信号作为模糊规则的输入，完成模糊推理，将推理后得到的输出量加到执行器上。该算法的实现完全依赖两个库：

（1）数据库：数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶

属度矢量值（即经过论域等级离散化以后对应值的集合），若论域为连续域则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中，向推理机提供数据。

（2）规则库：模糊控制器的规则基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验，是按人的直觉推理的一种语言表示形式。

控制算法的实现是在DCS组态环境中由厂商搭建而成，以现成的算法模块提供给用户，并在新建机组调试过程中构建数据库和规则库，由软件中定义的一种机制对规则库进行维护和更新，该维护和更新过程持续整个运行操作过程，是一个积累模糊推理的过程。这样的DCS提供的这中算法，可以任意运用于复杂多变系统的组态过程，是应对现代工况多变的生产环境的很好的解决方案。模糊PID和专家PID算法是否有无集成和运用，是衡量一个DCS系统先进与否的重要标志。

3.3信息一体化

自动控制一体化理念是，从煤炭运到码头开始，到推动汽轮轮发电机转动，到电流源源不断从变压器输出到电网，全部发电过程采用现代一体化系统解决方案，消除、减少网关，消除电厂生产过程中的数据孤岛。电厂控制一体化，使电厂各个自动化系统的连接就像PC机上网一样简单，使发电厂轻轻松松享受到高速数据网络的益处，使电厂集控室中的生产数据、生产图像准确再现生产过程，使远方调度、身处异地的决策者能够通过网络媒介了解到生产状况。近年，发电厂竞价上网和降低成本新需求，又纷纷上了电厂MIS，不少MIS中往往会缺少最重要的一块实时生产数据——各控制系统的测量、控制、保护生产数据。没有实时生产数据的MIS仅仅可以称为电厂办公自动化，对提高生产管理水平没有实质性的意义。实时生产数据系统我们已经习惯称为SIS。面对老发电厂众多生产数据孤岛，最简单的方法就是架构SIS网络，把各个独立的系统数据汇总到一个子数据库中，用以太网把全厂各子数据库连接起来，也可以从支持以太网的控制器上直接读取数据。SIS不需要过分强调数据的实时性，很多数据含有时间标签，生产数据能够在秒、分级收集上来就足够应用需求。收集各生产数据的通讯任务应该由SIS完成，以控制层为基础的实时数据优化运算也是SIS的任务之一。目前的电气纳入DCS基本做到遥测、遥信，遥控功能，遥调(AGC、A VC)和保护基本上是采用专用装置完成，就像多年前的DEH、FSSS装置一样。部分遥测量(电量采集)，和电气装置进入DCS没有显著进展。今后的国内DCS厂家，会思考联合生产同期模件、电量模件、电动机保护模件、智能MCC等。

4.总结

随着我国电力体制改革的深入,面对电厂走向市场的严峻形势,火电厂的低成本运营和精细化管理的要求越来越迫切,常规自动化控制系统已不能满足日益增长的管理和技术要求。DCS提供商的任务不再仅仅是打造一个技术先进或造价低廉的电厂,而应当是成就一个面向市场、具有竞争力的电厂。我国电力事业的发展促进了对DCS系统的更高要求,所以我们相信在不久的将来,我国自己生产的DCS控制系统更加成熟,在我国乃至世界市场得到更广泛应用。