单元机组集控运行第四章
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第4章 单元机组的控制与保护
4.1 分散控制系统DCS
随着机组容量的不断增大，其控制系统的操作也日趋 复杂。如一台300MW的发电机组，在热机方面的操作控制项 目就多达500点、需要监视的测点在1000点以上，对电厂整 个生产过程进行综合控制和集中管理的要求也不断提高。 若采用常规的仪表监视和控制，中央控制室的表盘将长达 十几米，且操作和监视将相当困难，稍有不慎就可能造成 机组运行的重大事故。计算机具有运算速度快、信息存储 量大、控制精确度高，及逻辑、判断、记忆等功能。随着 “四C”技术（计算机、控制、通信、屏幕显示）的不断发
由于并行总线结构比较复杂，采用其连接的逻辑部 分和现场部分很难实现有效隔离、成本较高，且并行总
线很难实现扩充。因此，很多厂家在现场控制站内的逻 辑部分和现场I/O之间的通信方式采用串行总线。串行总 线的优点是结构简单、成本低，且易实现隔离且容易扩 充，可以实现远距离的I/O模块连接。近年随着现场总线 技术的快速发展，直接使用现场总线产品作为现场I/O模 块和主处理模块的连接已很普遍，且采用较多的现场总 线产品有CAN、Profibus、FF、LonWorks及HART等。
3.监控级 监控级操作员站安装在中央控制室，工程师站和历史 数据站等一般安装在电子设备室。
（1）操作员站 是运行人员与分散控制系统相互 交换信息的人机接口设备。运行人员通过操作员站， 来监视和控制整个电厂的生产过程。运行人员可以在 操作员站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过 程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正 常，且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，可 以修改给定值、调整控制量、操作现场设备，以实现 对生产过程的干预。此外，操作员站还可以打印各种 报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。为实现以上功能， 操作员站由一台具有较强图形处理功能的微型机，及 相应的外部设备组成，一般配有CRT显示器、大屏幕 显示装置、打印机、键盘及鼠标等。
展，在热工参数检测方面采用了计算机数据采集系统 （DAS）；在热工参数控制方面采用了计算机控制技术， 且经历了直接数字控制系统（DDC）、集中型计算机控制 系统、分层计算机控制系统和目前广泛采用的分散控制 系统等几个阶段。
分散控制系统（DCS）又名集散型控制系统、分布式
控制系统。它是利用计算机技术对生产过程进行集中监
需的运算器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量
单元、执行单元的输入输出设备（即过程量I/O或现场
I/O）。Leabharlann Baidu
在现场控制站内部，主CPU、内存用于数据的处理、 计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为 现场部分。这两个部分需严格隔离，以防止现场各种信 号包括干扰信号，对计算机的处理产生不利的影响。现 场控制站内逻辑部分和现场部分的连接，早期多采用与 工业计算机相匹配的内部并行总线，常用的并行总线有 VME、STD、ISA、PC104、Multibus、PCI和Compact PCI 等。
视、管理和分散控制的一种新型的控制技术，是计算机
技术、信息处理技术、测量控制技术、通信网络技术和
人机接口技术相互渗透发展而产生的，一种新型先进的
控制系统。
4.1.1 DCS的组成
传统的DCS保持着“三点一线”的结构（即工程师站、 操作员站、现场控制站和通信网络），以实现分散控制、 集中管理及操作功能，如图4-1所示。但随着控制技术的 不断发展DCS的结构更加丰富，当前分散控制系统的基本 构成由现场级、控制级、监控级、管理级四层构成。现场 级包括各种过程通道卡件或模块，控制级包括所有的过程 控制站（PS），监控级包括工程师站（ES）、操作员站 （OS）、历史数据站（HS）和打印机等附属设备。四层中 间相应的通信网络由控制网络（Cnet）、监控网络 （Snet）、管理网络（Mnet）三层网络结构，如图4-2所 示。
由于DCS的现场控制站有比较严格的实时性要求，需 要在确定的时间期限内完成测量值的输入、运算及控制 量的输出，因此现场控制站的运算速度和现场I/O速度在 设计时要保证高于实时性要求。一般在快速控制系统 （控制周期最快可达到50ms）中，应采用高速的现场总 线（如CAN、Profibus等）。而在控制速度要求不是很高 的系统中，可采用低速的现场总线，这样可以适当降低 系统的造价。
（2）工程师站 是为工程师对分散控制系统进 行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。此外， 工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行分类 和管理，并形成各种设计文件（如各种图纸、表格 等）。工程师站一般由PC机，并配置一定数量的外 部设备所组成（如打印机、绘图机等）。
目前现场级的信息传递有三种方式：一种为传统的 4~20mA（或者其他类型的模拟量信号）模拟量传输方式； 第二种为现场总线的全数字量传输方式；第三种为在 4~20mA模拟量信号基础上，叠加调制后的数字量信号的混 合传输方式。现场信息以现场总线为基础的数字传输，是 今后电厂控制系统的发展方向。
按照传统观点来看，现场设备不属于分散控制系统的 范畴，但随着现场总线技术的发展，网络技术已经延伸到 现场控制中，微处理器已经进入变送器和执行器，现场
图4-1 传统DCS的基本结构
图4-2 现代DCS的基本结构
1.现场级
现场级设备一般位于被控生产过程的附近，电厂典 型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器。它们 将生产过程中的各种物理量，转换为电信号（一般变送 器为4~20mA的电信号或现场总线数字信号）送往控制站 或数据采集站。或将控制站输出的控制量（4~20mA的电 信号或现场总线数字信号）转换成机械位移，带动调节 机构实现对生产过程的控制。
信息已成为整个系统信息中不可缺少的一部分，故将其 并入分散控制系统体系中。
2.控制级
过程控制站是DCS的核心，控制系统的主要功能由它
来完成。控制系统的性能、可靠性等重要指标也都要依
靠现场控制站来保证。因此对现场控制站的设计、生产
及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件，一般均采
用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必
4.1 分散控制系统DCS
随着机组容量的不断增大，其控制系统的操作也日趋 复杂。如一台300MW的发电机组，在热机方面的操作控制项 目就多达500点、需要监视的测点在1000点以上，对电厂整 个生产过程进行综合控制和集中管理的要求也不断提高。 若采用常规的仪表监视和控制，中央控制室的表盘将长达 十几米，且操作和监视将相当困难，稍有不慎就可能造成 机组运行的重大事故。计算机具有运算速度快、信息存储 量大、控制精确度高，及逻辑、判断、记忆等功能。随着 “四C”技术（计算机、控制、通信、屏幕显示）的不断发
由于并行总线结构比较复杂，采用其连接的逻辑部 分和现场部分很难实现有效隔离、成本较高，且并行总
线很难实现扩充。因此，很多厂家在现场控制站内的逻 辑部分和现场I/O之间的通信方式采用串行总线。串行总 线的优点是结构简单、成本低，且易实现隔离且容易扩 充，可以实现远距离的I/O模块连接。近年随着现场总线 技术的快速发展，直接使用现场总线产品作为现场I/O模 块和主处理模块的连接已很普遍，且采用较多的现场总 线产品有CAN、Profibus、FF、LonWorks及HART等。
3.监控级 监控级操作员站安装在中央控制室，工程师站和历史 数据站等一般安装在电子设备室。
（1）操作员站 是运行人员与分散控制系统相互 交换信息的人机接口设备。运行人员通过操作员站， 来监视和控制整个电厂的生产过程。运行人员可以在 操作员站上观察生产过程的运行情况，读出每一个过 程变量的数值和状态，判断每个控制回路是否工作正 常，且可以随时进行手动/自动控制方式的切换，可 以修改给定值、调整控制量、操作现场设备，以实现 对生产过程的干预。此外，操作员站还可以打印各种 报表，拷贝屏幕上的画面和曲线等。为实现以上功能， 操作员站由一台具有较强图形处理功能的微型机，及 相应的外部设备组成，一般配有CRT显示器、大屏幕 显示装置、打印机、键盘及鼠标等。
展，在热工参数检测方面采用了计算机数据采集系统 （DAS）；在热工参数控制方面采用了计算机控制技术， 且经历了直接数字控制系统（DDC）、集中型计算机控制 系统、分层计算机控制系统和目前广泛采用的分散控制 系统等几个阶段。
分散控制系统（DCS）又名集散型控制系统、分布式
控制系统。它是利用计算机技术对生产过程进行集中监
需的运算器（即主CPU）、存储器外，还包括了现场测量
单元、执行单元的输入输出设备（即过程量I/O或现场
I/O）。Leabharlann Baidu
在现场控制站内部，主CPU、内存用于数据的处理、 计算和存储的部分被称为逻辑部分，而现场I/O则被称为 现场部分。这两个部分需严格隔离，以防止现场各种信 号包括干扰信号，对计算机的处理产生不利的影响。现 场控制站内逻辑部分和现场部分的连接，早期多采用与 工业计算机相匹配的内部并行总线，常用的并行总线有 VME、STD、ISA、PC104、Multibus、PCI和Compact PCI 等。
视、管理和分散控制的一种新型的控制技术，是计算机
技术、信息处理技术、测量控制技术、通信网络技术和
人机接口技术相互渗透发展而产生的，一种新型先进的
控制系统。
4.1.1 DCS的组成
传统的DCS保持着“三点一线”的结构（即工程师站、 操作员站、现场控制站和通信网络），以实现分散控制、 集中管理及操作功能，如图4-1所示。但随着控制技术的 不断发展DCS的结构更加丰富，当前分散控制系统的基本 构成由现场级、控制级、监控级、管理级四层构成。现场 级包括各种过程通道卡件或模块，控制级包括所有的过程 控制站（PS），监控级包括工程师站（ES）、操作员站 （OS）、历史数据站（HS）和打印机等附属设备。四层中 间相应的通信网络由控制网络（Cnet）、监控网络 （Snet）、管理网络（Mnet）三层网络结构，如图4-2所 示。
由于DCS的现场控制站有比较严格的实时性要求，需 要在确定的时间期限内完成测量值的输入、运算及控制 量的输出，因此现场控制站的运算速度和现场I/O速度在 设计时要保证高于实时性要求。一般在快速控制系统 （控制周期最快可达到50ms）中，应采用高速的现场总 线（如CAN、Profibus等）。而在控制速度要求不是很高 的系统中，可采用低速的现场总线，这样可以适当降低 系统的造价。
（2）工程师站 是为工程师对分散控制系统进 行配置、组态、调试、维护所设置的工作站。此外， 工程师站的另一个作用是对各种设计文件进行分类 和管理，并形成各种设计文件（如各种图纸、表格 等）。工程师站一般由PC机，并配置一定数量的外 部设备所组成（如打印机、绘图机等）。
目前现场级的信息传递有三种方式：一种为传统的 4~20mA（或者其他类型的模拟量信号）模拟量传输方式； 第二种为现场总线的全数字量传输方式；第三种为在 4~20mA模拟量信号基础上，叠加调制后的数字量信号的混 合传输方式。现场信息以现场总线为基础的数字传输，是 今后电厂控制系统的发展方向。
按照传统观点来看，现场设备不属于分散控制系统的 范畴，但随着现场总线技术的发展，网络技术已经延伸到 现场控制中，微处理器已经进入变送器和执行器，现场
图4-1 传统DCS的基本结构
图4-2 现代DCS的基本结构
1.现场级
现场级设备一般位于被控生产过程的附近，电厂典 型的现场级设备是各类传感器、变送器和执行器。它们 将生产过程中的各种物理量，转换为电信号（一般变送 器为4~20mA的电信号或现场总线数字信号）送往控制站 或数据采集站。或将控制站输出的控制量（4~20mA的电 信号或现场总线数字信号）转换成机械位移，带动调节 机构实现对生产过程的控制。
信息已成为整个系统信息中不可缺少的一部分，故将其 并入分散控制系统体系中。
2.控制级
过程控制站是DCS的核心，控制系统的主要功能由它
来完成。控制系统的性能、可靠性等重要指标也都要依
靠现场控制站来保证。因此对现场控制站的设计、生产
及安装都有很高的要求。现场控制站的硬件，一般均采
用专门的工业级计算机系统，其中除了计算机系统所必