第五節(jié)　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在火電廠中的應(yīng)用

一、過程控制計(jì)算機(jī)

過程控制計(jì)算機(jī)也稱工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(工控機(jī)),與通常的微型計(jì)算機(jī)略有不同,它要在工業(yè)環(huán)境下適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)要求,在線、實(shí)時(shí)地工作,除了運(yùn)算外,還具有控制功能。

過程控制計(jì)算機(jī)硬件組成見圖1?3。

過程控制計(jì)算機(jī)軟件如下:

軟件系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分類(按功能):數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS(Data Acquisition System)、直接數(shù)字控制DDC系統(tǒng)(Direct Digital Control System)、監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC(Supervisory Computer Control)、分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS(Fieldbus Control System)。

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制靈活和安全。

缺點(diǎn):要由人工操作,速度受到限制,不能控制多個(gè)對(duì)象。

2.直接數(shù)字控制DDC系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn):自動(dòng)化程度高,調(diào)節(jié)速度快;因?yàn)槌绦蚩勺冃詮?qiáng),故控制靈活性大;由于節(jié)省了大量的模擬調(diào)節(jié)儀表,因此經(jīng)濟(jì)上比較合算,被控系統(tǒng)越大,這種經(jīng)濟(jì)效果越顯著。

缺點(diǎn):由于DDC系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù),因此要求實(shí)時(shí)性好、可靠性高和適應(yīng)性強(qiáng)。

3.監(jiān)督控制系統(tǒng)SCC

優(yōu)點(diǎn):能使生產(chǎn)過程始終在最合理的狀態(tài)下運(yùn)行,避免了不同的運(yùn)行人員調(diào)整調(diào)節(jié)器設(shè)定值帶來的控制偏差。

缺點(diǎn):由于生產(chǎn)過程的復(fù)雜性,其數(shù)學(xué)模型的建立是比較困難的,因此實(shí)現(xiàn)起來有一定難度。

4.分散控制系統(tǒng)DCS

智能化現(xiàn)場(chǎng)儀表的應(yīng)用和發(fā)展,要求系統(tǒng)中使用數(shù)字信號(hào)取代4~20mA(DC)的模擬信號(hào)。在目前廣泛應(yīng)用的DCS中,因?yàn)闄z測(cè)、變送、執(zhí)行等現(xiàn)場(chǎng)儀表仍采用4~20mA(DC)的模擬信號(hào),無法滿足上位機(jī)系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的信息要求,限制了控制系統(tǒng)的視野,阻礙了上位機(jī)系統(tǒng)功能的發(fā)揮,所以產(chǎn)生了上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)儀表之間進(jìn)行數(shù)字通信的要求。要求建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的連接現(xiàn)場(chǎng)智能儀表與上位機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字通信鏈路,這就是現(xiàn)場(chǎng)總線(Fieldbus)。

分散控制系統(tǒng)DCS的結(jié)構(gòu)模式見圖1?4。

5.現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS的結(jié)構(gòu)模式見圖1?5。

用一對(duì)通信線連接多臺(tái)數(shù)字儀表代替一對(duì)信號(hào)線只能連接一臺(tái)儀表;用多變量、雙向數(shù)字通信方式代替單變量、單向模擬傳輸方式;用多功能的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字儀表代替單功能的現(xiàn)場(chǎng)模擬儀表;用分散式的虛擬控制站代替集中式的控制站;變革傳統(tǒng)的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)、通信標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn);變革傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)方法和安裝調(diào)試方法。

二、火電機(jī)組過程計(jì)算機(jī)控制的主要功能系統(tǒng)

火電機(jī)組過程計(jì)算機(jī)控制的主要功能系統(tǒng)見圖1?6。

1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)組的信息中心,提供可靠、迅速、客觀的工況記錄,為設(shè)備的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力的依據(jù)。

2.機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS

機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)通常指機(jī)、爐閉環(huán)控制系統(tǒng)的總體,包括各子系統(tǒng)。機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)是大型火電機(jī)組最重要的控制系統(tǒng)之一,對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行和參與電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)壓極為重要。機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)CCS見圖1?7。

CCS的功能是接受各類負(fù)荷指令,然后根據(jù)設(shè)備運(yùn)行方式和健康狀況發(fā)出機(jī)、爐負(fù)荷指令,使汽輪機(jī)與鍋爐之間協(xié)調(diào),并使主機(jī)與輔機(jī)之間負(fù)荷相適配,保持主要參數(shù)穩(wěn)定。值班人員或電網(wǎng)調(diào)度員可向CCS發(fā)出目標(biāo)負(fù)荷指令及負(fù)荷變化速度,以調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)組的出力。

CCS需要根據(jù)負(fù)荷調(diào)度指令進(jìn)行負(fù)荷管理,消除運(yùn)行時(shí)機(jī)、爐之間的各種擾動(dòng),協(xié)調(diào)控制鍋爐的燃燒控制、給水控制、汽溫控制與輔助控制子系統(tǒng),保持鍋爐、汽機(jī)之間的能量平衡,并在機(jī)組主、輔機(jī)設(shè)備出力受到限制的異常工況下進(jìn)行聯(lián)鎖保護(hù)。

CCS的工作方式有:協(xié)調(diào)控制COOD、鍋爐跟隨BF、汽機(jī)跟隨TFM/TFA、手動(dòng)Manual。

3.輔機(jī)順序控制系統(tǒng)SCS

輔機(jī)順序控制系統(tǒng)的主要任務(wù)是對(duì)電廠單元機(jī)組的幾百個(gè)主要輔機(jī)或功能組進(jìn)行啟停控制和聯(lián)鎖保護(hù),以簡(jiǎn)化和減少操作人員的操作,確保機(jī)組啟停及運(yùn)行的安全。

主要輔機(jī)(Major Plant Item)是指送、引風(fēng)機(jī)等輔機(jī)和擋板、潤(rùn)滑油泵等輔助部件。

功能組(Function Group)則是指為執(zhí)行某一特定功能所必需的全部設(shè)備之組合,一般以某一臺(tái)主要輔機(jī)為中心,如引風(fēng)機(jī)功能組,就包括引風(fēng)機(jī)及其軸承冷卻風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)和馬達(dá)的潤(rùn)滑油泵、引風(fēng)機(jī)進(jìn)/出口煙道擋板、除塵器進(jìn)口煙道擋板等。

輔機(jī)順序控制系統(tǒng)SCS見圖1?8。

SCS包括的主要控制系統(tǒng)見圖1?9。

4.鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)也稱燃燒器管理系統(tǒng)BMS(Burner Management System),提供鍋爐的安全保護(hù),是大型火電機(jī)組最重要的一個(gè)保護(hù)/控制系統(tǒng)。

它連續(xù)和密切地監(jiān)視鍋爐在各種運(yùn)行工況下的狀態(tài),隨時(shí)進(jìn)行邏輯判斷,異常時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)乃至停爐。通過一系列聯(lián)鎖條件,它按預(yù)定的邏輯順序?qū)θ紵O(shè)備的有關(guān)部件進(jìn)行操作和控制。

爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)有鍋爐保護(hù)和燃燒系統(tǒng)順序控制兩大部分,其主要功能有:

① 爐膛火焰檢測(cè);

② 爐膛壓力保護(hù);

③ 爐膛自動(dòng)吹掃;

④ 燃料點(diǎn)火及投粉順序控制;

⑤ 鍋爐安全管理。

5.汽機(jī)旁路控制系統(tǒng)BPC

汽機(jī)旁路控制系統(tǒng)是大中型中間再熱機(jī)組的重要控制系統(tǒng)之一,包括高、低壓旁路壓力控制子系統(tǒng)和高、低壓旁路溫度控制子系統(tǒng)。

其功能是在機(jī)組啟動(dòng)階段協(xié)調(diào)機(jī)組啟動(dòng),回收工質(zhì)和熱量,保護(hù)再熱器;在滑壓?jiǎn)?dòng)時(shí),適應(yīng)啟動(dòng)參數(shù)加快啟動(dòng)速度;帶負(fù)荷運(yùn)行階段,旁路系統(tǒng)可以允許鍋爐維持在熱備用狀態(tài);負(fù)荷變化太大時(shí),輔助調(diào)節(jié)鍋爐主蒸汽壓力。

6.汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH

DEH除用來實(shí)現(xiàn)汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷控制外,還提供了汽輪機(jī)設(shè)備的安全保護(hù)。

7.汽輪機(jī)監(jiān)視儀表TSI

汽輪機(jī)在機(jī)組啟動(dòng)、運(yùn)行和停機(jī)過程中需要采用保護(hù)儀表監(jiān)視其機(jī)械運(yùn)行狀態(tài),以避免事故發(fā)生。

監(jiān)視的參數(shù)包括:轉(zhuǎn)速、軸振動(dòng)、軸承蓋振動(dòng)、軸向位移、偏心度、相對(duì)膨脹、鑒相、氣缸熱膨脹等。

汽輪機(jī)緊急跳閘系統(tǒng)ETS用作汽輪發(fā)電機(jī)組危急情況下的保護(hù),它與DEH、TSI一起構(gòu)成汽輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)。

ETS監(jiān)視汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、軸向位移、軸承潤(rùn)滑油壓、凝汽器真空以及電液控制系統(tǒng)的控制油油壓、振動(dòng)等。當(dāng)這些參數(shù)中的任一個(gè)超過運(yùn)行極限值時(shí),系統(tǒng)將關(guān)閉汽輪機(jī)的所有進(jìn)汽閥門,使汽輪機(jī)跳閘,以保證機(jī)組設(shè)備的安全。

8.電氣控制系統(tǒng)ECS

ECS包括發(fā)變組控制、廠用電、勵(lì)磁系統(tǒng)和同期裝置的接口等。

三、火電廠熱工自動(dòng)化發(fā)展前景

1.爐、機(jī)、電、輔控制一體化

目前DCS的控制范圍已由早期的僅包含MCS、DAS、SCS到實(shí)現(xiàn)單元機(jī)組的全部監(jiān)控和保護(hù)功能(MCS、DAS、FSSS、BPS、ETS、DEH),電氣控制系統(tǒng)ECS也逐步納入DCS的控制之中,輔助控制系統(tǒng)(如化水系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、除灰除渣系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等)也由原來獨(dú)立的單元向整個(gè)輔助控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的DCS一體化過渡。隨著技術(shù)的進(jìn)步和觀念的更新,DCS可擴(kuò)展至整個(gè)輔助控制系統(tǒng),一臺(tái)機(jī)組僅用一套DCS即可實(shí)現(xiàn)全部控制功能,DCS將覆蓋發(fā)電廠各個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)爐、機(jī)、電、輔控制一體化。

2.現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和系統(tǒng)的推廣應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)有著不少技術(shù)上的優(yōu)越性,如能在電廠成功應(yīng)用,將對(duì)簡(jiǎn)化自動(dòng)化系統(tǒng)、降低造價(jià),實(shí)現(xiàn)全廠管理信息系統(tǒng)(MIS)和全廠實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)(SIS)都很方便,因而在電廠的應(yīng)用前景是廣闊的,也是進(jìn)一步提高電廠自動(dòng)化水平要采取的技術(shù)措施。

3.機(jī)組自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高

① 單元機(jī)組實(shí)現(xiàn)全CRT監(jiān)控,大屏幕顯示器廣泛使用,傳統(tǒng)控制盤臺(tái)將取消;

② 機(jī)組主要模擬參數(shù)完全由自動(dòng)控制裝置(DCS或FCS)在全負(fù)荷(或全程)范圍內(nèi)自動(dòng)維持在最佳區(qū)域內(nèi);

③ 生產(chǎn)過程按功能區(qū)或功能組劃分,操作人員只需干預(yù)每個(gè)功能組,基本不用再直接向單個(gè)驅(qū)動(dòng)對(duì)象(風(fēng)機(jī)、水泵及閥門等)發(fā)出啟、停(或開、關(guān))命令;

④ 機(jī)組緊急事故處理也完全依靠完善的保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)完成;

⑤ 單元機(jī)組自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)一步智能化,安全、經(jīng)濟(jì)效益明顯的優(yōu)化控制軟件、性能計(jì)算和分析軟件、機(jī)組壽命管理軟件、故障診斷以及狀態(tài)維修軟件得到廣泛應(yīng)用,機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)一步提高。

4.先進(jìn)控制理論和技術(shù)的應(yīng)用

經(jīng)典控制理論是以傳遞函數(shù)分析作為理論基礎(chǔ)的,它的隱含前提有兩個(gè):一是對(duì)象模型的精確性、定常性和線性;二是運(yùn)行環(huán)境的確定性和不變性。它的典型應(yīng)用形式有PID控制、Smith預(yù)估控制、傳統(tǒng)解耦控制等。

現(xiàn)代控制理論是以狀態(tài)空間分析作為理論基礎(chǔ)的,它主要研究具有高性能、高精度的多輸入多輸出(多變量)、變參數(shù)系統(tǒng)的最優(yōu)控制問題。它對(duì)多變量有很強(qiáng)的描述和綜合能力,其局限在于必須預(yù)先知道被控對(duì)象或過程的數(shù)學(xué)模型。現(xiàn)代控制理論的典型應(yīng)用形式包括:自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)控制、魯棒控制和預(yù)測(cè)控制。

目前,在火電廠控制的各系統(tǒng)功能中,傳統(tǒng)的PID控制策略已能較好地實(shí)現(xiàn);但尚有一些問題沒有得到很好的解決,如燃燒過程的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題、鋼球磨中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)的控制問題、大范圍變工況時(shí)再熱汽溫的控制問題等。這些問題多半涉及非線性、大時(shí)滯、慢時(shí)變、分布參數(shù)和非確定性控制問題,用傳統(tǒng)的控制策略難以解決。

現(xiàn)代控制理論和智能控制方法在火電廠生產(chǎn)過程中的應(yīng)用還非常有限,有待于進(jìn)一步研究和實(shí)踐,相信隨著理論研究的不斷深入和電廠軟硬件平臺(tái)的提升,這些先進(jìn)控制理論和技術(shù)必將在火電廠的生產(chǎn)過程控制中得到廣泛應(yīng)用。

5.管控一體化

DCS或FCS與廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(Supervisory Information System)和廠級(jí)管理信息系統(tǒng)MIS(Management Information System)互相滲透,彼此結(jié)合,形成一個(gè)多層次、網(wǎng)絡(luò)化,融控制、管理、調(diào)度和決策一體化的綜合自動(dòng)化系統(tǒng),即管控一體化。

SIS主要處理全廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),完成廠級(jí)生產(chǎn)過程的監(jiān)控和管理、廠級(jí)故障診斷和分析、廠級(jí)性能計(jì)算、分析和經(jīng)濟(jì)負(fù)荷調(diào)度等;MIS主要為全廠運(yùn)營(yíng)、生產(chǎn)和行政的管理工作服務(wù),完成設(shè)備和維修管理、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理(包括電力市場(chǎng)報(bào)價(jià)子系統(tǒng))、財(cái)務(wù)管理等。