大型火電廠CIPS模型的研究

　　摘要：根據(jù)大型火電廠的信息特征，描述了其層次結(jié)構(gòu)模型和功能組成，形成了大型火電廠CIPS集成框架模型。該模型以大型歷史／實時數(shù)據(jù)庫為集成切入點，以SIS系統(tǒng)為集成關(guān)鍵將各過程自動化系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)集成在一起。
　　
　　0CIMS模型理論的發(fā)展
　　
　　自1973年哈林頓博士提出計算機(jī)集成制造（CIM—Computer Intetgmted Manufaetur—ing）概念以來，專家們從不同的角度提出了數(shù)十種CIMS體系結(jié)構(gòu)和建模方法，有面向CIMS生命周期的體系結(jié)構(gòu)，有面向CIMS功能構(gòu)成和控制結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，也有面向CIMS集成平臺的體系結(jié)構(gòu)，為企業(yè)信息化集成提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，促使大量的企業(yè)向更高層次的信息化集成邁出了一大步，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。其中比較的參考模型有，歐共體ESPRIT計劃中的計算機(jī)集成制造開放體系結(jié)構(gòu)（CIM—OSA）、法國波爾多大學(xué)GRAL／LAP實驗室提出的CIM—GRAI企業(yè)建模方法、德國Saarland大學(xué)A．W．Scheer教授提出的集成信息系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（ARIS）和美國普渡大學(xué)的Purdue企業(yè)參考體系結(jié)構(gòu)（PERA）等。[1，2，3，4]。
　　
　　然而，以上CIM技術(shù)的研究和CIMS工程開發(fā)實施都是以離散制造業(yè)為對象進(jìn)行的，CIMS的目標(biāo)模型多集中在對CAX（CAD／CAPP?CAM／CAE）、PDM和MRPII等的集成，對流程企業(yè)中常見的DCS、PLC、APC等的集成模型的研究目前在學(xué)術(shù)界還是一個方興未艾的熱門課題。
　　
　　1流程企業(yè)CIPS模型理論的研究狀況
　　
　　流程企業(yè)與離散企業(yè)相比，兩者在財務(wù)、采購、銷售、資產(chǎn)和人力資源管理等方面基本相似，但在生產(chǎn)計劃、工程設(shè)計、調(diào)度管理、信息處理、安全可靠性、經(jīng)營決策、理論研究以及人的作用方面卻存在著較大的差異，于是有專家提出，對于流程工業(yè)而言，CIMS應(yīng)稱為計算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)（CIPS—Computerh—tegratedProduct*tem）或者全廠綜合自動化系統(tǒng)。經(jīng)過不懈的努力，學(xué)者們針對流程企業(yè)開展的理論模型研究已取得了一定的進(jìn)展[5]，尤其是在國內(nèi)也已經(jīng)取得·了一些成果，如李從東等提出的流程工業(yè)企業(yè)集成化經(jīng)營管理模式EIPM—ICM體系結(jié)構(gòu)[6]，莫以為等提出的基于模型驅(qū)動的流程工業(yè)CIMS信息集成方法[7]等，對冶金、化工、煉油等流程企業(yè)具有一定的指導(dǎo)意義。
　　
　　2火力發(fā)電的信息特征
　　
　　目前，世界上大多數(shù)國家都實行由電力公司壟斷的電力供應(yīng)制度，用戶在用電處取得電能并按統(tǒng)一價格支付電費。在此模式中，往往由一個單一的公司控制著從發(fā)電到送電的全過程，從而在總體上使發(fā)電企業(yè)游離于市場之外。電廠CIPS的研究也幾乎就是空白。微乎其微的對電力系統(tǒng)CIMS的研究也是以整個電力公司或*為對象，將發(fā)電、變電、輸電和供電作為一個整體進(jìn)行集成研究。廠網(wǎng)分開，竟價上網(wǎng)勢在必行，電力系統(tǒng)的改革迫使電廠走向市場，同時也為電廠實施CIPS創(chuàng)造了條件。發(fā)電企業(yè)的生產(chǎn)特點是設(shè)備多而且長時間不間斷運行，不宜頻繁啟停；生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)量大而且密集；運行環(huán)境較惡劣，大多數(shù)參數(shù)和變量不能直接測量，因此與制造業(yè)甚至一般流程企業(yè)相比，對測量技術(shù)、實時監(jiān)控、故障預(yù)測和診斷、緊急情況處理、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)／數(shù)據(jù)庫的實時性和所需實時數(shù)據(jù)規(guī)模等方面提出更高的要求[8，9L實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在電廠尤其是大型火電廠中起著控制系統(tǒng)與管理系統(tǒng)的重要橋梁作用，是大型火電廠實施CIPS的基礎(chǔ)。
　　
　　電發(fā)企業(yè)的事故或停產(chǎn)常常會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而行之有效的運行優(yōu)化手段又會帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，因此安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗是贏得市場、獲得利潤的關(guān)鍵。設(shè)備診斷和壽命管理、機(jī)組性能和經(jīng)濟(jì)分析是整個生產(chǎn)管理的核心。故而近幾年在國外已涌現(xiàn)出大量的實時優(yōu)化系統(tǒng)，如對美國國內(nèi)所有采用了各類優(yōu)化軟件的300MW機(jī)組的統(tǒng)計資料看，優(yōu)化運行使機(jī)組的熱耗率平均降低了約200Ki／KWh，單元機(jī)組可節(jié)省年費用約50萬美元。可觀的經(jīng)濟(jì)效益驅(qū)使電廠逐漸形成了一個*的監(jiān)控分析層面，該層面介于過程控制與經(jīng)營管理之間，它既是電廠控制管理一體化層面，也在物理結(jié)構(gòu)上將具有高精度高速度和高可靠性要求的DCS等控制系統(tǒng)與非實時的不影響安全生產(chǎn)的MIS隔離開來。該層面相當(dāng)于目前國內(nèi)重點研究的熱門課題——監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）[10，11]。
　　
　　由此可見，作為流程企業(yè)的特例，火力發(fā)電廠具有更復(fù)雜的特征和與其它流程企業(yè)明顯不同的特點。如何針對電廠的實際情況進(jìn)行集成，建立適合大型火電廠的CIPS，無疑會給電廠帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。本文在充分研究CIMS理論和大型火電廠特殊背景的前提下，嘗試提出了大型火電廠CIPS集成框架模型，希望藉此對本領(lǐng)域的研究有所貢獻(xiàn)。
　　
　　3大型火電廠層次結(jié)構(gòu)模型
　　
　　層次結(jié)構(gòu)模型是對CIMS工程的一些結(jié)構(gòu)化描述，是整個企業(yè)的CIMS的構(gòu)造模塊和關(guān)系的結(jié)構(gòu)化模型集合，設(shè)計和實現(xiàn)CIMS的基礎(chǔ)。大型火電廠CIPS是以過程控制和監(jiān)控分析為主的工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)，參照美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的遞階控制結(jié)構(gòu)和Pur-due參考模型，提出一種具有五個層次和兩個支持系統(tǒng)的CIPS層次結(jié)構(gòu)模型。見圖1。五個層次模型及其主要功能為：
　　
　　現(xiàn)場控制層該層是電廠的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)，直接對電廠的生產(chǎn)過程進(jìn)行檢測和控制，包括各種檢測儀表、執(zhí)行單元等。
　　
　　功能群控層該層主要對各功能組級的工藝系統(tǒng)進(jìn)行控制，如主廠房DCS內(nèi)的燃燒控制系統(tǒng)、給水控制系統(tǒng)、蒸汽控制系統(tǒng)等等。
　　
　　機(jī)組控制層該層也是車間控制層，完成各單元機(jī)組和輔助公用系統(tǒng)車間的控制，如各單元機(jī)組DCS、各輔助公用系統(tǒng)PLC、SCADA等等。
　　
　　監(jiān)控分析層該層為全廠實時監(jiān)控信息層，*成廠的實時監(jiān)控、負(fù)荷分配、經(jīng)濟(jì)分析、運行優(yōu)化等與實時過程相關(guān)的管理功能。
　　
　　管理決策層該層為全廠管理信息層，安成全成的商業(yè)運營管理、財務(wù)管理、資源管理等非實時性的事務(wù)管理和決策實時功能。
　　
　　4大型火電廠CIPS集成框架模型
　　
　　從以上層次結(jié)構(gòu)模型來看，管理決策層的功能系統(tǒng)為管理信息系統(tǒng)MIS，監(jiān)控分析層的功能系統(tǒng)為監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS，這兩層都為廠級系統(tǒng)，有時也可合為一個廠級自動化系統(tǒng)，而電廠龐大的過程自動化系統(tǒng)則由功能群控制層和機(jī)組控制層共同組成。發(fā)電廠的遞階控制視圖和系統(tǒng)功能視圖之間存在著相互對應(yīng)的映射關(guān)系。根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行各層次功能子系統(tǒng)的分析并建模，然后通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和大型歷史／實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實現(xiàn)集成，形成以大型歷史／實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為集成切入點的大型火電廠CIPS集成框架模型。見圖2。
　　
　　大型火電廠CIPS的過程自動化分系統(tǒng)包括電氣網(wǎng)控系統(tǒng)SCADA、各單元機(jī)組的DCS（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS、模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)MCS、順序控制系統(tǒng)SCS、爐膛安全保護(hù)系統(tǒng)I；'SSS）、汽機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)DEH、旁路控制系統(tǒng)BPCS、給水泵汽機(jī)控制系統(tǒng)MEH、汽機(jī)監(jiān)測儀表系統(tǒng)TSI、危急跳閘系統(tǒng)ETS、自動調(diào)壓裝置AVR、自動同期裝置ASS、吹灰程控系統(tǒng)、空預(yù)器漏風(fēng)控制系統(tǒng)、膠球清洗程控系統(tǒng)、汽機(jī)故障診斷系統(tǒng)TDM、爐管檢漏系統(tǒng)、煙氣連續(xù)監(jiān)視系統(tǒng)CEMS以及脫硫DCS、火災(zāi)水防報警系統(tǒng)、化學(xué)補給水程控系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理程控系統(tǒng)、廢水處理程控系統(tǒng)、循環(huán)水泵房控制系統(tǒng)以及其它控制系統(tǒng)。以上所有系統(tǒng)的過程實時數(shù)據(jù)通過接口進(jìn)入大型歷史／實時數(shù)據(jù)庫。
　　
　　以大型歷史／實時數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的SIS則是新興的管理控制一體化分系統(tǒng)，它在電廠CIPS集成中起著關(guān)鍵的作用。正如前文所述，從功能上講，它一方面采集DCS等控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)電廠的運行優(yōu)化、負(fù)荷調(diào)度分配、經(jīng)濟(jì)性能分析、設(shè)備故障診斷、設(shè)備狀態(tài)維修以及設(shè)備壽命管理等等，一方面又可將數(shù)據(jù)傳給MIS中的商業(yè)、檔案、人事等管理系統(tǒng)，起到承上啟下的作用。從物理結(jié)構(gòu)上講，它既是一個過渡層面，同時又起到隔離帶的作用。
　　
　　5結(jié)束語
　　
　　大型火電廠CIPS集成框架模型具有簡單明了、層次清晰、便于實施的顯著特點，既適合于指導(dǎo)新建電廠實施CIPS，也適合于指導(dǎo)改造電廠實施CIPS。盡管該模型以大型火電廠為研究對象，但對中小型火電廠也同樣適用。目前，全國幾個重點大型2000年燃煤示范電廠建設(shè)項目已獲準(zhǔn)開展SIS系統(tǒng)的試點工作，以該集成框架模型為目標(biāo)進(jìn)行的全廠信息集成正在順利進(jìn)行。以上幾個項目的示范成功，將具有劃時代的重要意義。相信在不久的將來，CIPS工程必會在占電力系統(tǒng)發(fā)電量70％以上的各火電廠開花結(jié)果。