DCS系統(tǒng)在熱電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1、引言
　　
　　隨著電力改革進(jìn)入關(guān)鍵階段，減員增效、提高電廠信息集成化和自動(dòng)化水平已經(jīng)成為各發(fā)電企業(yè)的共識。而各發(fā)電企業(yè)在不斷提高主控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平的同時(shí)，也要大力著手提高輔助公用系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，從而提高電廠整體水平，使主控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)都處在*的運(yùn)行環(huán)境中，因此提高輔助系統(tǒng)的工業(yè)自動(dòng)化水平（特別是那些比較老的、自動(dòng)化程度不高的電廠）已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。
　　
　　華祥熱電有限公司輸煤控制系統(tǒng)處于起步階段，除了輸煤皮帶采用PLC實(shí)現(xiàn)順序控制，上煤、配煤、碎煤、除塵等工序由于設(shè)備更新不到位，設(shè)備的陳舊引起煤的跑、冒、滴、漏，影響自動(dòng)化水平的提高。這次改造使用了和利時(shí)公司的DCS系統(tǒng)，使輸煤系統(tǒng)的控制功能更加完善，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，極大的提高了神頭*發(fā)電廠的自動(dòng)化水平。整個(gè)系統(tǒng)如附圖所示。
　　
　　2、硬件系統(tǒng)介紹
　　
　　本系統(tǒng)采用北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司的macs分布式DCS（distributedcontrolsystem）控制系統(tǒng)平臺，完成華祥熱電有限公司輸煤系統(tǒng)改造技術(shù)要求所規(guī)定的模擬量控制（mcs）、順序控制（scs）、數(shù)據(jù)采集（das）等功能，并負(fù)責(zé)與其他供應(yīng)商所供儀表和控制系統(tǒng)之間接口的設(shè)計(jì)及供貨工作，如圖1所示。　　
　　macs是基于客戶/服務(wù)器（client/server）體系結(jié)構(gòu)的大型分布式控制系統(tǒng)，從邏輯結(jié)構(gòu)上分為現(xiàn)場采集控制級，中央處理級和操作級。
　　
　　針對神頭發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)的工藝概況描述進(jìn)行分散控制系統(tǒng)的配置，根據(jù)系統(tǒng)的要求，macs硬件配置如下：1個(gè)配電柜；1個(gè)工程師站；2臺操作員站；2個(gè)服務(wù)器；1個(gè)i/o控制站；2個(gè)擴(kuò)展柜。
　　
　　配電柜用來給macs系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行電源分配和供電。主控制室2臺操作員站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、控制操作、數(shù)據(jù)采集等功能，通過設(shè)置密碼限制不同級別人員操作。操作員可通過鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)操作功能。服務(wù)器用來對整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存貯和任務(wù)調(diào)度和歷史數(shù)據(jù)存貯。工程師站平時(shí)運(yùn)行時(shí)可作為系統(tǒng)管理操作站，進(jìn)行全程監(jiān)控。同時(shí)用于系統(tǒng)組態(tài)、程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫及畫面的編輯和修改等工作。采集控制柜包括機(jī)柜、電源、主控單元和過程i/o單元等主要配套設(shè)備，電源、主控單元均采用冗余配置方式。主控單元和過程i/o單元之間通過現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)cnet連接起來，構(gòu)成一個(gè)邏輯上完整的數(shù)據(jù)采集控制站。主控單元主要完成以采集控制站為中心的相對集中的數(shù)據(jù)處理和控制運(yùn)算工作；過程i/o單元為智能化結(jié)構(gòu)，主要完成與現(xiàn)場信號的連接以及與本模塊相關(guān)的i/o處理工作。
　　
　　2.1現(xiàn)場總線
　　
　　macs系統(tǒng)現(xiàn)場控制站內(nèi)采用上zui流行的現(xiàn)場總線Profibus-dp來連接主控單元和i/o單元。profibus-dp是專門為自動(dòng)控制系統(tǒng)與在設(shè)備級分散i/o之間進(jìn)行通訊而設(shè)計(jì)的。既可滿足高速傳輸，又有簡單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。
　　
　　profibus-dp符合en50170標(biāo)準(zhǔn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，在總線兩端有有源總線端接器。zui大節(jié)點(diǎn)數(shù)為127，其中每個(gè)分段上zui多可接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，各段可通過中繼器相連。傳輸速率9.6kbps～12mbps，與每段距離有關(guān)。當(dāng)距離在100米內(nèi)時(shí)，可達(dá)12mbps。通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纖。
　　
　　2.2主控單元
　　
　　主控單元是現(xiàn)場控制站的中央處理單元，主要承擔(dān)本站的部分信號處理、控制運(yùn)算、與上位機(jī)及其它單元的通訊等任務(wù)。它是一個(gè)高性能的工業(yè)級中央處理單元，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主控單元可以熱備份方式冗余使用。主控單元cpu采用pentiumii芯片，主頻233mhz以上；內(nèi)存為32m（db），2msram（帶掉電保護(hù)）。
　　
　　2.3輸入輸出單元
　　
　　過程輸入輸出單元（i/o單元）是完成與現(xiàn)場信號的連接、對輸入信號進(jìn)行的采集與轉(zhuǎn)換、對輸出信號進(jìn)行限幅等處理的智能單元。模塊采用智能化設(shè)計(jì)和看門狗定時(shí)、多級隔離、自動(dòng)診斷、輸出回饋以及系統(tǒng)故障時(shí)輸出自動(dòng)切換到安全狀態(tài)等可靠性措施。
　　
　　過程輸入輸出單元根據(jù)功能分為模入、模出、開入、開出和脈沖量處理、回路控制幾類。其中模入、模出單元可冗余配置，以保證重要信號能得到可靠處理。
　　
　　單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，通常由模塊主體和底座兩部分組成。模塊主體由外殼和內(nèi)部模板組成，一般有兩塊板，一塊為cpu板，另一塊為i/o處理板。底座為無源底板，起連接信號、固定模塊主體、并為模塊主體供電等作用。
　　
　　3、硬件系統(tǒng)性能分析
　　
　　3.1中央處理單元負(fù)荷
　　
　　對現(xiàn)場控制站cpu和操作員站的cpu負(fù)荷率一般采用實(shí)測結(jié)果，采用這種體系結(jié)構(gòu)可以保證在滿配置的繁忙工況下的現(xiàn)場控制站負(fù)荷率低于60%，操作站負(fù)荷率低于40%。
　　
　　3.2電源負(fù)荷分析
　　
　　每個(gè)過程i/o模塊采用了低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)（如盡量采用低功耗的cmos集成電路、低電壓供電等），使每個(gè)現(xiàn)場控制站機(jī)柜在滿配置的情況下，總的電源消耗不超過50%。每個(gè)i/o模塊的額定輸入功率小于2w。在滿配置時(shí)，機(jī)柜容量為50個(gè)i/o模塊，總電源功耗為200w（=2w×50個(gè)i/o模塊+50w×2個(gè)冗余主控模塊），電源模塊的輸出功率為450w，電源的負(fù)荷為44.4%（=200w/450w）。本計(jì)算是針對單電源模塊時(shí)i/o站機(jī)柜滿配置的計(jì)算結(jié)果。
　　
　　3.3內(nèi)存和外存余量分析
　　
　　本系統(tǒng)現(xiàn)場控制站配34m內(nèi)存，實(shí)際占用2.5mb，余量為92.6%；現(xiàn)場控制站不需要外存；操作員站內(nèi)存和外存余量大于50%；服務(wù)器內(nèi)存為256mb，實(shí)際使用8～16mb，余量大于93%；外存一般配20g硬盤，實(shí)際使用小于1g，余量大于90%。
　　
　　3.4網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分析
　　
　　（1）控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分析?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用Profibus-dp協(xié)議，profibus-dp采用輪巡的傳輸協(xié)議，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)有n個(gè)dp設(shè)備，通訊時(shí)系統(tǒng)主站首先對#1從站（#1dp設(shè)備）發(fā)出一個(gè)請求，#1從站根據(jù)請求返回?cái)?shù)據(jù)，接著主站對#2從站發(fā)出一個(gè)請求，#2從站根據(jù)請求返回?cái)?shù)據(jù)……，主站對#n從站發(fā)出一個(gè)請求，#n從站根據(jù)請求返回?cái)?shù)據(jù)，主站對#1從站（#1dp設(shè)備）發(fā)出一個(gè)請求，#1從站根據(jù)請求返回?cái)?shù)據(jù)……。系統(tǒng)一直不停的輪巡所有設(shè)備。
　　
　　我們考慮系統(tǒng)輪巡一遍設(shè)備所用的時(shí)間，系統(tǒng)可配置成八種通訊速率，我們按照1.5mbps進(jìn)行分析：
　　
　　每秒鐘通訊字節(jié)數(shù)
　　
　　1500000÷8=187500byte字節(jié)
　　
　　按現(xiàn)場控制站的應(yīng)用軟件通訊協(xié)議，查詢幀為4個(gè)byte，模擬量模件、脈沖量模件的幀為20（頭3位，數(shù)據(jù)16位，crc校驗(yàn)1位）byte，開關(guān)量模件的幀為6（頭3位，數(shù)據(jù)2位，crc校驗(yàn)1位）byte，而每個(gè)現(xiàn)場控制站的dp主卡的雙口ram包括輸入3584byte、輸出3584byte，每個(gè)現(xiàn)場控制站理論上可以帶125個(gè)dp模塊，主站與從站的握手協(xié)議包括診斷不大于20byte。
　　
　　因此，每一次輪巡的zui大通訊量為：
　　
　　3584+3584+125*20=9668byte
　　
　　9668/187500=5.15%
　　
　　可見，控制網(wǎng)絡(luò)即使在全部測點(diǎn)按照zui快掃描周期并且在極限傳輸量情況下，也處于十分空閑狀態(tài)。因此profibus-dp的負(fù)荷率*使用要求。
　　
　?。?）ethernet網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分析。ethernet通信采用tcp/ip協(xié)議，通訊有發(fā)送和確認(rèn)控制。幀控制信息開銷=12（幀間距）+8（同步碼）+18（幀首、尾）+24（ip包首部）+24（tcp包首部）=86byte。由協(xié)議可知：
　　
　　用戶數(shù)據(jù)平均包長=1452（zui大用戶數(shù)據(jù)包長）/2=726byte，則：
　　
　　平均用戶數(shù)據(jù)利用率=用戶數(shù)據(jù)平均包長/（發(fā)送幀控制信息開銷+確認(rèn)幀控制信息開銷+用戶數(shù)據(jù)平均包長）=726/（86+86+726）=80.85%
　　
　　由上述分析可知，此DCS系統(tǒng)可以滿足穩(wěn)定的控制要求，硬件系統(tǒng)有較大的冗余量，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
　　
　　4、控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)
　　
　　4.1上煤路線的選擇
　　
　　由于華祥熱電有限公司的輸煤皮帶系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在輸煤皮帶的上下級關(guān)系比較復(fù)雜。系統(tǒng)由35條皮帶組成，給三個(gè)單元的原煤倉上煤。例如有如下上煤路線：
　　
　　一單元上煤路線：
　　
　?。?）#0甲皮帶→#5甲皮帶→#7甲、乙皮帶→犁煤器→煤倉。
　　
　?。?）推煤機(jī)→#0乙側(cè)皮帶（#1、#2輪斗機(jī)）→#8甲側(cè)皮帶→#2甲側(cè)皮帶→#1碎煤機(jī)→給料帶反轉(zhuǎn)→#3皮帶→#5甲、乙側(cè)皮帶→#7甲、乙側(cè)皮帶→犁煤器→煤倉。
　　
　　（3）翻車機(jī)#1、#2給料帶→#1甲、乙皮帶→#2甲側(cè)皮帶→#1碎煤機(jī)→給料帶反轉(zhuǎn)→#3皮帶→#5甲、乙側(cè)皮帶→#7甲、乙側(cè)皮帶→犁煤器→煤倉。
　　
　　由上面的路線可知，系統(tǒng)的上煤路線較復(fù)雜，所以我們采用了首先選擇上煤終點(diǎn)，按由后向前的順序選擇上煤路線，直到選擇上煤起點(diǎn)。另外，我們也給出了幾條*的上煤路線，供用戶進(jìn)行方便快速的選擇。
　　
　　4.2手動(dòng)與自動(dòng)方式
　　
　　系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止方式可以為手動(dòng)和自動(dòng)方式。當(dāng)在系統(tǒng)圖上選擇運(yùn)/配煤設(shè)備后、并接收到相應(yīng)的設(shè)備“準(zhǔn)備好”信號；所有指示表明可以啟動(dòng)時(shí)，操作人員通過系統(tǒng)啟動(dòng)命令來啟動(dòng)運(yùn)/配煤系統(tǒng)。當(dāng)不允許啟動(dòng)或所選設(shè)備無效時(shí)，內(nèi)部連鎖能防止任何設(shè)備啟動(dòng)。當(dāng)“系統(tǒng)停止”命令輸入鍵盤時(shí)，系統(tǒng)按正常清除順序停止，或當(dāng)出現(xiàn)危害人身、設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)立即停止。自動(dòng)方式為主要的運(yùn)行方式，運(yùn)行人員應(yīng)能選擇一個(gè)完整和合適的路徑，以便將煤運(yùn)送到煤倉。
　　
　　4.3連鎖功能的實(shí)現(xiàn)
　　
　　手動(dòng)方式中，除了運(yùn)行人員必須按照正確順序通過鍵盤上的啟動(dòng)/停止命令來啟動(dòng)和停止各個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)也應(yīng)象自動(dòng)方式一樣*連鎖。以確保運(yùn)行人員按正確的順序來啟動(dòng)和停止所有設(shè)備。啟動(dòng)上煤設(shè)備優(yōu)先啟動(dòng)碎煤機(jī)，啟動(dòng)時(shí)按逆煤流方向，從zui后一條皮帶（及相關(guān)設(shè)備）開始一次啟動(dòng)。直到*條皮帶（及相關(guān)設(shè)備）啟動(dòng)后才開始供煤；停運(yùn)時(shí)按順煤流方向，先停供煤設(shè)備，然后從*臺至zui后一臺設(shè)備依次停止，zui后停止碎煤機(jī)運(yùn)行。
　　
　　4.4自動(dòng)加倉功能的實(shí)現(xiàn)
　　
　　自動(dòng)加倉功能主要是應(yīng)用了功能塊圖和st（結(jié)構(gòu)化文本）編寫的程序來實(shí)現(xiàn)的。其中主要有比較邏輯、與邏輯、或邏輯，還有分支結(jié)構(gòu)語句，通過現(xiàn)場運(yùn)行，能按預(yù)定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加倉功能。
　　
　?。?）根據(jù)鍋爐對每個(gè)煤倉的加倉要求，加倉前由運(yùn)煤控制室的值班人員調(diào)出加倉畫面，同時(shí)通過鍵盤輸入給定加倉指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加倉配煤。主要實(shí)現(xiàn)了分單元加倉功能。
　　
　?。?）加倉開始，先依次給出現(xiàn)超低煤位倉配煤，直至消除煤倉的所有低煤位信號。
　　
　?。?）所有的低煤位信號消失后，再進(jìn)行順序配煤，當(dāng)倉滿后轉(zhuǎn)到下一個(gè)煤倉進(jìn)行順序配煤，直到所有的煤倉滿為止。
　　
　　（4）順序配煤過程中，如果又出現(xiàn)超低煤位、低煤位倉，則停止原煤倉順序加倉程序，優(yōu)先為超低煤位、低煤位倉配煤，消除超低煤位、低煤位，再轉(zhuǎn)入順序加倉程序。
　　
　?。?）當(dāng)全部煤倉出現(xiàn)滿煤位信號（并報(bào)警）后，程序自動(dòng)停機(jī)并把皮帶上的余煤均勻分配給各煤倉
　　
　　（6）在配煤過程中能自動(dòng)跳過滿倉、高煤位倉、超高煤位倉及檢修倉。
　　
　　（7）配煤的尾倉設(shè)定、檢修倉設(shè)定均通過上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定，加倉時(shí)尾倉及其后方煤倉均不允許配煤。
　　
　　5、界面顯示
　　
　　界面上主要實(shí)現(xiàn)了控制方式設(shè)置和流程選擇菜單，運(yùn)煤工藝流程圖，實(shí)時(shí)運(yùn)煤系統(tǒng)運(yùn)行圖，設(shè)備狀態(tài)顯示圖，歷史數(shù)據(jù)顯示畫面，故障報(bào)警一覽表，皮帶機(jī)的運(yùn)行顯示，煤倉煤位的顯示，各皮帶、碎煤機(jī)、輪斗機(jī)電機(jī)電流的顯示，整個(gè)輸煤系統(tǒng)的各個(gè)需要監(jiān)視的部分均能在操作員站上顯示出來，可以很好的防止輸煤事故的發(fā)生，極大的提高了輸煤系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。
　　
　　6、結(jié)束語
　　
　　將DCS系統(tǒng)應(yīng)用到華祥熱電有限公司的輸煤程控系統(tǒng)中，可以很好的發(fā)揮DCS系統(tǒng)的優(yōu)勢，將輸煤系統(tǒng)需要監(jiān)視的模擬量、開關(guān)量集成到整個(gè)控制系統(tǒng)中，監(jiān)視皮帶的電機(jī)電流的變化，實(shí)現(xiàn)皮帶上下級的連鎖功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加倉功能，提高了該電廠的自動(dòng)化水平，也為將來廠級網(wǎng)絡(luò)的互連準(zhǔn)備了充分的條件。