DCS系统在电站监控的应用

中航工业沈阳黎明动力分公司 袁继朋

一、热电站DCS系统简介

热电站DCS系统于2011年改造完成，主要控制以下设备，三台35吨/小时锅炉，一台3000KW汽轮机组，一台1500KW汽轮机组，高加和减温减压器等。下位机是六套西门子的S7-300PLC，三台锅炉，每台锅炉由一台S7-300控制，两台汽轮机，每台由一个S7-300控制，其他公共设备由一台S7-300控制，除公共设备外，每台主要设备对应一个PLC。PLC负责运行参数的采集、量化、处理、和控制输出。每台PLC对应一台上位机服务器，PLC和上位机服务器之间实时通信，上位机服务器完成参数显示、重要参数的报警、记录等。上位机服务器还具有对PLC进行编程和调试的功能。两台汽轮机共用一个上位机服务器，此上位机服务器通过双头显示卡实现双显示器分别独立显示两台汽轮机参数的功能。2012年，新增加三套子系统，完成对水处理设备和发电机等电气设备的监控及三号锅炉自动排污。软件方面，PLC使用Step7 V5.1软件开发，通过STEP7编程实现数据采集、AD转换、参数量化、控制策略实施、控制结果输出、DA转换、有关参数累积和上位机通信等功能。上位机使用研华610工控机，Windows2000操作系统，MS-SQLSERVER 2000数据库，WINCC V6.0组态软件，实现运行参数显示、控制参数修改、累积量显示，数据记录和历史数据查询、微机软手动操作等功能。

二、测点分布和主要控制回路

热电站需要测量的参数主要测量包括温度、压力、液位、流量、阀位或频率（变频器）、电工仪表信号（电流、电压等）。温度、压力等信号的测量原理如图1所示，温度信号通过热电阻和热电偶测量，热电偶通过补偿导线接入PLC，由PLC进行冷端补偿。热电阻由温度变送器转成4-20mA信号后接入PLC。压力信号由压力变送器直接测量，汽包等密封受压容器的水位由带压力补偿的平衡容器转成差压信号后，通过差压变送器生成4-20mA信号进入PLC。开口容器的水位由差压变送器直接测量。流量信号由弯管流量计、涡街流量计、孔板流量计测量并进行温度、压力补偿后转成4-20mA信号进入PLC，阀位（频率）由执行器、调节阀或变频器产生4-20mA信号，进入PLC。电工仪表信号通过对应的变送器测量后转成4-20mA信号进入PLC。

图1 温度、压力等信号的测量原理

图2 本DCS系统OPC软件结构图

热电站的自动控制回路主要集中在锅炉部份，汽包水位自动控制是锅炉自控最重要的部份。本系统为每台锅炉的汽包水位实现三冲量变比例复合PID控制。采蒸汽流量作为前馈，给水流量作为反馈，根据实际水位的偏差值及其变化率，在控制矩阵中自动选取适当的比例值作为PID控制的可变参数，构成简单的模糊控制，完成水位自动控制。蒸汽温度实现变比例微分前置复合PID控制，采蒸汽流量的微分值作为前馈，根据实际蒸汽温度的偏差及其变化率，在控制矩阵中选取适当的比例值作为PID控制的可变参数，完成蒸汽温度的自动控制。

以上两个系统是电站系统中需要频繁最多的部分，实现了自动控制，运行人员的劳动强度大大降低。此外，风和煤系统实现微机手动控制和自动控制相结合的控制。机炉协调控制方面，此系统是以汽机跟随为基础的协调控制系统。负荷主要靠锅炉进行调节。

表1 本DCS系统OPC参数表

三、热电站DCS系统的网络应用

OPC(用于过程控制的OLE)是一个工业标准。它由一些世界上占领先地位的自动化系统和硬件、软件公司与微软紧密合作而建立的。这个标准定义了应用Microsoft操作系统的基于PC的客户机之间交换自动化实时数据的方法。O代表OLE（对象链接和嵌入），P代表Process(过程)，C代表Control（控制），OLE已从面向对象重新定义为基于对象并更名为Active X管理。这个标准的国际组织是OPC基金会。OPC技术基于微软的OLC(现在的Active X)、COM（部件对象模型）和DCOM（分布式部件对象模型）技术。OPC是以OLE/COM机制作为应用程序的通讯标准。现在主要的DCS系统软件都支持OPC技术，因此OPC技术已经成为在多个DCS系统之间进行通信的首先方案。本系统中汽机部分的两台PLC连接成MPI网络，三台锅炉之间连接成MPI网络，所有上位机连成TCP/IP网络。通过Intranet为OPC技术的实施提供基础。

由于车间热电站在机炉协调控制方面是以汽机跟随为基础的控制方式，此系统运行人员要求，在每台锅炉的上位机上显示系统负荷和外供的参数，这就需要在几个上位机之间进行通信，我们的实现方法是使用OPC技术，在汽机和公共设备的上位机服务器上建立OPC服务器，在每台锅炉的上位机服务器上OPC客户机。在汽机和电气主控的通讯方面，也使用了OPC技术，代替了原来的按钮-指示灯方式，节省了近80根电缆，同时功能也进一步增强。本DCS系统OPC软件结构图如图2所示。

共有27个测点的参数在此DCS系统中通过OPC技术进行传输，表1是本DCS系统OPC参数表。

由表1可以看出，提供OPC服务最多的电脑是汽机上位机，共提供21点服务，接受OPC服务最多的是电气主控电脑，共接受21点服务。同时现场所有上位机都即是OPC客户机又是OPC服务器。实现方法是利用WINCC6.0集成的OPC功能和变量管理功能，下面以一号汽轮机有功功率为例，对OPC功能的实施进行说明。

1.先在电气主控上位机上用WINCC变量管理中建立MPI变量，设置好MPI通信方式，通过线性标定的方式把过程值范围和变量值范围进行对应，并在本机调试成功。设置OPC服务器，并在WINCC项目启动选项中选择启动时加载。

2.在两台汽机的上位机的WINCC变量管理中加入OPC变量组，并建立从本机到电气主控上位机的连接。

3.分别在三台炉的上位机、主控电气电脑的WINCC变量管理中加入OPC变量组，并建立从本机到汽机上位机的连接。

4.在此连接下建立变量，变量名可以直接用中文“一号机有功功率”，数据类型是32位浮点数IEEE754，数据长度是4个字节。数据的地址根据实际情况设定，转换方式为float to float（浮点数转浮点数）。注意，在客户端不要再进行线性标定，因为在服务器已经线性标定。

至此OPC连接完毕，但是要客户端能正常显示的前提是服务器端必须正在运行此项目文件。在服务器端项目停止运行后，客户端会出现数据无效标志，当服务器端恢复正常之后，客户端自动恢复正常。

四、DCS技术在某车间热电站应用效果

802车间热电站原控制系统是基于单机控制的，每台PLC对应一个上位机，各上位机之间没有通信。经过改造后建成了一个上位机的工控网络，在上位机之间进行以OPC方式进行通信，达到了运行参数共享的目地，并基本取消了数字显示仪表，主要设备都采用了微机手动与自动相结合的控制方式。整套软件具有了更多的灵活性和通用性。但是由于OPC是基于COM这个windows操作系统的技术，和基于实时操作系统与时实数据库的应用相比，此系统在具有较好的开放性的同时具有通信的时实性不够理想。进一步提高系统的实时性是今后需要解决的主要问题。

[1]宋伯生编.PLC编程理论·算法及技巧[M].机械工业出版社,2009,5.

[2]王永华编.现代控制技术与PLC应用[M].北京航空航天大学出版社,2008,2.

[3]曾蓉编.热工保护与顺序控制[M].中国电力出版社,2009,1.

[4]徐国林编.PLC应用技术[M].机械工业出版社,2007,1.