火力发电厂发电机组的集控运行系统浅析

杨煜

浙江大唐乌沙山发电有限责任公司 315722

随着上世纪70年代的计算机技术的逐渐发展，在大量的集成电路和微处理器产生的情况下，集控运行系统出现了。集控运行系统可以满足现代化生产下的控制和管理的需求，它是工业控制发展史上的一个里程碑。工业过程控制的发展历程为：单机监控、直接数字控制、集散控制，其发展的必然趋势是计算机集成制造，当前计算机集成制造已经是工业过程控制的主要系统。

近年，我国的电力工业步入了一个建设高潮期，新建了大量的大型发电机组。由于当今现代网络和控制技术的日渐成熟，火力发电机组已经普遍采用了集控运行系统，集控运行系统在火力发电机组中的应用主要有：锅炉炉膛安全监控、汽轮机数字电液控制、数据采集和处理、模拟量控制、顺序控制等五个方面，而且其对现代的火力发电机组的生产过程的控制也发挥着很大的作用。我们只有熟练地掌握集控运行系统的运行状况，按照其自身的规律进行有效管理，才能保证电站的安全、经济以及正常的运行。

1 火力发电厂的发电机组集控运行系统简述

集控运行系统（简称DCS系统），又称集散控制系统，是一种新的综合控制体系，其主要基础是大型的工业生产自动化的日渐成熟，主要前提是过程控制要求的日益复杂化。将此控制体系与过去的集中式控制系统作比较，该控制体系是新型的控制系统，而且具有一定的先进性。集控运行系统的主要基础是微处理器，其关键作用是积极地监督生产过程，对生产过程进行科学的操作以及分散控制等。

集控运行系统成功地综合了Control控制技术、计算机技术以及与其相对应的通讯技术，这样不仅合理的集中了管理、操作和显示等等，而且也很好的完成了功能方面、负荷和危险性等几点的分散工作，因此DCS系统是先进的，其优点是快捷方便，而且还可以保障整体控制系统的安全性，对火力发电厂的常规运行及安全生产有着必不可少的作用。

2 集控运行系统的环境条件

集控运行系统的环境条件包括外部和内部的环境条件，其主要表现为外部的环境以及条件，主要有：计算机控制系统的接地、控制室及电子室的环境要求以及持续电源供应的要求等，与系统相关的设备的质量的好坏将会直接决定系统能否安全运行。由于在组装和调控机组时，偶尔有一些因素的干扰，所以经常会忽略相关设备的质量的优劣。另外，不容忽略的详细内容还有几点，如下：

（1）现代火力发电厂中的发电机组的集控运行系统若无法形成较好的地面接触或者缺少较好的电缆屏蔽，就会直接干扰该系统，而且可能会发出错误的信号；

（2）对应的电源供电模式与违背标准时间切换直接并且严重的影响了集控系统的环境，使集控系统不能发挥其本身的作用；

（3）电子室和控制室共用一个空调系统，但是空调系统仅能调节室内的温度而不能调节其湿度，所以针对我国的南北方气候差异的特点，在这一点也有较大的劣势，冬天时北方一般比较干燥，所以容易产生静电离子。相反，南方的气候比较温和，空气湿度大，因此电路板上易产生水珠，容易使电路板发生短路的故障。

3 集控运行系统的控制模式

一般情况下，现代的火力发电厂会安装许多有功率差别的发电机组，因为现在的能源紧张，电力资源自然也很缺乏，因此电站汽轮机和对应的发电装置市场得到了快速发展。老式的发电机组控制系统已无法满足现代发展的需要，所以发电机组的集控运行技术得到了普遍的应用，它的控制模式主要有以下几点：

3.1 分级递阶式的控制

集控运行控制系统属于分级递阶机构，其本质是以一个大的控制系统的功能或者结构对其进行层次的分配，对整个系统的控制和监视功能进行划分，划分成不同的级别，再按级别去完成各个级别分配到的功能。每个控制器都需要完成过程现场中的控制任务，按照控制对象的特点分别采取顺序控制、模拟控制和程序控制等方法。同时还可以实现一些先进控制，如串级、解耦、自适应、前馈及预测控制等等，而且还可以方便的加进其需要的特殊的控制算法。其控制策略和控制算法的选取以被控对象和要求为依据，此控制系统的各级别之间不仅有分工而且还有联系，可以协调工作。并且会根据现场的实际控制的需求，将相关信息传达至上一级，并且服从其管理。基本控制器的核心是微处理器，它不仅能够替代模拟仪表去完成正常的模拟控制，还能够进行复杂的算法控制及程序控制。由最高一级决策并且执行综合控制的功能，各级的工作，各级之间互相协调，尽量使整体控制系统有最好的效果。横向分解产生过程而且同时纵向分解其功能，采取全分散结构控制生产过程，将生产过程中涉及的信息整个的集中并且存储于一个数据库里，经过通信网络传达至上一级，这样的结构控制分散而且信息集中，其分散了系统的危险，使系统的可靠性提高了。固化的应用软件可以应用到基本控制器内，对输入及输出数据的处理在控制现场进行，可以减少信息传输量以及大量的上一级计算机的数据处理，同时可以降低对上一级计算机的要求，简化了系统程序的应用。并且使老式的集散控制系统的成本降低了，使系统的性能提高了，使高技术自动化的完成成本最低。计算机技术的日渐发展，集控运行控制系统能够通过网络，根据需要和较高性能的计算机设备实现连接，从而实现较高级的集中管理功能。

3.2 各自为政和分散控制

推出集控运行系统的最大理由就是各自为政和分散控制，集控运行系统本身就是解决“故障集中”——集中控制系统的致命弱点。故障分散是因为集控运行系统使用了许多微处理器，因为集控运行系统把系统的控制功能分散给了每台微处理器，该系统结构使用容错设计，所以若其中的一台微处理器发生故障也不会使系统的其他功能失效。每个微处理器都有一个地域上的、较小的控制任务，能够采取具备特定结构及软件的专用计算机去实现需要的功能，因而也提高了各个计算机的可靠性。

控制器在功能上市各自为政，即每个控制器独立完成本身的功能，一个微处理器的故障不会使整个系统的常规工作受到影响。与集中控制系统的计算机串行运行作比较，其处理速度有很大的提高，所以集控运行系统比集中控制系统优越且能够较快发展的关键是具备较高的实时性的指标。分散系统的故障，可以更大的提高系统的可靠性。即使系统的某一部分或者计算机发生了故障，也可以在线更换且不会干扰这个系统的运行，可以很快的解决故障。因此，只有分散控制功能才能做到分散故障。还有，集控运行系统的构成与老式的仪表控制系统越相似，在安装控制器时，可以减少输入与输出的电缆长度，并且可以减少信号传输时的干扰，也就是说，多功能控制器或者微处理器分担的控制任务在地域上的分散程度越大，其分散故障的效果就越好。这种做法十分有益于故障分散。

3.3 实现通讯系统的综合控制

由于电厂的实际应用要求在不断加大，集控运行系统已经发展为一个系统接口日益增多的控制系统。其采用的通信系统具有高速数据通道，该系统采用高速通讯网路和全为数字的马达驱动器以及友善的SCADA使用HMI控制。利用高速数据通道，将各自为政的控制器和监控计算机连接起来，从而进行协调控制。

近年来，自动控制系统一般采取一对一连线的方式对模拟信号进行检测和控制，导致设备和设备、系统和系统以及系统和外界之间没有信息的交流，使其在一定程度上变为“信息孤岛”。在采取集控运行系统解决了“孤岛”情况后，各个“自动化孤岛”都在决策级的统一指挥下积极地协调工作，从而使整体达到最优化，大大地增强了系统的管理功能。各个控制器、管理计算机以及监控计算机的综合控制得到了实现，把现场的这些智能设备应用到生产对象里能够构成一个现场的控制设备，即完整的控制系统，其次用对应规格的导线将多个节点根据现场总线通信协议的内容连接起来，就可以产生一个设备和车间级的数字化的通信网络，它能够方便地控制全部的机器设备，从而达到十分完美的性能要求。

运用监控计算机运算的能力，能够完成高级且复杂的控制算法；运用管理计算机的大量的信息及软硬件资源，能够使计划、管理和决策达到最优，从而使整体的系统控制达到最优，提高其生产效率，减少故障，进一步稳定器质量，也可以相应地减少操作管理人员，显著地提高其经济效益。

4 结束语

集控运行系统新型的工业自动化过程控制及管理设备，它在我国的冶金、石化和电力等工业领域有着广泛的应用。在我国，火力发电厂中集控运行系统的普遍使用显著地提高了机组的自动化水平。发电厂里发电机组的自动化技术不但能够使操作人员的劳动强度减轻，而且还能够保证机组安全且稳定的运行，后者更为重要。随着现代社会的发展，新的电力形势促使我们熟练掌握集控运行系统，使DCS的安全可靠性大大提高，改进DCS的自动控制效果，使其具备新的功能，同时，期望未来可以通过进一步研究集控运行系统，尽量采用更加有效的新算法；尽量用光导纤维去替代高速数据通道，并且使通讯规程统一；尽量使现代的控制理论得到灵活运用，从而得到更多的适用性强的控制算法，实现新时代及新形势下的工业控制系统的智能设备集成，从而使集控运行系统在火力发电厂里应用达到一个新的境界。

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