DCS构架下电厂电气一体化设计及其发展研究

【摘 要】随着社会的发展以及科技的进步，为了生产的高效性与安全性，进行了一系列基于自动化与一体化的改建。在这个过程中电厂生产区域具有高温、高压等特定，对于一体化自动控制更是有着更高的要求。为了实现这一目标，在若干种构建模式中，DCS构架是一种较为常见的方式，对于其构建原理以及构建环节建设已经有了系统的研究，这对于后续的应用提供了必要的基础保障。本文以电厂电气一体化设计为主要的研究目标，总结其利用DCS构架的构建过程，并对近些年DCS构架下的一体化设计与技术的发展进行总结分析。希望通过本文的研究能够为今后的相关电厂一体化设计与实际施工提供必要的理论基础与实践指导，也能够为后续的电厂技术改造提供方向选择的依据。

【关键词】DCS构架 电厂电气一体化 设计思路 技术发展

1 引言

DCS是一种较为先进的分布式控制系统，它能够同时完成相关设备的数据采集、处理与控制，并对一定设定范围内的数据进行保存与调取。适应于各种一体化建设体系的设计与施工。同时，由于其对于设备的支持强度相对较大，受到了广泛的关注与应用。电厂的生产环节对于自动化体系要求相对较高。一方面电厂生产环境相对恶劣，具有高温、高电压、高噪音、高辐射等恶劣的生产环境；另一方面电厂的生产需要根据电能负载对锅炉以及发电机等主要生产设备进行实时监控并通过进料保障等体系来保障其生产的连续性与顺畅度。在这样的背景下，电厂的控制一体化体系建设迫在眉睫。针对DCS的应用是一种较为广泛的应用模式，国内外学者也针对其具体的应用与体系构建进行了系统的研究。但是，结合自身特点以及我国电气一体化建设的针对性研究还相对较少。本文正是出于这个目的，以电厂电气一体化设计为目标，对其中的DCS构架发展现状与技术革新进行阐述，并对电厂电气整体的一体化设计提供思路。希望通过本文的研究能够为今后的相关设计提供必要的理论基础，也为类似的项目建设选择提供可靠依据。

2 DCS构架简介

所谓的DCS是指分布式控制系统，在国内的一体化建设体系中又被称之为集散控制系统，与传统的计算机控制方式相比是一种更为新型的控制体系。传统的计算机控制模式是采用单一计算机对全部的电气设备进行统筹管理的模式来进行，而此种方式不仅增加了计算机的负载，更是由于其控制模块之间的通道堵塞而使得控制效果尤其是人机互动效果有了显著的降低，对于大型厂区与设备的集约化管理模式构建不利。而应用多电脑分布控制的模式很难做到不同部分的数据联通、共享与同步。DCS构架的产生正是为了弥补这个问题。为了很好的对一体化建设进行支持，DCS采用了集中控制与分散控制相结合的方式，在统一的系统内来完成分散的控制流程。简单来说，就是通过对一级机的人机交互来达到对设定参数的控制，比如炉内温度、发电机负载、除尘设备运行等；而二级机则为具体的控制单元则根据一级机的指令讯号进行自动化操作，如当人机互动对于炉内温度进行提升操作时，一级机的指令仅为炉内温度提升（数控讯号）而二级机则更具预设的终端对不同的设备进行预控操作，包括进煤量的增加、进氧量的增加、出烟口扩大、除尘设备功率提升等。通过上述体系的构建能够将统一的工作分解为具体的设备管理，进而降低了计算机的负载，能够更为有效的完成相应的设备控制。

3 电厂电气一体化体系构建

所谓电厂电气一体化设计主要是实现电厂整个运营周期内的数字一体化建设，并通过数字一体化体系达到对电厂进行监控、与控制的目的。在具体的构建过程中可以分为自动化建设与信息化建设等两个层面。其中信息化建设为自动化建设提供必要的数据基础，并为后续的电厂运营提供数据依据与决策辅助；而控制自动化则是电厂一体化建设的核心，通过对于电气控制一体化的构建来实现对于电厂各个生产环节的集中与远程控制，提高控制效率与生产的安全性。在实际的构建过程中分为如下模块：

数据采集模块：数据采集模块是指通过传感器对相应的生产与运营数据进行采集，此阶段通过电厂设计与施工的过程中进行同步建设。包括炉内数据采集、辅助设备数据采集以及运营参数采集的若干个部分。通过数据采集能够为后续的运行监控以及具体的管理决策提供必要的数据支持。

数据分析模块：数据分析模块是基于DCS构架中的核心部分，通过数据采集模块收集的各类信息在统一的计算机平台内进行支持与处理，在具体的处理过程中主要分为数据处理以及虚拟电厂的可视化处理两个部分。所谓的数据处理是通过基础的信息收集来计算或者评估相应的可视化数据的过程。一般是由计算机后台来独立完成的。通过相关函数以及参数的设定来计算出合规的数据体系。如利用进口处氧含量以及出口处氧含量来评估炉内的燃烧效率；或者计算二氧化硫去除效率等。另一方面则是基于人机互动目的的可视化模拟电厂的数据分析过程。利用软件预设等方式对电厂的可操作部分进行模拟，构建出3D的模拟电厂环境，并根据不同的控制节点对其进行系统的数据整合，来方便人机互动式的可视化程度与操作便利度。

数据存储模块：存储模块是指在数据处置后需要对操作过程以及操作基础数据进行保存，其中操作步骤以及运营数据的保存更为重要。在具体的实现环节中主要通过独立数据库或者计算机终端的方式对一定时间内的相关数据进行保存。通过此种方式解决数据调用与控制一体化系统的冲突。

数据控制模块：主要是指通过人机互动平台来实现对一级机内参数的控制，并通过通讯系统达到一级机对二级机以及其他下级机的控制，最终达到对设备控制的目的。

其他辅助模块：除了上述的模块建设之外，在具体的设计过程中还需要包括电气弱电支持、无线通讯支持等辅助模块，这个可以根据电厂建设的实际情况来进行选取。

4 DCS构架技术发展研究

通过上文的分析，我们可以确定电厂电气一体化是保障电厂正常运行，安全生产的关键要素。而在整体的一体化建设过程中DCS系统的技术开发与发展对其起到了至关重要的支撑作用。在这样的背景下，我们有必要对现阶段DCS技术发展进行总结。从现有的研究现状来看，其发展主要分为如下几个部分：

第一，结构变化的发展。传统DCS是采用单一的上级机对下级机的讯号传输来实现人机互动的，而下级机则是通过与相关设备的继电联系来实现对特定设备进行控制的。而此种构建模式对于通讯质量以及设备运行的可靠度由较高的要求，即当下级机出现设备故障时，上级机则无法对设备进行有效的控制。为了解决这个问题，现阶段DCS采用了网状连接的方式来进行，即在下级机水平内构件备机的模式来应对下级机的设备故障，同时采用多台下级机对于有限设备进行共同管理的方式来保障的系统构建的合规性与有效性；

第二，安全体系的发展。电厂系统是一种对于安全性要求相对较高的系统，如果出现了信息外泄或者控制源漏洞则会对电厂的运营产生不可估量的损失，为了避免此种现象的产生。一方面电厂采用非联网的方式对DCS进行构建；另一方面也采用了核心部件加密加壳的方式来予以保护，尤其是对于虚拟电厂等人机互动的可控制核心的保护进行升级改造，通过限定通讯IP、限定通讯位点等方式来提高其安全性。

第三，对控制一体化进行构建。DCS除了传统的一体化建设之外，还对于区域内的无线控制提供了更为多元化的接口，尤其是数据查询等单项的传输通道可以采用开放式接入的模式来进行。此种技术升级方便了电厂的相关员工对于设备进行现场检修的便捷度，在现场则可以通过开放式端口来实现对设备运行情况的实施监控，进而提高了设备的维护效率，也方便其在具体问题层面上的判断。

第四，对于变频技术的开发与应用。变频器作为控制系统的一个重要功率变换部件，以提供高性能变压变频可控的交流电源的特点，前些年在火电厂小型电机（如给粉枧、凝泵）等控制上的应用，得到了迅猛的发展。由于变频调速不但在调速范围和精度，动态响应速度，低速转动力矩，工作效率，方便使用方面表现出优越性，更重要的是节能效果在经济及社会效益上产生的显著效应，因此继一些中小型电机上普遍应用后，近年来交流变频调速技术，扩展到一些高压电机的控制上试用，如送、引风机和给水泵电机转数的控制等。

5 结语

DCS构架是构建电厂电气一体化的核心。本文以电厂电气一体化为研究目标对其具体的一体化建设过程与模块构建体系进行了分析，通过本文的分析找到了基于DCS一体化建设系统的优越性以及基本过程。并结合现阶段DCS构架技术的发展对其先进技术进行了总结。希望通过本文的研究能够为今后的相关体系建设以及现有体系升级改造提供必要的理论基础与实践指导。

参考文献：

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作者简介：杨广东（1979—），男，江苏徐州人，工程师，研究方向：电厂自动控制，热工自动化，DCS。