陸澄（1963-）
男，現(xiàn)任江陰興澄特種鋼鐵有限公司電氣主任工程師。

摘要：本文詳細論述了余熱發(fā)電系統(tǒng)的混合建模，即以先進的面向?qū)ο蟮姆绞浇＃賹Κ毩⒌膶ο蟀垂δ埽ㄋ惴ǎ┘毞郑@種混合劃分的方式能克服單一建模的缺點，合理地配置和整合了相關(guān)資源，使系統(tǒng)更可靠、更靈活。最后再結(jié)合DCS使整個控制系統(tǒng)的性能及功能完全符合現(xiàn)場的需求。

關(guān)鍵詞：DCS 建模； 面向?qū)ο螅幻嫦蛩惴?

Abstract：In this article, mixed modeling of the system of Power Generation by waste heat is illustrated in detail. First, the object-oriented modeling scheme is adopted, and then algorithm-oriented modeling is made for all independent objects. This mixed modeling method can avoid the disadvantage of simple modeling, and configure and integrate correlated resources reasonably. It also can make system more reliable and more feasible. Implemented by DCS, it makes the function and performance abilities of entire control system to meet the requirements of field.

Keyword: DCS modeling；object-oriented；algorithm-oriented

1  概述

    在冶金以及發(fā)電生產(chǎn)中，過程控制系統(tǒng)完成生產(chǎn)工藝參數(shù)的檢測、顯示、記錄、調(diào)節(jié)、控制、報警等功能，它對提高生產(chǎn)線的作業(yè)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品、新工藝的開發(fā)周期以及提高安全性等都起著極其重要的作用。

    20世紀70年代中期，以計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示技術(shù)(既4C技術(shù))相結(jié)合發(fā)展起來的新型過程控制系統(tǒng)—DCS系統(tǒng)(Distributed Control System,分散控制系統(tǒng))，由于采用“管理集中、控制分散”的設(shè)計方法，也稱為集散控制系統(tǒng)，它徹底避免了集中控制系統(tǒng)中因中心計算機故障而導致整個過程控制系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象，將危險分散，系統(tǒng)各部分的故障不影響其他部分的正常工作，因而具有更高的安全可靠性，可分布于較大地域，能進行大型生產(chǎn)過程的實時控制，模擬量數(shù)據(jù)處理功能和運算功能強，能勝任大型和控制狀況復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)，而且還可以實現(xiàn)在線優(yōu)化、實時調(diào)度、統(tǒng)計管理等功能。已廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金等大型工業(yè)領(lǐng)域。

    但是，在運用DCS的時候，首先需要對整個項目過程要進行層次劃分與邏輯建模，常用的建模方式有面向算法（即功能）的建模、面向?qū)ο蟮慕！?BR>
    (1) 面向算法的建模方式

    傳統(tǒng)的發(fā)電機組的DCS系統(tǒng)設(shè)計是按照其應(yīng)用功能來分類的，一般把其分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、燃燒管理系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機電液控制系統(tǒng)(DEH)、旁路控制系統(tǒng)(BPS)，這就是所謂的面向算法的控制系統(tǒng)建模方案，它有利于降低技術(shù)準入門檻，這種一對一替換的方法也利于推廣DCS在企業(yè)中的應(yīng)用。同樣將功能相似的控制分別歸于MCS、SCS、FSSS等系統(tǒng)中，可以大大減少各系統(tǒng)熱控人員所需要掌握的控制理論，如SCS只需要熟悉邏輯控制理論，而MCS則主要依靠自動控制理論。這種劃分方式在很長一段時間內(nèi)促進了DCS的發(fā)展。

    但是，面向算法的建模方式正面臨著很大的挑戰(zhàn)，主要是安全方面以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換量巨大的問題。一是由于被控設(shè)備的集中，影響系統(tǒng)的可靠性，MCS系統(tǒng)基本上集中了整臺機組的可調(diào)整執(zhí)行機構(gòu)的控制，雖然DCS硬件、軟件的可靠性很高，但系統(tǒng)供電、網(wǎng)絡(luò)的可靠性并沒有相應(yīng)提高、人為誤碰、接地、短路等故障的發(fā)生并沒有大幅度減少，因此，一個模件機柜內(nèi)的故障，哪怕是一塊模擬量輸出板故障都可能造成一大片就地設(shè)備的不可控。二是網(wǎng)絡(luò)安全方面，在火電廠熱力系統(tǒng)中，存在三塊相對獨立的子系統(tǒng)：風煙系統(tǒng)（從送風機到引風機）、燃燒系統(tǒng)（從一次風機到燃燒器）、汽水系統(tǒng)（從凝汽器到汽包再到凝汽器）。這些系統(tǒng)中，一些聯(lián)系緊密的設(shè)備被人為地劃到不同的控制系統(tǒng)中，造成各個單元處理器之間通過網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)量很大。

    (2) 面向?qū)ο蟮慕７绞?BR>
    指在劃分DCS的子系統(tǒng)時，將各種算法相似的控制對象劃分到一起。這種劃分可以大大的減少系統(tǒng)復(fù)雜程度。

    首先，這種建模方式可以根據(jù)不同的對象去設(shè)計控制水平。在火力發(fā)電廠除機、爐、電等主系統(tǒng)以外，還存在一些外圍輔助系統(tǒng)，如循環(huán)水、化學水處理、除渣除灰、輸煤配煤等，這些系統(tǒng)目前仍廣泛采用PLC和組裝儀表，控制水平一般。如果采用DCS系統(tǒng)，則不需要將其歸入SCS或MCS等系統(tǒng)，可以針對每個系統(tǒng)，如水、灰、煤等來劃分控制方案，這樣可以提高全廠控制水平，還可利用一套DCS數(shù)據(jù)共享的優(yōu)點，為在集控室遠程監(jiān)控輔助設(shè)備創(chuàng)造條件。

    其次，面向?qū)ο蟮慕７绞竭€可以使DCS小型化，為DCS系統(tǒng)應(yīng)用于小火電機組或風力發(fā)電機組創(chuàng)造條件。例如在采取母管制的熱電廠，可以把一臺鍋爐、一臺汽機當成一個對象來設(shè)計DCS系統(tǒng)，這樣消除了按算法劃分系統(tǒng)各對象相互干擾而難以處理的情況。

    最重要的是，面向?qū)ο蟮慕７绞綖楝F(xiàn)代控制理論在生產(chǎn)控制中的推廣創(chuàng)造了條件，目前發(fā)電項目中在控制上基本仍舊采用經(jīng)典控制理論方法和PID控制算法，其實在發(fā)電生產(chǎn)中也存在強耦合、非線性、大滯后、復(fù)雜的外界擾動或信號難以測量等問題，迫切需要新的控制理論。目前按算法劃分的DCS系統(tǒng)控制方案阻止了新技術(shù)的應(yīng)用。如果在DCS系統(tǒng)中采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對于每一個子系統(tǒng)，DCS廠商只規(guī)定一些外部接口，將控制邏輯的設(shè)計任務(wù)交由主設(shè)備生產(chǎn)商負責，畢竟，生產(chǎn)商對于自己的設(shè)備有更多的經(jīng)驗和信息，控制邏輯將更加完善和可靠，一些新的控制理論也得到推廣和利用。

2  余熱發(fā)電系統(tǒng)概述

    萍鋼白源區(qū)高爐產(chǎn)生的高爐煤氣除供煉鐵熱風爐和噴煤自用以及棒、線材軋鋼車間加熱爐使用外，尚有大量高爐煤氣剩余，轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣除部分由煉鋼系統(tǒng)自用外，大量富裕煤氣均放散。煤氣的大量放散既浪費了能源又污染環(huán)境。此次由京誠公司負責設(shè)計、北京京誠科林環(huán)保科技有限公司總承包的萍鄉(xiāng)鋼鐵有限責任公司燃氣發(fā)電與低壓蒸氣發(fā)電工程就是為了利用這些富余高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣來產(chǎn)生蒸汽發(fā)電、降低生產(chǎn)成本，同時為萍鋼的電力供應(yīng)提到更大的保障。

    本工程建設(shè)規(guī)模為1×75t/h全燒高爐煤氣中溫中壓蒸汽鍋爐、1×15MW純凝式汽輪發(fā)電機組和1×5MW低壓飽和蒸汽發(fā)電機組。

    根據(jù)機組運行和管理的特點，主廠房采用集中控制方式，對15MW汽輪機、5MW汽輪機、鍋爐、除氧給水系統(tǒng)進行監(jiān)控,采用DCS系統(tǒng)。并配備必要的后備盤（鍋爐后備盤；汽機保護盤），安裝在集中控制室內(nèi)。

    控制模式有如下幾種形式：

    ●       DCS控制系統(tǒng)：實現(xiàn)過程檢測及控制；

    ●       操作站：過程參數(shù)顯示及遠程手動控制；

    ●       后備盤：重要參數(shù)報警和緊急操作；

    ●       現(xiàn)場儀表：就地顯示過程參數(shù)。

    要求DCS控制系統(tǒng)具有合理的性價比，高可靠性、穩(wěn)定性及可操作性，并便于設(shè)計、維護和擴展； 操作監(jiān)視集中化，采用HMI 操作站，使人機界面統(tǒng)一化、共享化。

    要求系統(tǒng)達到以下控制水平：

    （1）在機組值班人員的配合下，實現(xiàn)機組的正常啟、停。

    （2）實現(xiàn)機組正常運行工況的監(jiān)視和自動調(diào)節(jié)控制，確保機組正常運行。

    （3）當機組發(fā)生異常或事故時，通過保護、聯(lián)鎖或人工干予系統(tǒng)進行事故緊急處理和事件追憶，以確保設(shè)備和人身安全。

    （4）完成歷史數(shù)據(jù)記錄、打印報表、歷史趨勢儲存等。

    由于鍋爐及汽機發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性及高精度的要求，故需要在DCS的設(shè)計時，對系統(tǒng)進行有效的層次劃分，以增強可靠性及可操作性。

3  混合建模的DCS設(shè)計

    為了綜合面向?qū)ο蟮慕：兔嫦蛩惴ǖ慕煞N方式的優(yōu)點，克服各自的缺點，筆者在本項目中使用兩種方式來對系統(tǒng)進行建模。

    (1) 上層的面向?qū)ο蠼?BR>
    根據(jù)系統(tǒng)的特點，筆者將受控系統(tǒng)劃分為以下幾個對象：

    鍋爐系統(tǒng)：鍋爐本體熱風、蒸汽等溫度、壓力、流量的檢測及監(jiān)視；鼓引風機等高壓設(shè)備的操控；電動閥門等低壓電氣設(shè)備的操控；鍋爐給水自動調(diào)節(jié)、燃燒自動調(diào)節(jié)、爐膛負壓自動調(diào)節(jié)、過熱蒸汽溫度控制等；鍋爐MFT連鎖保護；自動點火及吹掃等。

    除氧給水系統(tǒng)：除氧器、疏水系統(tǒng)及工業(yè)水系統(tǒng)等的溫度、壓力、流量檢測及監(jiān)視；給水泵、疏水泵等電氣設(shè)備的操控；除氧器設(shè)有液位、壓力自動調(diào)節(jié)等。

    汽輪機系統(tǒng)；汽機本體、潤滑油系統(tǒng)等的溫度、壓力等測點的檢測及監(jiān)視；凝結(jié)水泵、高壓油泵等電氣設(shè)備的操控；熱井水位自動調(diào)節(jié)；汽機ETS緊急跳閘保護等；

    (2) 細分的面向算法建模

    對于每個已經(jīng)劃分好的獨立對象，依次再按功能對其細分，劃分如下：

    鍋爐系統(tǒng)：包括燃燒系統(tǒng)、風煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、MFT保護系統(tǒng)、自動吹掃系統(tǒng)五大部分；

    除氧給水系統(tǒng)：包括除氧器及給水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)三部分；

    汽輪機系統(tǒng)：汽機TSI監(jiān)測系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、ETS緊急跳閘保護系統(tǒng)四部分。

4  系統(tǒng)實現(xiàn)

    本工程采用了HOLLiAS-MACS V系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由以太網(wǎng)和使用現(xiàn)場總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)連接的各工程師站、操作員站、現(xiàn)場控制站、通訊控制站、數(shù)據(jù)服務(wù)器組成的綜合自動化系統(tǒng)，完成大型、中型分布式控制系統(tǒng)（DCS）、大型數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）功能。

    該系統(tǒng)硬件由工程師站、操作站、現(xiàn)場控制站（包括主控單元設(shè)備和I/O單元設(shè)備）、通訊控制站、系統(tǒng)服務(wù)器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)等組成。

    系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

    監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)MNET、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET均采用了冗余高速工業(yè)以太網(wǎng)，分別采用了TCP/IP、HSIP通訊協(xié)議，使用五類屏蔽雙絞線或光纖將各個通訊節(jié)點連接到中心交換機上，完成上位機、服務(wù)器及下位機之間的通訊。

    系統(tǒng)I/O 站總線采用了先進的現(xiàn)場總線技術(shù)ProfiBus-DP 總線，I/O 站的主控單元，如FM801 為ProfiBus-DP 主站， I/O 輸入/輸出模塊，如FM系列模塊為ProfiBus-DP 從站。主/從站及他們之間的連接件構(gòu)成了完整的ProfiBus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)配置（包括主/從站數(shù)量傳輸數(shù)率傳輸距離等）的優(yōu)化，在保證系統(tǒng)的正確、快速工作的前提下，可大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    控制網(wǎng)絡(luò)CNET采用Profibus-DP現(xiàn)場總線連接具有很好的兼容性和擴展性。鍋爐系統(tǒng)的鼓引風機采用了西門子S70系列的變頻控制，作為一個DP從站掛接在主控卡上，從而實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)對風機進行平滑的變頻調(diào)節(jié)。

    萍鄉(xiāng)余熱發(fā)電項目共包括了1臺工程師站、3臺操作員站、2臺服務(wù)器及3臺現(xiàn)場控制站，系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)硬件配置

    (1) 鍋爐系統(tǒng)DCS控制實現(xiàn)

    鍋爐系統(tǒng)在10號現(xiàn)場控制站中實現(xiàn)。

    燃燒系統(tǒng)：通過控制空燃比使燃燒達到穩(wěn)定蒸汽母管壓力的目的，以滿足汽輪機及外供汽對蒸汽的要求；進行爐膛監(jiān)視及滅火保護；送風量及爐膛負壓的控制。

    汽水系統(tǒng)：該系統(tǒng)要完成鍋爐系統(tǒng)兩個最重要的控制，一是鍋爐給水自動控制，一是過熱蒸汽溫度自動控制，均為復(fù)雜控制，采用了PID串級控制；鍋爐上水系統(tǒng)電動門的操控；鍋爐外送蒸汽的控制。

    風煙系統(tǒng)：主要完成爐膛的壓力及溫度參數(shù)的監(jiān)控。

    MFT連鎖保護系統(tǒng)：是鍋爐系統(tǒng)的安全連鎖保護系統(tǒng)，主要包括手動緊急停爐保護、汽包液位高高及低低停爐保護、汽包壓力高高停爐保護、送風機全停停爐保護、引風機全停停爐保護、爐膛熄火停爐保護、爐膛負壓高高及低低停爐保護、煤氣壓力低低停爐保護等。一般現(xiàn)場工況不能滿足上述停爐保護的要求，或是設(shè)備的原因或是介質(zhì)的原因，故對各項保護連鎖設(shè)置了投切按鈕，并對最先引起停爐的原因做了首出判斷。

    吹掃系統(tǒng)：一般設(shè)置手動和自動吹掃兩種方式，手動吹掃即操作工根據(jù)自己的經(jīng)驗手動打開風門完成爐膛的吹掃工作，自動吹掃則由系統(tǒng)通過計時自動完成吹掃。

    (2) 除氧給水系統(tǒng)DCS控制實現(xiàn)

    此次除氧給水系統(tǒng)也在10號現(xiàn)場控制站中完成。

    控制主要有給水泵互備及與出口電動門的電氣連鎖和與除氧水箱液位、給水出口壓力之間的連鎖；疏水泵的互備及與疏水箱液位的連鎖；除氧器液位的自動控制；除氧器壓力的自動控制；工業(yè)水系統(tǒng)的監(jiān)視。

    (3) 汽輪機系統(tǒng)DCS控制實現(xiàn)

    汽機DCS系統(tǒng)主要完成汽機本體參數(shù)的監(jiān)控、保護停機及油路、水路系統(tǒng)的操控，而汽機調(diào)門的控制即轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)則由505數(shù)字電液控制器來完成。

    汽機總控：汽輪機系統(tǒng)的全面監(jiān)控，及水路系統(tǒng)的操控，包括凝結(jié)水泵的互備，射水泵的互備，熱井水位的自動控制等。

    汽機TSI監(jiān)測系統(tǒng)：主要包括汽機本體壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動、脹差、軸位移等重要參數(shù)的監(jiān)控。

    汽機油路系統(tǒng)：油路系統(tǒng)壓力、溫度測點的監(jiān)控；高壓交流油泵、交流潤滑油泵、直流潤滑油泵與潤滑油壓的連鎖。

    汽機ETS緊急跳閘保護系統(tǒng)：是汽機系統(tǒng)的安全連鎖保護系統(tǒng)，主要包括手動緊急停機保護、505緊急停機保護、汽機轉(zhuǎn)速高停機保護、冷凝器真空低停機保護、潤滑油壓低停機保護、軸向位移大停機保護、汽機軸承震動大停機保護、脹差超限停機保護、汽機保安油壓低停機保護、軸承抽力瓦溫度高停機保護、軸承回油溫度高停機保護、發(fā)電機跳閘停機保護等。各項保護連鎖均設(shè)置了投切按鈕，并對最先引起停爐的原因做了首出判斷。

5  結(jié)論

    本文詳細論述了安源鋼廠余熱處理的混合建模設(shè)計及其實現(xiàn)，這種建模方式層次清晰、復(fù)雜度低，使整個系統(tǒng)的實現(xiàn)易于實現(xiàn)，并且可靠性得到很大的提高，另外還有易于擴充的優(yōu)點，有效的提高了工作效率、節(jié)省企業(yè)成本，也使得混合建模在未來的DCS設(shè)計中有越來越廣泛的應(yīng)用，尤其在這種方式中，先進的現(xiàn)代控制理論技術(shù)可以得到有效的應(yīng)用，這也是我們將來研究的重點。

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作者信息：

    陸  澄  （江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）  

    米玉成，李  娜  (北京中冶京誠工程技術(shù)有限公司自控工程技術(shù)所,北京 100088)