DCS與DEH一體化控制系統(tǒng)在玻璃工廠余熱發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

汪光俠

（中國建材國際工程集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518054）

0 引言

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫，它是一個由過程控制級和過程監(jiān)控級組成的以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的多級計算機(jī)系統(tǒng)，DCS綜合了計算機(jī)，通信、顯示和控制等技術(shù)，具有分散控制、集中操作、分級管理、配置靈活以及組態(tài)方便的特點。

DEH就是汽輪機(jī)數(shù)字式電液控制系統(tǒng)，由計算機(jī)控制部分和EH液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。DEH是汽輪機(jī)配套的專用調(diào)節(jié)系統(tǒng)，采用DEH控制可以提高調(diào)節(jié)汽門的控制精度，為實現(xiàn)協(xié)調(diào)控制（CCS）及提高機(jī)組的控制水平提供了基本保障。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和用戶對自動化控制要求的不斷提高，中小汽輪機(jī)也陸續(xù)開始應(yīng)用DEH。對于玻璃工廠余熱發(fā)電機(jī)，由于煙氣溫度和流量不穩(wěn)定，余熱鍋爐產(chǎn)生的主蒸汽流量和壓力也經(jīng)常波動，有些汽輪機(jī)還需要抽汽供熱，余熱發(fā)電機(jī)就不能按照常規(guī)電廠的“定壓運(yùn)行”，而應(yīng)當(dāng)由DEH控制汽輪機(jī)的調(diào)速汽門接近全開，使汽輪機(jī)處于“滑壓運(yùn)行”狀態(tài)，余熱鍋爐產(chǎn)生多少蒸汽，汽輪發(fā)電機(jī)就發(fā)多少電，這樣可提高余熱發(fā)電機(jī)的效益。

DCS一體化控制系統(tǒng)就是由同一套DCS系統(tǒng)完成鍋爐、汽機(jī)、電氣和輔助公用系統(tǒng)的全部控制功能，通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，顯示終端共用，以達(dá)到簡化系統(tǒng)，保證各個系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

1 DCS系統(tǒng)的組成及功能

DCS主要由操作站、過程控制站和通信網(wǎng)絡(luò)組成。操作站是DCS的人機(jī)接口，完成系統(tǒng)的操作和組態(tài)，用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制操作、生產(chǎn)過程狀態(tài)顯示、報警狀態(tài)即時顯示、實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)顯示和打印等。過程控制站是系統(tǒng)控制功能的主要實施部分，主要由DPU、電源模塊、I/O單元組成，為了系統(tǒng)的安全性，DPU、電源等模塊均冗余配置。通信網(wǎng)絡(luò)是由通信模塊、交換機(jī)和通信電（光）纜組成，負(fù)責(zé)各種功能站之間的數(shù)據(jù)交換，隨著計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)功能逐步開放，DCS可以兼容更多的通信信號，實現(xiàn)更多的功能。

目前,國內(nèi)玻璃工廠在一個廠區(qū)內(nèi)一般都建有兩條或以上的玻璃生產(chǎn)線，在每條玻璃生產(chǎn)線的窯頭安裝一臺余熱鍋爐,每臺余熱鍋爐均設(shè)一個DCS過程控制站對鍋爐的熱工、電氣設(shè)備進(jìn)行檢測和控制。余熱鍋爐和發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備的過程控制站通過通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)成一體，在中央控制室通過操作員站進(jìn)行集中監(jiān)視和操作。某項目有四條玻璃生產(chǎn)線,余熱電站采用四爐一機(jī)配置,在余熱電站主廠房的中央控制室設(shè)有五臺全功能操作員站，其中一臺操作員站兼做工程師站，通過操作員站完成對4臺余熱鍋爐和汽輪發(fā)電機(jī)的監(jiān)視和控制。操作員站之間可以相互切換，每臺LCD顯示器即可監(jiān)控鍋爐參數(shù)，又可監(jiān)控汽輪發(fā)電機(jī)參數(shù)。

DCS系統(tǒng)基本功能包括：余熱電站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、主要模擬量的控制系統(tǒng)（MCS）和主輔機(jī)的聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)（SCS）。以LCD和鍵盤操作做為監(jiān)視和控制中心的主要操縱設(shè)備，并配置少量必要的常規(guī)儀表和控制設(shè)備。集控方式下可以通過操縱員站的鍵盤和鼠標(biāo)，對主、輔機(jī)設(shè)備進(jìn)行啟停，對各調(diào)節(jié)回路進(jìn)行手動和自動控制。在手動方式下，通過備用操縱盤啟停設(shè)備和用手操器對調(diào)節(jié)回路進(jìn)行控制。系統(tǒng)主要運(yùn)行在集控方式，只有控制系統(tǒng)故障時才在單機(jī)方式下運(yùn)行。

2 DEH系統(tǒng)的組成及功能

DEH主要由操作員站、I/O控制站、液壓控制系統(tǒng)和危急跳閘系統(tǒng)（ETS）等組成，它將汽輪機(jī)的調(diào)節(jié)、保護(hù)和油系統(tǒng)聯(lián)結(jié)成一個整體，完成對汽輪機(jī)的啟動、監(jiān)視、保護(hù)和運(yùn)行。早期的DCS系統(tǒng)由于運(yùn)算周期無法滿足ETS的要求，ETS單獨使用PLC來實現(xiàn)主機(jī)保護(hù)，隨著DCS系統(tǒng)的性能提高，用DCS硬件設(shè)備來實現(xiàn)ETS功能，ETS的任務(wù)也由DCS來完成，ETS和DCS實現(xiàn)了一體化，所有進(jìn)入和輸出ETS的信號都能在LCD顯示和報警，并實現(xiàn)SOE記錄。

DEH的主要功能是按操作員或自動啟動裝置給出的指令來控制主汽閥、調(diào)節(jié)閥的開度，使機(jī)組按一定要求升、降速或升降負(fù)荷實現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行中的各種要求，DEH裝置按受轉(zhuǎn)速、功率及第一級壓力的實際信號，對機(jī)組的轉(zhuǎn)速、功率、蒸汽流量，實行閉環(huán)調(diào)節(jié)，此外DEH還有閥門管理、參數(shù)監(jiān)視顯示、超速保護(hù)，自啟?？刂频榷喾N功能。

DEH有多種控制方式。在閥控方式下，操作員通過設(shè)置目標(biāo)閥位或按閥位增減按鈕控制油動機(jī)的開度。在閥位不變時，發(fā)電機(jī)功率將隨蒸汽參數(shù)變化而變化。在功控方式下，操作員通過設(shè)置負(fù)荷率、目標(biāo)功率來改變功率給定值，經(jīng)過控制回路運(yùn)算后控制油動機(jī)的開度。在給定功率不變時，油動機(jī)開度自動隨蒸汽參數(shù)變化而變化，以保持發(fā)電機(jī)功率不變。在壓控方式下，操作員通過設(shè)置壓變率、目標(biāo)壓力來改變壓力給定值，經(jīng)過控制回路運(yùn)算后控制油動機(jī)的開度。在給定壓力不變時，油動機(jī)開度自動隨蒸汽參數(shù)變化而變化，以保持主汽壓力不變。為了確保機(jī)組的安全，還設(shè)置了多種限制保護(hù)、系統(tǒng)試驗等功能。

在汽輪發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)前，DEH系統(tǒng)為轉(zhuǎn)速閉環(huán)無差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自動升速控制。在機(jī)組同期并網(wǎng)時，使發(fā)電機(jī)帶上初負(fù)荷，并由轉(zhuǎn)速PI控制方式轉(zhuǎn)為閥位控制方式。并網(wǎng)后DEH的控制方式可在閥位控制、功率控制、主汽壓力控制方式之間無擾切換。

3 DCS與DEH的一體化控制系統(tǒng)

DCS與DEH的一體化控制系統(tǒng)就是將DEH和ETS的控制部分采用與DCS一致的硬件和軟件，作為DCS的一個站直接掛在DCS主干網(wǎng)上，實現(xiàn)與DCS的無縫連接。實現(xiàn)機(jī)組控制一體化要求，使機(jī)組的整體監(jiān)控自動化得到提高。由DCS統(tǒng)一協(xié)調(diào)余熱鍋爐與汽輪機(jī)運(yùn)行，在個別鍋爐因煙氣不穩(wěn)的情況下，最大限度地讓汽輪發(fā)電機(jī)以適當(dāng)?shù)目刂品绞竭\(yùn)行。在汽輪機(jī)“滑壓運(yùn)行”時，DCS要密切監(jiān)視汽輪機(jī)前的蒸汽壓力和溫度不能低于汽輪機(jī)廠規(guī)定的最低值，當(dāng)進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽負(fù)荷低于一定值時，DCS立即命令汽輪機(jī)轉(zhuǎn)為 “定壓運(yùn)行”，由此可見，只有采用同一套DCS控制整個余熱發(fā)電機(jī)組，才能迅速響應(yīng)玻璃廠煙氣溫度和流量的變化，保證汽輪機(jī)的運(yùn)行安全并獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

DCS與DEH的一體化控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1示。

DCS與DEH的一體化控制系統(tǒng)具有下列優(yōu)勢：

圖1 DCS一體化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

（1）功能的相對獨立性。DCS中各過程控制站獨立完成自己固定的功能和任務(wù)，DEH作為DCS的一部分，獨立完成DEH、ETS功能，過程控制站控制功能的分散有利于降低風(fēng)險和工作可靠性，這也是DEH成為DCS一部分的前提條件。

（2）通信簡單 。目前國內(nèi)有多個DCS生產(chǎn)商可以提供DEH，DEH與DCS采用同一家產(chǎn)品，不存在兩個系統(tǒng)間通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換和現(xiàn)場調(diào)試，解決以前經(jīng)常出現(xiàn)的DCS與DEH通信困難或在DCS上操作DEH速度慢等問題。

（3）硬件配置簡單。DCS與DEH的一體化設(shè)計可以使控制系統(tǒng)軟硬件統(tǒng)一,避免DCS與多種硬件設(shè)備接口的麻煩，減少備品備件種類，方便用戶采購和管理備品備件。同時由于信息共享，有些測量點不必引到幾個系統(tǒng)，避免了一個測量點在不同設(shè)備上顯示不一致的情況。

（4）應(yīng)用軟件采用一家產(chǎn)品，有利于用戶更好地熟悉、掌握設(shè)備性能，維護(hù)人員不需要掌握幾套應(yīng)用軟件，可有效減少維護(hù)人員的工作量。

（5）DCS與DEH采取一體化設(shè)計，DEH可以很方便地對汽輪機(jī)調(diào)速汽門的開度進(jìn)行各種形式的控制和對汽輪機(jī)的機(jī)前壓力的變化范圍和變化速率加以限制，防超速保護(hù)（OPC）容易實現(xiàn)，從而可保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。此外，汽輪機(jī)的“滑壓運(yùn)行”和“定壓運(yùn)行”也很容易切換，這些都是多回路控制器505E難以做到的。

（6）當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)孤網(wǎng)運(yùn)行時，一體化設(shè)計方案不再需要兩個系統(tǒng)之間的負(fù)荷/轉(zhuǎn)速控制接口，有利于提高負(fù)荷響應(yīng)速度，實現(xiàn)良好的孤網(wǎng)運(yùn)行效果。

4 結(jié)束語

余熱發(fā)電機(jī)組包含鍋爐、汽機(jī)和電氣三大系統(tǒng)，DCS和DEH采用一體化方案已成為共識。將電氣控制系統(tǒng)（ECS）直接納入DCS可實現(xiàn)ECS的完整監(jiān)控，然而目前國內(nèi)DCS廠商還沒有滿足電氣控制系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)模塊，電氣開關(guān)量和電測量只能通過硬接線接入DCS系統(tǒng)，通過電氣控制系統(tǒng)的監(jiān)控站與DCS通信也存在不同廠家的產(chǎn)品通信問題，因此ECS與DCS一體化也是今后發(fā)展的方向。

隨著計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)和控制技術(shù)的不斷發(fā)展，為滿足余熱發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定性以及減少對并網(wǎng)線路的影響，余熱發(fā)電機(jī)必須具備更高的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力，采用廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）、一體化的DCS及輔助車間控制系統(tǒng)組成信息共享，功能強(qiáng)大的自動化控制網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益和安全性，使機(jī)組的運(yùn)行管理水平上一個新的臺階。