分散控制系统备用空间的开发和工程应用

一、控制系统简介
嘉兴发电有限责任公司(下称公司)一期工程安装2台300MW国产引进型燃煤发电机组，1号、2号机组分别于1995年7月和12月投入试生产。分散控制系统(DCS)采用德国西门子TELEPERMME，汽轮机控制系统DEH采用上海新华控制公司DEH-Ⅲ型产品，主要监控手段采用CRT和鼠标。机炉电集中控制，2台机组共用1个控制室，重要辅机和一些自动系统配有后备控制盘。炉侧主要辅机配有就地控制装置，如风机的油站配有硬联锁就地控制装置，同时对风机线圈温度采用巡测仪检测;磨煤机油站配有就地PLC控制装置等。机侧给水泵一些温度保护采用硬保护，给水泵汽轮机控制装置为日本的WORD505，循环水泵采用就地PLC控制。机侧大量的自动系统采用基地式调节仪控制。
机组移交试生产后，2台机组因热控原因引起的MFT频繁，其中因就地装置引起的MFT问题尤为突出。同时，一些采用基地式调节仪控制的参数控制品质不理想，且基地式调节仪由仪用空气作为动力，故障率也较高，相对DCS而言，其寿命也不长。公司在1996年、1997年检查性大修中取消了1、2号机组送、引风机和一次风机油站就地继电器控制装置，把它引入到DCS，由DCS直接控制，使系统简化，维护量减少，自动化程度提高，同时杜绝了因继电器控制装置故障而引起的风机跳闸。在风机油站就地继电器控制装置改造成功的基础上，又于1999年对1号炉磨煤机油站就地PLC控制装置进行了改造，把它也引入到DCS，并由DCS直接控制，杜绝了因就地PLC控制装置故障而引起的磨煤机跳闸。
在经过上述两项改造后，对DCS备用空间的开发和利用做了进一步研究。
二、DCS的可扩展性及其利用
DCS在设计时就充分考虑了它的可扩展性，其在DCS规范书中有明确的要求:
DCS制造厂应提供下列已配置但未使用的供系统以后扩展所需的余量，其中包括:(1)每个柜内有20%各种类型的I/O余量;(2)每个柜内有20%的模件插槽余量以及今后插入模件就能工作所需的所有硬件;(3)有50%处理器处理能力余量;(4)有50%处理器数据存储余量;(5)有50%电源余量。上述这些余量要求是系统投入运行后的最终容量的百分比值。为了充分利用DCS控制系统备用空间和能力，进行了相关的分析和研究。
首先对1号机组DCS各控制机柜实际备用情况进行统计，并对各子系统负荷率进行了测试，得到技改前DCS备用空间和负荷率的数据(表1)。

而后，通过技改，将一些就地控制装置和信号引入到DCS，具体分为3类:
(1)取消就地控制装置类 至今取消就地控制装置类有6个风机稀油站就地控制装置和磨煤机油站就地PLC控制装置。
(2)取消就地自动装置类 取消的部分基地式自动调节仪有:1)定排温度控制YKl323;2)氢侧密封油温控制YK3735;3)空侧密封油温控制YK3745;4)主机油温控制YK3610;5)励磁机空温控制YK3900。
(3)取消硬保护信号或就地显示仪表信号类 1) 6个风机轴承温度保护;2)高排温度高跳机保护;3)风机喘振;4)给水泵轴承温度。
通过几年的技改，在1号机组DCS系统中增加的总卡件数为16块，其中模拟量卡4块，温度卡5块，开环控制卡4块，闭环控制卡3块。新增模拟量信号68个，温度信号104个，开关量信号57个，开环回路34个，闭环回路6个。
技改后对DCS的备用空间和负荷率也进行了统计和测试，结果见表1。
从表1可见，技改后子系统EAS负荷率在测点数增加的情况下不升反而下降了。这是因为1号机组原 DCS的负荷分配极不合理，导致AWEllO、AWEll1和AWEl13系统的EAS负荷率一直偏高，均接近或达到制造商SIEMENS公司规定的安全下限，即EAS的负荷率为50%。为此，在停机检修中将降低EAS的负荷率和提高DCS的可靠性作为一项重要任务，对系统中所有影响EAS及总线负荷率的因素进行了检查和分析，发现原来设计中有些信号传送方式及周期设置极不合理，即重要的信号发送周期过长，而大量的不参与控制与保护的信号发送周期反而短，以致EAS的负荷率居高不下，为此，对所有开关量及模拟量信号的发送方式及周期进行了修改，将一些重要的模拟量信号的发送方式由周期传送方式改为中断方式，以提高实时性，对一些非重要的信号(如锅炉壁温等信号)则适当延长发送周期。采用以上各项措施后，EAS的负荷率有了明显的下降，基本上每个子系统的EAS负荷率都下降了5%，提高了DCS运行的安全性和可靠性。
三、技改中若干问题的解决
3.l DCS的合理利用
通过对1号机组DCS系统备用空间和能力的研究，发现DCS并没有严格按规范书的要求设计。由于DCS控制子系统是按电厂生产过程的系统来划分的，而各系统控制对象和参数量差别较大，因此各子系统备用空间和能力有差异。通过实践，对合理利用DCS总结出如下几点:
(1)应尽量使各子系统负荷均匀，即对负荷率高的系统少利用一些，对负荷率低的系统多利用一些。 AWEll0、AWEl13系统的负荷相对比其它系统要重，因而新增加的控制回路一般放在负荷较轻的其它子系统。
(2)应遵循各子系统原设计的总体布局，即机侧设备尽量引入原机侧的控制子系统，炉侧设备尽量引入原炉侧的控制子系统。
(3)对一个控制对象或参数，应根据其重要性考虑是否采用冗余设计，以防因单卡故障对对象或参数失控。
(4)对一些重要的三取二或二取一信号，不能进同一卡件，要求分卡接入。
(5)同一设备的控制对象和参数应尽量放在同一子系统中，即控制回路所需要的控制卡和模拟量/开关量信号采集卡应尽量放在同一系统，以减少信号传递，减低EAS和总线负荷。
3.2 取消就地控制装置后DCS与控制系统的接口问题
对就地控制装置进行技改，在现场把其取消很容易，但要把它引入到DCS，并由DCS对其进行控制，则
必须解决控制对象或参数与DCS的接口问题，技改中具体做法如下:
(1)对控制对象(如电机、执行机构、电磁阀等)和信号(开关量、模拟量等)进行统计和分类。
(2)明确各控制卡件的功能，并按照控制对象和信号的数量对卡件进行合理布局，对需冗余的两卡之间应按典型设计做好跳线工作。同时对新增的卡件要根据需要参照卡件手册进行跳线设置，以满足DCS与就地执行机构之间信号匹配和控制的冗余需求。
(3)对不同的控制对象和信号，其引入接线的数量和端口不同，可参照DCS各卡件的典型接线图进行联接，同时需划出详细的界线图。
(4)各控制对象的电源等级要与相应的接触器对应。
(5)要注意各信号有源与无源问题以及信号极性与接地间题。
(6)控制对象或信号与DCS连接好后对回路需认真检查，对强电信号要有隔离措施，严防卡件烧毁。
3.3 控制逻辑的开发
在DCS中引入新的控制回路或信号后应根据生产实际情况对其控制逻辑进行开发，技改中对控制逻辑的开发可归纳如下:
(1)保留原合理的部分。
(2)对控制对象，要充分考虑启动停运的条件，对跳闸条件必须设置合理，对各条件的设置应经机务和有关运行技术人员确认。
(3)对模拟量如变送器，要根据有源或无源在逻辑中设置电源信号，同时要填好对应的量程范围。
(4)对闭环控制，可充分发挥DCS中PID可随意组合的优势进行组合。
(5)根据需要实现的各功能逻辑，要以简单、清晰的逻辑来完成复杂的需求功能，尽量降低卡件的负荷。
四、结 论
(1)由于DCS设计时考虑了系统的扩展性，其备用空间和负荷率可满足扩容的要求。
(2)利用DCS备用空间和能力时，应尽量遵循各系统均匀性的原则，同一装置的控制对象和参数应尽量集中在同一控制子系统中，最大程度地减少负荷率。
(3)取消一些就地控制装置并将它们纳入DCS后，使机组自动化程度大大提高，杜绝了因就地控制装置引起的辅机跳闸及其引起的MFT，减少了维修和检修工作量，同时减少了就地控制装置备件的储备量，效益明显。
(4)通过对控制逻辑的优化，特别是对信息量的优化，剔除或调整一些常报警或常乱报警的信息，能使系统负荷有所下降。