DCS系统在热电厂输煤系统中的应用

发布时间：2012-07-03 www.cechina.cn

　   1 引言
　　随着电力改革进入关键阶段，减员增效、提高电厂信息集成化和自动化水平已经成为各发电企业的共识。而各发电企业在不断提高主控系统的自动化水平的同时，也要大力着手提高辅助公用系统的自动化水平，从而提高电厂整体水平，使主控系统和辅助系统都处在最佳的运行环境中，因此提高辅助系统的工业自动化水平（特别是那些比较老的、自动化程度不高的电厂）已经成为当务之急。
　　华祥热电有限公司输煤控制系统处于起步阶段，除了输煤皮带采用plc实现顺序控制，上煤、配煤、碎煤、除尘等工序由于设备更新不到位，设备的陈旧引起煤的跑、冒、滴、漏，影响自动化水平的提高。这次改造使用了和利时公司的dcs系统，使输煤系统的控制功能更加完善，实现了计算机控制，极大的提高了神头第一发电厂的自动化水平。整个系统如附图所示。
　　2 硬件系统介绍
　　本系统采用北京和利时系统工程股份有限公司的macs 分布式dcs（distributed control system）控制系统平台，完成华祥热电有限公司输煤系统改造技术要求所规定的模拟量控制（mcs）、顺序控制（scs）、数据采集（das）等功能，并负责与其他供应商所供仪表和控制系统之间接口的设计及供货工作，如图1所示。

　　macs是基于客户/服务器（client/server）体系结构的大型分布式控制系统，从逻辑结构上分为现场采集控制级，中央处理级和操作级。
　　针对神头发电厂输煤系统的工艺概况描述进行分散控制系统的配置，根据系统的要求，macs硬件配置如下：1个配电柜；1个工程师站；2台操作员站；2个服务器；1个i/o控制站；2个扩展柜。
　　配电柜用来给macs系统的各个设备进行电源分配和供电。主控制室2台操作员站实现系统的状态监视、控制操作、数据采集等功能，通过设置密码限制不同级别人员操作。操作员可通过键盘和鼠标实现操作功能。服务器用来对整个系统的数据进行管理、存贮和任务调度和历史数据存贮。工程师站平时运行时可作为系统管理操作站，进行全程监控。同时用于系统组态、程序开发、数据库及画面的编辑和修改等工作。采集控制柜包括机柜、电源、主控单元和过程i/o单元等主要配套设备，电源、主控单元均采用冗余配置方式。主控单元和过程i/o单元之间通过现场总线控制网络cnet连接起来，构成一个逻辑上完整的数据采集控制站。主控单元主要完成以采集控制站为中心的相对集中的数据处理和控制运算工作；过程i/o单元为智能化结构，主要完成与现场信号的连接以及与本模块相关的i/o处理工作。
　　2.1 现场总线
　　macs系统现场控制站内采用国际上最流行的现场总线profibus-dp来连接主控单元和i/o单元。profibus-dp是专门为自动控制系统与在设备级分散i/o之间进行通讯而设计的。既可满足高速传输，又有简单实用、经济性强等特点。
　　profibus-dp符合en50170标准，拓扑结构为总线式，在总线两端有有源总线端接器。最大节点数为127，其中每个分段上最多可接32个节点，各段可通过中继器相连。传输速率9.6kbps～12mbps，与每段距离有关。当距离在100米内时，可达12mbps。通讯介质采用屏蔽双绞线或光纤。
　　2.2 主控单元
　　主控单元是现场控制站的中央处理单元，主要承担本站的部分信号处理、控制运算、与上位机及其它单元的通讯等任务。它是一个高性能的工业级中央处理单元，采用模块化结构，主控单元可以热备份方式冗余使用。主控单元cpu采用pentium ii芯片，主频 233mhz以上；内存为32m（db），2msram（带掉电保护）。
　　2.3 输入输出单元
　　过程输入输出单元（i/o单元）是完成与现场信号的连接、对输入信号进行的采集与转换、对输出信号进行限幅等处理的智能单元。模块采用智能化设计和看门狗定时、多级隔离、自动诊断、输出回馈以及系统故障时输出自动切换到安全状态等可靠性措施。
　　过程输入输出单元根据功能分为模入、模出、开入、开出和脉冲量处理、回路控制几类。其中模入、模出单元可冗余配置，以保证重要信号能得到可靠处理。
　　单元采用模块化结构，通常由模块主体和底座两部分组成。模块主体由外壳和内部模板组成，一般有两块板，一块为cpu板，另一块为i/o处理板。
　　底座为无源底板，起连接信号、固定模块主体、并为模块主体供电等作用。
　　3 硬件系统性能分析
　　3.1中央处理单元负荷
　　对现场控制站cpu和操作员站的cpu负荷率一般采用实测结果，采用这种体系结构可以保证在满配置的繁忙工况下的现场控制站负荷率低于60%，操作站负荷率低于40%。
　　3.2 电源负荷分析
　　每个过程i/o模块采用了低功耗设计技术（如尽量采用低功耗的cmos集成电路、低电压供电等），使每个现场控制站机柜在满配置的情况下，总的电源消耗不超过50%。每个i/o模块的额定输入功率小于2w。在满配置时，机柜容量为50个i/o模块，总电源功耗为200w（=2w×50个i/o模块+50w×2个冗余主控模块），电源模块的输出功率为450w，电源的负荷为44.4%（=200w/450w）。本计算是针对单电源模块时i/o站机柜满配置的计算结果。
　　3.3 内存和外存余量分析
　　本系统现场控制站配34m内存，实际占用2.5mb，余量为92.6%；现场控制站不需要外存；操作员站内存和外存余量大于50%；服务器内存为256mb，实际使用8～16mb，余量大于93%；外存一般配20g硬盘，实际使用小于1g，余量大于90%。
　　3.4 网络负荷分析
　　（1） 控制网络负荷分析。控制网络采用profibus-dp协议，profibus-dp采用轮巡的传输协议，假设一个系统有n个dp设备，通讯时系统主站首先对#1从站（#1dp设备）发出一个请求，#1从站根据请求返回数据，接着主站对#2从站发出一个请求，#2从站根据请求返回数据……，主站对#n从站发出一个请求，#n从站根据请求返回数据，主站对#1从站（#1dp设备）发出一个请求，#1从站根据请求返回数据……。系统一直不停的轮巡所有设备。
　　我们考虑系统轮巡一遍设备所用的时间，系统可配置成八种通讯速率，我们按照1.5mbps进行分析：
　　每秒钟通讯字节数
　　1500000÷8=187500 byte字节
　　按现场控制站的应用软件通讯协议，查询帧为4个byte，模拟量模件、脉冲量模件的帧为20（头3位，数据16位，crc校验1位）byte，开关量模件的帧为6（头3位，数据2位，crc校验1位）byte，而每个现场控制站的dp主卡的双口ram包括输入3584byte、输出3584byte，每个现场控制站理论上可以带125个dp模块，主站与从站的握手协议包括诊断不大于20 byte。
　　因此，每一次轮巡的最大通讯量为：
　　3584+3584+125*20=9668byte
　　9668/187500=5.15%
　　可见，控制网络即使在全部测点按照最快扫描周期并且在极限传输量情况下，也处于十分空闲状态。因此profibus-dp的负荷率完全满足使用要求。
　　（2） ethernet网络负荷分析。ethernet通信采用tcp/ip协议，通讯有发送和确认控制。帧控制信息开销=12（帧间距）+8（同步码）+18（帧首、尾）+24（ip包首部）+24（tcp包首部）=86byte。由协议可知：
　　用户数据平均包长=1452（最大用户数据包长）/2=726byte，则：
　　平均用户数据利用率=用户数据平均包长/（发送帧控制信息开销+确认帧控制信息开销+用户数据平均包长）=726/（86+86+726）=80.85%
　　由上述分析可知，此dcs系统可以满足稳定的控制要求，硬件系统有较大的冗余量，可以保证系统的稳定性。
　　4 控制系统的功能实现
　　4.1 上煤路线的选择
　　由于华祥热电有限公司的输煤皮带系统比较复杂，主要体现在输煤皮带的上下级关系比较复杂。系统由35条皮带组成，给三个单元的原煤仓上煤。例如有如下上煤路线：
　　一单元上煤路线：
　　（1） #0甲皮带→#5甲皮带→#7甲、乙皮带→犁煤器→煤仓。
　　（2）推煤机→#0乙侧皮带（#1、#2轮斗机）→#8甲侧皮带→#2甲侧皮带→#1碎煤机→给料带反转→#3皮带→#5甲、乙侧皮带→#7甲、乙侧皮带→犁煤器→煤仓。
　　（3）翻车机#1、#2给料带→#1甲、乙皮带→#2甲侧皮带→#1碎煤机→给料带反转→#3皮带→#5甲、乙侧皮带→#7甲、乙侧皮带→犁煤器→煤仓。
　　由上面的路线可知，系统的上煤路线较复杂，所以我们采用了首先选择上煤终点，按由后向前的顺序选择上煤路线，直到选择上煤起点。另外，我们也给出了几条最优的上煤路线，供用户进行方便快速的选择。
　　4.2 手动与自动方式
　　系统的启动和停止方式可以为手动和自动方式。当在系统图上选择运/配煤设备后、并接收到相应的设备“准备好”信号；所有指示表明可以启动时，操作人员通过系统启动命令来启动运/配煤系统。当不允许启动或所选设备无效时，内部连锁能防止任何设备启动。当“系统停止”命令输入键盘时，系统按正常清除顺序停止，或当出现危害人身、设备时，系统应立即停止。自动方式为主要的运行方式，运行人员应能选择一个完整和合适的路径，以便将煤运送到煤仓。
　　4.3 连锁功能的实现
　　手动方式中，除了运行人员必须按照正确顺序通过键盘上的启动/停止命令来启动和停止各个设备，系统也应象自动方式一样完全连锁。以确保运行人员按正确的顺序来启动和停止所有设备。启动上煤设备优先启动碎煤机，启动时按逆煤流方向，从最后一条皮带（及相关设备）开始一次启动。直到第一条皮带（及相关设备）启动后才开始供煤；停运时按顺煤流方向，先停供煤设备，然后从第一台至最后一台设备依次停止，最后停止碎煤机运行。
　　4.4 自动加仓功能的实现
　　自动加仓功能主要是应用了功能块图和st（结构化文本）编写的程序来实现的。其中主要有比较逻辑、与逻辑、或逻辑，还有分支结构语句，通过现场运行，能按预定目标实现自动加仓功能。
　　（1）根据锅炉对每个煤仓的加仓要求，加仓前由运煤控制室的值班人员调出加仓画面，同时通过键盘输入给定加仓指令，实现自动加仓配煤。主要实现了分单元加仓功能。
　　（2） 加仓开始，先依次给出现超低煤位仓配煤，直至消除煤仓的所有低煤位信号。
　　（3） 所有的低煤位信号消失后，再进行顺序配煤，当仓满后转到下一个煤仓进行顺序配煤，直到所有的煤仓满为止。
　　（4）顺序配煤过程中，如果又出现超低煤位、低煤位仓，则停止原煤仓顺序加仓程序，优先为超低煤位、低煤位仓配煤，消除超低煤位、低煤位，再转入顺序加仓程序。
　　（5） 当全部煤仓出现满煤位信号（并报警）后，程序自动停机并把皮带上的余煤均匀分配给各煤仓。
　　（6） 在配煤过程中能自动跳过满仓、高煤位仓、超高煤位仓及检修仓。
　　（7） 配煤的尾仓设定、检修仓设定均通过上位机进行设定，加仓时尾仓及其后方煤仓均不允许配煤。
　　5 界面显示
　　界面上主要实现了控制方式设置和流程选择菜单，运煤工艺流程图，实时运煤系统运行图，设备状态显示图，历史数据显示画面，故障报警一览表，皮带机的运行显示，煤仓煤位的显示，各皮带、碎煤机、轮斗机电机电流的显示，整个输煤系统的各个需要监视的部分均能在操作员站上显示出来，可以很好的防止输煤事故的发生，极大的提高了输煤系统的自动化水平。
　　6 结束语
　　将dcs系统应用到华祥热电有限公司的输煤程控系统中，可以很好的发挥dcs系统的优势，将输煤系统需要监视的模拟量、开关量集成到整个控制系统中，监视皮带的电机电流的变化，实现皮带上下级的连锁功能，实现自动加仓功能，提高了该电厂的自动化水平，也为将来厂级网络的互连准备了充分的条件。