中國火電廠(chǎng)自動(dòng)化發(fā)展趨勢及對策(1)

    在研究國外自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展及其在火電廠(chǎng)工程中應用經(jīng)驗的基礎上，從工程觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，對未來(lái)21世紀最初10年火電廠(chǎng)自動(dòng)化化技術(shù)應用的發(fā)展趨勢、管理體制的改革，以及發(fā)展我國民族自動(dòng)化工業(yè)等提出了看法。

    1、火電廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)應用10年展望
　　
    在本世紀最后10年左右的時(shí)間里，我國火電廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)應用的發(fā)展，盡管經(jīng)歷過(guò)挫折和重重困難，但仍以前所未有的速度發(fā)展?？梢灶A見(jiàn)，進(jìn)入21世紀，我國火電廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)應用很可能將以更快的速度發(fā)展，這個(gè)預測是基于：(1)世界高科技飛速發(fā)展，世界進(jìn)入信息時(shí)代；(2)我國社會(huì )主義市場(chǎng)經(jīng)濟體制將日趨完善，經(jīng)濟實(shí)力進(jìn)一步加強，我國電力市場(chǎng)將真正形成。作者在1997年10月中國電機工程學(xué)會(huì )第5屆自動(dòng)化學(xué)術(shù)討論會(huì )上發(fā)表的論文《邁向2000年的火電廠(chǎng)自動(dòng)化水平》，以及電規總院向原電力工業(yè)部上報的《關(guān)于建設2000年新一代燃煤示范(試點(diǎn))電廠(chǎng)的請示》中的附件之一：《2000年電廠(chǎng)儀表和控制(I&C)系統設計原則》中，從工程觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，提出了21世紀初期火電廠(chǎng)自動(dòng)化應用技術(shù)設想和2000年示范電廠(chǎng)自動(dòng)化系統設計原則。在國家電力公司、電力規劃設計總院的領(lǐng)導下，在各大區設計院以及各有關(guān)工程管理和技術(shù)人員的努力下，對2000年燃煤示范電廠(chǎng)自動(dòng)化系統的設計原則逐步完善和落實(shí)，也使火電廠(chǎng)自動(dòng)化未來(lái)10年展望更具現實(shí)性和指導性。

    1.1　火電廠(chǎng)將進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò )化時(shí)代
　　
    未來(lái)21世紀的最初10年，火電廠(chǎng)必將隨著(zhù)不可抗拒的潮流加速進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò )時(shí)代，火電廠(chǎng)乃至電力系統和電力企業(yè)集團將形成生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和管理現代化的信息網(wǎng)絡(luò )。特別要指出，在全廠(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò )結構優(yōu)化過(guò)程中，在技術(shù)上百家爭鳴，研討優(yōu)化方案時(shí)，還要注意克服頭腦中由于專(zhuān)業(yè)分工造成的偏見(jiàn)、局部間利益的摩擦，以及管理體制造成的束縛。經(jīng)過(guò) 2 a的研究和工程審查實(shí)踐，初步形成了下圖所示的全廠(chǎng)信息網(wǎng)絡(luò )結構的方案，說(shuō)明如下。

    1.1.1　廠(chǎng)級生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和管理現代化系統(簡(jiǎn)稱(chēng)廠(chǎng)級自動(dòng)化系統)
　　
    由廠(chǎng)級監控信息系統(Supervisory information system in plant level,簡(jiǎn)寫(xiě)SIS)和廠(chǎng)級管理信息系統(Management information system in plant level,簡(jiǎn)寫(xiě)MIS)組成。SIS主要處理全廠(chǎng)實(shí)時(shí)數據，完成廠(chǎng)級生產(chǎn)過(guò)程的監控和管理，廠(chǎng)級故障診斷和分析，廠(chǎng)級性能計算、分析和經(jīng)濟負荷調度等；MIS主要為全廠(chǎng)運營(yíng)、生產(chǎn)和行政的管理工作服務(wù)，主要完成設備和維修管理、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理(包括電力市場(chǎng)報價(jià)子系統)、財務(wù)管理等。SIS和MIS可以是設置在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的2個(gè)功能，共用計算單元和數據服務(wù)器，也可以如圖1所示，SIS網(wǎng)與MIS網(wǎng)用網(wǎng)關(guān)(G)或其它接口分隔成2個(gè)網(wǎng)，分別設置相應的計算單元和數據服務(wù)器，以提高SIS網(wǎng)的安全性。

    電力集團企業(yè)MIS和電網(wǎng)運營(yíng)系統與火電廠(chǎng)的廠(chǎng)級MIS相連，而電網(wǎng)調度系統則通過(guò)發(fā)電端的遠程發(fā)送單元(RTU)與網(wǎng)內火電廠(chǎng)的的廠(chǎng)級SIS相連，進(jìn)行1級或2級調度，也可采用傳統方法連接到網(wǎng)絡(luò )站監控系統。隨著(zhù)光纜在各地區，乃至全國范圍內的敷設，有可能不再需要RTU，而可以由專(zhuān)用Intranet網(wǎng)實(shí)現上述通信。
　　
    廠(chǎng)級SIS+MIS系統，對內是實(shí)現廠(chǎng)級生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和管理現代化的系統，對外是電網(wǎng)運營(yíng)和調度系統，以及電力企業(yè)集團MIS在發(fā)電廠(chǎng)側的支持系統，因此，一般情況下無(wú)需獨立于廠(chǎng)級MIS再另搞一套發(fā)電廠(chǎng)報價(jià)系統(GBS)。

    1.1.2　輔助車(chē)間監控系統
　　
    一個(gè)火電廠(chǎng)有10幾個(gè)輔助車(chē)間，國外已有通過(guò)網(wǎng)絡(luò )集中到1個(gè)控制室進(jìn)行集中控制的做法。過(guò)去國內都是一個(gè)輔助車(chē)間內由PLC和上位機構成一個(gè)網(wǎng)絡(luò )，在車(chē)間控制室內控制。目前趨向于采用適度集中控制的方案，例如全廠(chǎng)形成煤、灰、水3個(gè)網(wǎng)絡(luò )、3個(gè)監控點(diǎn)，待今后條件成熟時(shí)再減少控制點(diǎn)。輔助車(chē)間網(wǎng)絡(luò )通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到上層網(wǎng)——廠(chǎng)級SIS網(wǎng)，不推薦連接到單元機組DCS網(wǎng)，再將信息引到SIS網(wǎng)的做法，因為這樣增加了DCS負荷，降低了單元機組監控可靠性，很難處理單元機組公用車(chē)間運行管理不同的矛盾，而且單元機組對大量輔助車(chē)間信息也沒(méi)有需要。至于2個(gè)單元機組公用的廠(chǎng)用電系統和循環(huán)水泵房，則可設置公用DCS網(wǎng)，按如圖1方式與單元機組DCS相連接，實(shí)現每臺單元機組DCS對它的監控。

    1.1.3　網(wǎng)絡(luò )站監控系統
　　
    網(wǎng)絡(luò )站監控計算機系統本質(zhì)上是廠(chǎng)級SIS網(wǎng)下一級的一個(gè)車(chē)間級監控系統，有人建議把網(wǎng)絡(luò )站監控計算機系統和SIS合用一個(gè)信息網(wǎng)絡(luò )，這是不妥的，因為它們是2個(gè)不同性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò )，合用會(huì )降低網(wǎng)絡(luò )站控制的可靠性和實(shí)時(shí)性，并使不同任務(wù)的值班人員(全廠(chǎng)總工和網(wǎng)絡(luò )站值班員)在同一網(wǎng)絡(luò )的終端上工作而帶來(lái)一系列問(wèn)題。必須說(shuō)明，圖示的網(wǎng)絡(luò )結構還有待在今后的工程實(shí)踐中進(jìn)一步完善，或根據情況作必要的修正。

    中國火電廠(chǎng)自動(dòng)化發(fā)展趨勢及對策(2)

     1.2　單元機組自動(dòng)化將展現新的特點(diǎn)
　　
    火電廠(chǎng)單元機組的自動(dòng)化水平，無(wú)論國外和國內，都是比較高的，因此未來(lái)21世紀的最初10年期間，單元機組自動(dòng)化水平要不要和會(huì )不會(huì )再提高，答案應該是肯定的。當前，國際上電力市場(chǎng)的競爭愈演愈烈，電網(wǎng)為了自身的安全和經(jīng)濟效益，對火電廠(chǎng)單元機組提出了一系列嚴格的調頻和調峰的范圍和速度的要求；競價(jià)上網(wǎng)的市場(chǎng)原則迫使火電廠(chǎng)必須最大限度地挖掘機組潛力，提高效率，減少人員，降低成本；國家法律對環(huán)保日益嚴格的要求，并采取相應的經(jīng)濟調控手段，也將迫使電廠(chǎng)采取對策。在我國，隨著(zhù)改革的深入，電力市場(chǎng)正在逐步發(fā)展和完善，只要到全國走一走，就會(huì )看到火電廠(chǎng)內正蘊動(dòng)著(zhù)與國外類(lèi)似的需求。
　　
    未來(lái)10年左右時(shí)間里，可以斷定，單元機組自動(dòng)化必將在下列幾個(gè)方面進(jìn)一步向前發(fā)展：

    1.2.1　控制系統全計算機化，控制室緊湊小型化
　　
    單元機組實(shí)現全CRT監控，傳統監控盤(pán)臺將取消，控制室(2臺單元機組)面積由目前的350～4 000 m2，降到150 m2以下。

    1.2.2　監控系統的功能配置和物理配置原則將重新安排
　　
    a.物理配置原則
　　
    隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，監控系統將由以前的全部集中到一個(gè)控制樓里的配置方式，逐步趨向于采用適度物理分散配置的原則。龐大的控制樓將取消，變成若干個(gè)小型的電子設備間，分別布置在鍋爐、汽輪機房或其它主設備附近。節省電纜，并為主廠(chǎng)房模塊化設計、安裝、縮短工期，以及主廠(chǎng)房合理布局創(chuàng )造條件。對現場(chǎng)來(lái)的信號，將大量采用遠程I/O，其中驅動(dòng)器控制用的I/O，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，也將廣泛采取現場(chǎng)配置，這種配置方式必將為大量節約監控電纜，降低基建費用，縮短工期作出貢獻。
　　
    b.功能配置原則
　　
    分散控制系統問(wèn)世時(shí)，當時(shí)開(kāi)發(fā)者有2大派，一派以歐洲的公司為主，他們根據過(guò)去集中計算機控制故障集中的弊病，提出DCS應按控制功能徹底分散的原則開(kāi)發(fā)，因此推出DCS中的控制器容量很小，往往控制1～2個(gè)回路，與傳統單回路控制器類(lèi)似；另一派以美國和日本的公司為主，他們走中間道路，采取適度分散原則。起初歐洲派由于符合原先人們的習慣，受到一定程度歡迎。但是隨著(zhù)時(shí)間推移，這種方案最終被淘汰了?，F在連當時(shí)創(chuàng )導這種思想的DCS公司也紛紛拋棄原來(lái)那種型式的所謂控制功能徹底分散思想，而推出適度分散的DCS產(chǎn)品。
　　
    縱觀(guān)這一段DCS發(fā)展史，結合火電廠(chǎng)單元機組控制系統的特點(diǎn)，DCS功能配置將與物理配置走正好相反的方向，正在趨向再適度集中一點(diǎn)的方向發(fā)展。因為：首先，單元機組各個(gè)控制系統間有著(zhù)千絲萬(wàn)縷的信號聯(lián)系，一對控制器故障，往往會(huì )導致另一對控制器因沒(méi)有正確的聯(lián)系信號而不能正常工作，甚至誤動(dòng)；其次，由于目前大多沒(méi)有常規后備監控制設備，因此，對于大部分重要控制器，只要其中一對控制器故障，可能就要被迫停機，而過(guò)多的控制器實(shí)際上反而增加了故障停機的概率；再次，目前控制器容量和速度均大大提高，多個(gè)相互聯(lián)系密切的控制系統集中在一對控制器中，反而因內部信息交換方便而提高可靠性。目前有的公司推出的DCS，CPU采用2×2冗余(由于計算機技術(shù)發(fā)展，成本增加很小)，可靠性進(jìn)一步提高。
　　
    綜上所述，根據電廠(chǎng)特點(diǎn)，應當在提高每一組控制器的可靠性上下功夫，例如采用按照IEC61508功能安全原則設計的控制器；CPU采用2×2冗余或三重冗余；必要時(shí)甚至對部分I/O采取冗余等。而在控制器容量和速度允許情況下，可以合理地配置控制器(按工藝功能區配置；關(guān)系密切的控制系統納入同一控制器等)，適當提高功能配置的集中度。
　　
    c.現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統(FCS)若干問(wèn)題的思考
　　
    (1)“FCS將取代DCS，DCS將消亡”的論點(diǎn)。DCS的本質(zhì)是監控集中，控制分散，故又稱(chēng)集散控制系統(TDCS)，從來(lái)沒(méi)有人聲稱(chēng)DCS的“監控集中”原則也過(guò)時(shí)了；相反，FCS系統開(kāi)發(fā)商也企圖仿照DCS開(kāi)發(fā)上層監控網(wǎng)絡(luò )，不同在于，他們開(kāi)始時(shí)想搞一個(gè)唯一的國際標準的上層通信網(wǎng)而已，實(shí)施的困難已迫使他們放棄這種想法而宣布擬采用現存的工業(yè)以太網(wǎng)。因此，至少從這一點(diǎn)上說(shuō)，這種提法是很值得討論的。
　　
    (2)DCS和FCS如何對待“控制分散”。有人說(shuō)，FCS將控制和處理功能徹底分散到智能現場(chǎng)儀表(智能變送器、智能執行機構、智能開(kāi)關(guān)柜等)中，不再需要傳統的放在控制室中的控制器了，這也是不全面的。從火電廠(chǎng)單元機組用DCS的經(jīng)驗看，在對待“控制分散”問(wèn)題上必需因地制宜。
　　
    對于單元機組的大部分非常復雜的控制功能，“徹底分散”同由于故障點(diǎn)增多，反而會(huì )降低系統的可靠性(即使將來(lái)開(kāi)發(fā)出冗余的FF-HI或PROFIBUS-PA過(guò)程控制總線(xiàn))，并使一個(gè)控制系統功能必須以很高的處理周期，頻繁在2層通信網(wǎng)絡(luò )內交換信息，因此，至少在相當長(cháng)時(shí)期內，技術(shù)上是不可行的。對于這部分系統的控制功能反而有趨向適度集中的趨勢。
　　
    控制和處理功能中的單個(gè)驅動(dòng)器的邏輯控制功能正在靠近，甚至嵌入驅動(dòng)器中倒是一個(gè)非常明顯的發(fā)展趨勢，這本質(zhì)實(shí)際上是將DCS的驅動(dòng)邏輯模件放在現場(chǎng)驅動(dòng)器附近，或者開(kāi)發(fā)內嵌驅動(dòng)邏輯功能的智能驅動(dòng)器，通過(guò)DCS的I/O總線(xiàn)或現場(chǎng)總線(xiàn)，與控制室內控制器相連，從而大大減少電纜和提高可靠性。因此，這不是FCS的獨創(chuàng )。對于簡(jiǎn)單的功能相對集中的控制系統，采用FCS的控制和處理功能徹底分散到現場(chǎng)智能儀表中，而后納入DCS的方案，預計經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)展后，將會(huì )受到歡迎。
　　
    FCS的全數字化通信將引起真正的革命。傳統DCS的一個(gè)致命弱點(diǎn)是，它可以控制和監視工藝過(guò)程，對自身進(jìn)行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于其I/O信號采用傳統的模擬量信號，因此，它無(wú)法在DCS的工程師站上對現場(chǎng)儀表(變送器、執行機構等)進(jìn)行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS的現場(chǎng)總線(xiàn)和全數字的現場(chǎng)總線(xiàn)智能化儀表熔入DCS后，將徹底解決這個(gè)問(wèn)題。DCS公司也意識到了這點(diǎn)，目前已有一些DCS可以在控制器下層的現場(chǎng)總線(xiàn)上連接現場(chǎng)總線(xiàn)智能化儀表，實(shí)現全數字化通信。但是，在DCS工程師站上對現場(chǎng)儀表進(jìn)行診斷、維護和組態(tài)的功能目前都只處于開(kāi)發(fā)階段。因此，不贊成FCS取代DCS的提法，更確切的提法是，未來(lái)現場(chǎng)總線(xiàn)智能化儀表和FCS概念將熔入DCS中，推動(dòng)DCS功能進(jìn)一步發(fā)展，使用戶(hù)的配置方式更加靈活。

    1.2.3　單元機組自動(dòng)化系統進(jìn)一步智能化
　　
    單元機組DCS的應用使機組的監控面貌發(fā)生了質(zhì)的飛躍，但是應當說(shuō)，它的監控手法大多還是比較傳統的，智能化程度不太高。當前情況開(kāi)始有了變化。從國外看，許多智能化的監視和控制軟件已日趨成熟和商品化，并在火電廠(chǎng)實(shí)踐中取得明顯的效益，單元機組自動(dòng)化系統進(jìn)一步智能的趨勢十分明顯。因此，應當精心研究和設計DCS應用軟件，進(jìn)一步提高顯示、報警、事故記錄等功能的智能化程度，實(shí)現數據存檔和檢索無(wú)紙化。要進(jìn)一步提高模擬量控制系統的控制范圍，研究實(shí)現根據機組負荷自動(dòng)啟停燃燒器(制粉系統)和機組自啟停功能，使控制中心進(jìn)一步智能化、自動(dòng)化，使值班人員控制機組運行，好似人們照相使用“傻瓜機”那樣，以提高機組運行安全性。同時(shí)，要積極采用已取得成功應用經(jīng)驗，安全、經(jīng)濟效益明顯的優(yōu)化控制軟件、性能計算和分析軟件、機組壽命管理軟件、故障診斷以及狀態(tài)維修軟件等，進(jìn)一步提高機組運行的安全性和經(jīng)濟效益，以較少投入，最大限度地挖掘機組潛力。

    1.3　輔助車(chē)間高度集中控制
　　
    一個(gè)電廠(chǎng)有10幾個(gè)輔助車(chē)間，過(guò)去在每個(gè)車(chē)間都設一個(gè)控制室，采用PLC實(shí)現順序控制，值班人員多達100～200人，不少電廠(chǎng)輔助車(chē)間實(shí)際達到的自動(dòng)化水平不高。隨著(zhù)大中型國營(yíng)企業(yè)改革逐步到位，許多企業(yè)已經(jīng)意識到，1 a就可以減少近千萬(wàn)元的支出。目前新建工程已迅速向這個(gè)方向發(fā)展。對于老電廠(chǎng)，他們在自動(dòng)化改造時(shí)，除少數電廠(chǎng)外，目前大多還只在提高單元機組自動(dòng)化水平上下功夫，輔助車(chē)間自動(dòng)化改造還沒(méi)有提到議事日程上來(lái)，這主要是因為它將引起更大規模的下崗壓力。相信我國大中型國營(yíng)企業(yè)改革基本完成之日，必將是老廠(chǎng)輔助車(chē)間進(jìn)行上述自動(dòng)化改造之時(shí)。
　　
    輔助車(chē)間實(shí)現高度集中控制要抓好2件事：(1)提高可控性，并集中解決好某些特殊檢測問(wèn)題，使設計的順序控制得以可靠運行，實(shí)現在當地基本無(wú)人值班；(2)配置好輔助車(chē)間的計算機監控網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現若干輔助車(chē)間遠方集中監控。

    文章來(lái)源：http://blog.sina.com.cn/s/blog_3c70f1e201000cfe.html/