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摘要：DCS是一种控制技术，它是基于分布式计算机系统与发电机组控制策略相组合而得到的。本文主要针对火电厂DCS一体化做了相关的研究，并最终确定一套系统解决方案。本文的意义在于提出了对已有DCS的改进方法，并且将其应用扩展和新项目DCS的方案进行优化，结合DCS在实践中的实际应用情况，借鉴国外先进经验，最终提出全厂 一体化DCS的系统解决方案。
关键词：分布式系统；DCS；系统解决方案；一体化
作者简介：栾晓东（1973-），男，新疆石河子人，新疆天业集团天能化工有限公司，工程师。（新疆 石河子 832012）
中图分类号：TM621.6 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）15-0153-02
一、DCS简介
1.DCS基本概念
DCS：分布式计算机控制系统（Distributed Control System），又名集散控制系统（在以下章节中简称DCS）。DCS技术是由控制技术、计算机技术、CRT技术和通讯技术相互渗透发展而产生的，它主要是利用计算机技术对生产过程进行集中的操作、管理、监控及控制的一种新型控制技术。DCS充分利用网络上的计算机资源，通过全厂计算机网络这个大平台，实现生产过程中大量数据的并行计算，使系统具有成本低、可靠性高和灵活性强的特点。
2.DCS系统在我国应用现状
20世纪80年代，我国开展了关于DCS的技术交流讨论会，紧跟国际DCS技术的发展，并于1985年安排望亭电厂作为国内首个DCS工程试点，要求主辅机厂解决可控性问题，同时还要求DCS中的DAS功能随机组一起使用，为自动控制系统顺利投用创造条件，提高自动化的投入率。1992年，召开了技术评议会，肯定了DCS在火电机组上的应用试点成功，达到了预期的效果，为提高电厂的自动化水平创造了条件，同时也为DCS在火电厂的应用铺平了道路。
3.DCS系统在望亭电厂的应用情况
DCS是计算机系统与发电机组控制策略相结合的控制系统。传统控制系统采用不同功能组件组合实现机组控制策略，信号间联系采用硬接线链接。应用DCS技术，重要信号采用冗余，采用软件组态实现机组控制策略，信号间通过通信网络实现信息共享。这样的系统具备通用性强、控制系统完善、系统组态灵活、显示操作集中、数据处理方便、调试方便、安装简单规范化、运行安全可靠等特点，能够提高发电技术的自动化水平，适用于大型火力发电厂的生产过程。
4.DCS的发展方向
各制造厂商都在“开放性”上下功夫，大力发展和完善DCS的通信功能，力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易进行网络互连，将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的产品。在系统规模和结构上，为了适应规模的需求，形成由小到大的产品。高度重视系统的可靠性，在软件设计中采用容错技术，为了提高系统的控制功能，在控制功能中不断引进各种先进控制理论，如自鉴定及自适应等。
二、全厂一体化DCS系统解决方案制定
1.原有DCS存在问题
望亭电厂 13#号机组为300MW火力发电组，其控制系统采用的是美国公司生产的DCS产品。由于是在国内首次使用的DCS，因此受到了客观条件的制约，比如：受到当时控制水平、资金等条件的限制，进而使系统的应用受到了极大的限制，性能不够理想。突出的问题有：安全可靠性比较差，硬接线和硬手操作比较多，系统响应速度慢等。
气力输送是以压缩空气为载体，与粉粒状物料在一定混合比的情况下，在密闭管道内通过气力由一处送往另一处的输送方式。气力输送技术根据不同的划分标准有很多种分类方法，根据输送方式可分为低真空吸送，低压压送，中低压压送等。气力输送技术具有很多优点。它的输送效率较高，输送管道的布置灵活，可以进行水平或者垂直输送，一套系统可以输送多种不同的物料，安全性好。目前火力发电厂广泛采用PLC构成气力输灰控制系统，但同时出现了与DCS系统通讯困难，组网复杂的问题，给DCS系统的集约化管理带来了一定负面影响。
在望亭电厂的水处理控制中，主要采用CRT操作员站（上位机）加可编程控制器（PLC）构成。CRT操作员站是水处理系统的控制中心，具有控制操作，数据采集，CRT画面显示，参数处理，越限报警，制表打印等功能，CRT画面显示工艺流程图，趋势图，主要参数模拟仿真仪表图等。当设备故障，参数越限报警以显示和音响报警，设备不同状态对应不同颜色显示。画面内容及幅数按用户要求而定。控制室不再设常规仪表盘，所有被监控信号都能打印记录。一般为系统安全运行起见，都设有两台热备CRT操作员站。
采用现场测量信号和实现顺序控制功能是通过可编程程序控制器PLC来实现的，顺控逻辑按用户工艺要求设计。程序系统具有自动，半自动，步操，键操，就地操作等五种操作方式，这五种操作方式可由用户根据现场运行情况相互切换，操作方便。
2.新DCS系统解决方案的提出
新建新疆某电厂在2010年初由浙江中控系统公司对DCS进行重新设计。把传统比较保守的电气操作也全部进入DCS，并将补给水PLC控制系统和气力输灰控制系统、凝结水精处理控制系统、采暖通风空调控制系统、石子煤输送控制系统、汽水取样等辅助控制系统均与DCS通讯站实现通讯连接，同时组成水系统监测控制网、灰渣系统监测控制网、采暖通风空调监测控制网和主系统控制网。全部操作均可以采用软收工操作，大大提高了自动化水平。新的DCS系统工作过程如下。
（1）建立逻辑环。网络中的每个节点都有一个唯一的标识，是由硬件跨接设定的唯一标识。每个节点在系统初始化时候确定它在逻辑环中的下一个节点，ID（1—32）。并将下一个节点的标识符保存在各自的专用寄存器NID（Next ID）中，由此就构成了一个逻辑环路。逻辑环如下图1所示。
（2）令牌的传递。令牌在逻辑环中依次从低ID节点向高ID节点传递，最高的ID节点再将令牌传递给最低的ID节点。
（3）增加节点。重构脉冲的发出是由节点加电入网后完成的，进而引起了网络的重构，目的是达到新节点入网。
（4）节点的推出。因为上一个节点将令牌向下传递的时候，得不到应答会继续向后寻找，当再次找到下一个节点的时候，就构成了新的逻辑环，因此当一个节点由于故障或者断电后退出网络时，不需要进行重构。
（5）传递信息。每个节点发送信息的条件是当其获得令牌时。若一个节点获得令牌而没有信息发送，就将令牌自动传给下一节点。
（6）接收信息。如果某节点有空闲缓冲区，则可以接收信息。节点接收到信息后首先要做的工作是对信息进行正确性校验。如果未发现错误，则返回应答，并置收到信息的标志。如果发现错误，则立即废弃该包。
整个电厂采用令牌总线协议，令牌总线协议具有很好的实用性，在网络节点增加和系统忙碌的条件下，基本能够保证信息的传输速率不变。因此，该网络具有信息流量大、效率高的特点。在节点增加或者减少的时候，能够在不影响整个系统的情况下自动完成重构设置。以上优点使其非常适合在自动控制方面的应用。
3.DCS应用预计效果及不足
浙江中控采用令牌传送技术，他们的ECS-700控制系统是基于Windows XP网络实现的，有效实现了系统的互斥及同步两方面功能。从应用情况出发，火电厂应用人员的所有操作均可通过软手操完成，系统的控制特性相对于1987年西屋公司的DCS产品功能有了显著的提升，能够显示全面的系统参数，降低了运行人员的劳动强度，有利于机组的集中监控和事故情况下的全面协调处理能力，大大提高了机组的安全经济运行性能。
虽然在电厂机组DCS功能有了一定的提高，可仍然存在一定的问题。主要有以下几点：采用的是有专利性的DCS结构；从自动控制的应用水平来看，智能化程度不高；系统的软件还需要使用软件工程的方法进行有效的管理，导致系统的可靠性下降；需强化DCS控制分散，风险分散的特点。
在总结出以上DCS特点及存在的不足之后，得到最新的DCS方案如下所示。
DCS系统应当进一步考虑网络安全问题。电厂的DCS安装在线诊断系统或者DCS系统数据进入火电厂 MIS系统时，需要包括网络资源的访问控制、身份认证、远程接入的安全性、数据传输的保密性和完整性等。
系统的核心全部装入“关系数据库管理系统”，本系统中使用专用数据库。该数据库包含系统内的所有信息，主要有：控制算法信息、报表、记录、I/O控制器原始信息和过程数据库等。专用数据库在控制系统和应用软件之间形成了一个中间层，可以很容易进入中间层通过第三方的“结构化查询语言”，这样就能够将系统中大量的原始数据加以综合编排，通过标准软件工具进行数据挖掘，得到更多有价值的信息。
采用有专利性的DCS结构。系统是一种通信量较小的令牌环网分布式系统，当通信量较大时，每站都有独立的一个发送队列，一旦某个站点传输完毕重新产生一个令牌。下一个站点就得到这个令牌，导致令牌的一次传递。DCS系统的开放性要求系统可以支持多种网络通讯协议，这样网络就可以采用标准的、市面上能够买到的网络驱动器及路由器，而不是上述专利的用户网关及用户协议等，便于扩展及维护。
采用更强有力的诊断和容错程序，能够直观确定系统存在的问题。采用软件工程的方法对DCS软件进行管理，提高软件的应用效率和质量。系统可以通过如下途径告知操作人员：音响报警器、系统部件上的颜色指示灯和系统操作人员可以迅速看到的状态界面。诊断程序通过简单的点亮指示灯来标识出有问题的部件，同时给操作人员发出报警信号。
应用分布式的功能设计。所有的重要的控制、运算和数据管理的各项操作都提供备用部件或独立的备用通道，把硬件功能分成各个独立的模块或站点，使风险分散，确保故障发生时系统能够继续运行。
4.PLC控制方案
数据采集。采集整个系统各个装置的重要工艺参数、设备运行状态等重要数据。
实时监控。对整个工艺生产过程实现实时操作、设置、控制、报警、显示等，最大限度减少值守人员。
动态仿真。对工艺流程画面实现动态模拟显示，动态跟踪工艺参数，直观了解设备运行情况。
联锁、报警。对非正常的工艺参数和设备的运行状态实施声光报警，出现危险和异常状态时对设备进行联锁保护。
流量的累积及清零。本系统对过滤器、反渗透、EDI等设备的流量计都设有流量的瞬时显示及累积功能，并且对每个累计流量均设有回零功能。
手动控制。系统可以实现手动和自动的切换，在非正常运行状态下，对每台汞设备和控制阀可以进行手动控制。
仪表控制一体化。电气设备和工艺过程的控制由一个控制系统完成，提高系统的完整性和可靠性。
三、结语
电厂的DCS系统即将通过相关部门的实用化验收，有些功能正在使用中不断完善。目前已经完成了网控电气的SCADA数据采集监控、实时信息子系统和厂级信息管理系统，有效提高了电厂的各项管理水平。
从新建新疆某电厂的一体化DCS系统解决方案的实施中，可以得到如下结论：应用DCS后，扩充了原来的系统功能，并提高了自动化水平。积极地推广应用现场总线系统，能够全面实现火电厂的数字化管理，在此基础上对系统信息进行完整的数据挖掘及整合，实现了信息的共享，提高火电厂的生产效率，大大降低了劳动强度。
参考文献：
[1]卢伯英,于海勋,译.现代控制工程(第4版)[M].北京:电子工业出版社,2007.
[2]孔凡才.自动控制原理与系统(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3]李子连.火电厂自动化发展综述[J].中国电力,2004,37(2):1-6.
[4]侯子良.中国火电厂自动化发展趋势及对策[J].中国电力,1999,32(10):41-43.
（责任编辑：苏宇嵬）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词：分布式系统；DCS；系统解决方案；一体化
作者简介：栾晓东（1973-），男，新疆石河子人，新疆天业集团天能化工有限公司，工程师。（新疆 石河子 832012）
中图分类号：TM621.6 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2011）15-0153-02
一、DCS简介
1.DCS基本概念
DCS：分布式计算机控制系统（Distributed Control System），又名集散控制系统（在以下章节中简称DCS）。DCS技术是由控制技术、计算机技术、CRT技术和通讯技术相互渗透发展而产生的，它主要是利用计算机技术对生产过程进行集中的操作、管理、监控及控制的一种新型控制技术。DCS充分利用网络上的计算机资源，通过全厂计算机网络这个大平台，实现生产过程中大量数据的并行计算，使系统具有成本低、可靠性高和灵活性强的特点。
2.DCS系统在我国应用现状
20世纪80年代，我国开展了关于DCS的技术交流讨论会，紧跟国际DCS技术的发展，并于1985年安排望亭电厂作为国内首个DCS工程试点，要求主辅机厂解决可控性问题，同时还要求DCS中的DAS功能随机组一起使用，为自动控制系统顺利投用创造条件，提高自动化的投入率。1992年，召开了技术评议会，肯定了DCS在火电机组上的应用试点成功，达到了预期的效果，为提高电厂的自动化水平创造了条件，同时也为DCS在火电厂的应用铺平了道路。
3.DCS系统在望亭电厂的应用情况
DCS是计算机系统与发电机组控制策略相结合的控制系统。传统控制系统采用不同功能组件组合实现机组控制策略，信号间联系采用硬接线链接。应用DCS技术，重要信号采用冗余，采用软件组态实现机组控制策略，信号间通过通信网络实现信息共享。这样的系统具备通用性强、控制系统完善、系统组态灵活、显示操作集中、数据处理方便、调试方便、安装简单规范化、运行安全可靠等特点，能够提高发电技术的自动化水平，适用于大型火力发电厂的生产过程。
4.DCS的发展方向
各制造厂商都在“开放性”上下功夫，大力发展和完善DCS的通信功能，力求使自己的DCS与其他厂商的产品很容易进行网络互连，将生产过程控制系统与工厂管理系统联结在一起，形成管控一体的产品。在系统规模和结构上，为了适应规模的需求，形成由小到大的产品。高度重视系统的可靠性，在软件设计中采用容错技术，为了提高系统的控制功能，在控制功能中不断引进各种先进控制理论，如自鉴定及自适应等。
二、全厂一体化DCS系统解决方案制定
1.原有DCS存在问题
望亭电厂 13#号机组为300MW火力发电组，其控制系统采用的是美国公司生产的DCS产品。由于是在国内首次使用的DCS，因此受到了客观条件的制约，比如：受到当时控制水平、资金等条件的限制，进而使系统的应用受到了极大的限制，性能不够理想。突出的问题有：安全可靠性比较差，硬接线和硬手操作比较多，系统响应速度慢等。
气力输送是以压缩空气为载体，与粉粒状物料在一定混合比的情况下，在密闭管道内通过气力由一处送往另一处的输送方式。气力输送技术根据不同的划分标准有很多种分类方法，根据输送方式可分为低真空吸送，低压压送，中低压压送等。气力输送技术具有很多优点。它的输送效率较高，输送管道的布置灵活，可以进行水平或者垂直输送，一套系统可以输送多种不同的物料，安全性好。目前火力发电厂广泛采用PLC构成气力输灰控制系统，但同时出现了与DCS系统通讯困难，组网复杂的问题，给DCS系统的集约化管理带来了一定负面影响。
在望亭电厂的水处理控制中，主要采用CRT操作员站（上位机）加可编程控制器（PLC）构成。CRT操作员站是水处理系统的控制中心，具有控制操作，数据采集，CRT画面显示，参数处理，越限报警，制表打印等功能，CRT画面显示工艺流程图，趋势图，主要参数模拟仿真仪表图等。当设备故障，参数越限报警以显示和音响报警，设备不同状态对应不同颜色显示。画面内容及幅数按用户要求而定。控制室不再设常规仪表盘，所有被监控信号都能打印记录。一般为系统安全运行起见，都设有两台热备CRT操作员站。
采用现场测量信号和实现顺序控制功能是通过可编程程序控制器PLC来实现的，顺控逻辑按用户工艺要求设计。程序系统具有自动，半自动，步操，键操，就地操作等五种操作方式，这五种操作方式可由用户根据现场运行情况相互切换，操作方便。
2.新DCS系统解决方案的提出
新建新疆某电厂在2010年初由浙江中控系统公司对DCS进行重新设计。把传统比较保守的电气操作也全部进入DCS，并将补给水PLC控制系统和气力输灰控制系统、凝结水精处理控制系统、采暖通风空调控制系统、石子煤输送控制系统、汽水取样等辅助控制系统均与DCS通讯站实现通讯连接，同时组成水系统监测控制网、灰渣系统监测控制网、采暖通风空调监测控制网和主系统控制网。全部操作均可以采用软收工操作，大大提高了自动化水平。新的DCS系统工作过程如下。
（1）建立逻辑环。网络中的每个节点都有一个唯一的标识，是由硬件跨接设定的唯一标识。每个节点在系统初始化时候确定它在逻辑环中的下一个节点，ID（1—32）。并将下一个节点的标识符保存在各自的专用寄存器NID（Next ID）中，由此就构成了一个逻辑环路。逻辑环如下图1所示。
（2）令牌的传递。令牌在逻辑环中依次从低ID节点向高ID节点传递，最高的ID节点再将令牌传递给最低的ID节点。
（3）增加节点。重构脉冲的发出是由节点加电入网后完成的，进而引起了网络的重构，目的是达到新节点入网。
（4）节点的推出。因为上一个节点将令牌向下传递的时候，得不到应答会继续向后寻找，当再次找到下一个节点的时候，就构成了新的逻辑环，因此当一个节点由于故障或者断电后退出网络时，不需要进行重构。
（5）传递信息。每个节点发送信息的条件是当其获得令牌时。若一个节点获得令牌而没有信息发送，就将令牌自动传给下一节点。
（6）接收信息。如果某节点有空闲缓冲区，则可以接收信息。节点接收到信息后首先要做的工作是对信息进行正确性校验。如果未发现错误，则返回应答，并置收到信息的标志。如果发现错误，则立即废弃该包。
整个电厂采用令牌总线协议，令牌总线协议具有很好的实用性，在网络节点增加和系统忙碌的条件下，基本能够保证信息的传输速率不变。因此，该网络具有信息流量大、效率高的特点。在节点增加或者减少的时候，能够在不影响整个系统的情况下自动完成重构设置。以上优点使其非常适合在自动控制方面的应用。
3.DCS应用预计效果及不足
浙江中控采用令牌传送技术，他们的ECS-700控制系统是基于Windows XP网络实现的，有效实现了系统的互斥及同步两方面功能。从应用情况出发，火电厂应用人员的所有操作均可通过软手操完成，系统的控制特性相对于1987年西屋公司的DCS产品功能有了显著的提升，能够显示全面的系统参数，降低了运行人员的劳动强度，有利于机组的集中监控和事故情况下的全面协调处理能力，大大提高了机组的安全经济运行性能。
虽然在电厂机组DCS功能有了一定的提高，可仍然存在一定的问题。主要有以下几点：采用的是有专利性的DCS结构；从自动控制的应用水平来看，智能化程度不高；系统的软件还需要使用软件工程的方法进行有效的管理，导致系统的可靠性下降；需强化DCS控制分散，风险分散的特点。
在总结出以上DCS特点及存在的不足之后，得到最新的DCS方案如下所示。
DCS系统应当进一步考虑网络安全问题。电厂的DCS安装在线诊断系统或者DCS系统数据进入火电厂 MIS系统时，需要包括网络资源的访问控制、身份认证、远程接入的安全性、数据传输的保密性和完整性等。
系统的核心全部装入“关系数据库管理系统”，本系统中使用专用数据库。该数据库包含系统内的所有信息，主要有：控制算法信息、报表、记录、I/O控制器原始信息和过程数据库等。专用数据库在控制系统和应用软件之间形成了一个中间层，可以很容易进入中间层通过第三方的“结构化查询语言”，这样就能够将系统中大量的原始数据加以综合编排，通过标准软件工具进行数据挖掘，得到更多有价值的信息。
采用有专利性的DCS结构。系统是一种通信量较小的令牌环网分布式系统，当通信量较大时，每站都有独立的一个发送队列，一旦某个站点传输完毕重新产生一个令牌。下一个站点就得到这个令牌，导致令牌的一次传递。DCS系统的开放性要求系统可以支持多种网络通讯协议，这样网络就可以采用标准的、市面上能够买到的网络驱动器及路由器，而不是上述专利的用户网关及用户协议等，便于扩展及维护。
采用更强有力的诊断和容错程序，能够直观确定系统存在的问题。采用软件工程的方法对DCS软件进行管理，提高软件的应用效率和质量。系统可以通过如下途径告知操作人员：音响报警器、系统部件上的颜色指示灯和系统操作人员可以迅速看到的状态界面。诊断程序通过简单的点亮指示灯来标识出有问题的部件，同时给操作人员发出报警信号。
应用分布式的功能设计。所有的重要的控制、运算和数据管理的各项操作都提供备用部件或独立的备用通道，把硬件功能分成各个独立的模块或站点，使风险分散，确保故障发生时系统能够继续运行。
4.PLC控制方案
数据采集。采集整个系统各个装置的重要工艺参数、设备运行状态等重要数据。
实时监控。对整个工艺生产过程实现实时操作、设置、控制、报警、显示等，最大限度减少值守人员。
动态仿真。对工艺流程画面实现动态模拟显示，动态跟踪工艺参数，直观了解设备运行情况。
联锁、报警。对非正常的工艺参数和设备的运行状态实施声光报警，出现危险和异常状态时对设备进行联锁保护。
流量的累积及清零。本系统对过滤器、反渗透、EDI等设备的流量计都设有流量的瞬时显示及累积功能，并且对每个累计流量均设有回零功能。
手动控制。系统可以实现手动和自动的切换，在非正常运行状态下，对每台汞设备和控制阀可以进行手动控制。
仪表控制一体化。电气设备和工艺过程的控制由一个控制系统完成，提高系统的完整性和可靠性。
三、结语
电厂的DCS系统即将通过相关部门的实用化验收，有些功能正在使用中不断完善。目前已经完成了网控电气的SCADA数据采集监控、实时信息子系统和厂级信息管理系统，有效提高了电厂的各项管理水平。
从新建新疆某电厂的一体化DCS系统解决方案的实施中，可以得到如下结论：应用DCS后，扩充了原来的系统功能，并提高了自动化水平。积极地推广应用现场总线系统，能够全面实现火电厂的数字化管理，在此基础上对系统信息进行完整的数据挖掘及整合，实现了信息的共享，提高火电厂的生产效率，大大降低了劳动强度。
参考文献：
[1]卢伯英,于海勋,译.现代控制工程(第4版)[M].北京:电子工业出版社,2007.
[2]孔凡才.自动控制原理与系统(第2版)[M].北京:机械工业出版社,2002.
[3]李子连.火电厂自动化发展综述[J].中国电力,2004,37(2):1-6.
[4]侯子良.中国火电厂自动化发展趋势及对策[J].中国电力,1999,32(10):41-43.
（责任编辑：苏宇嵬）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文