摘要:论述了目前,面向算法的dcs控制方案的局限性,随着dcs软件、硬件技术的发展以及现场数据总线技术的推广使用,面向对象的dcs控制方案在火力发电厂自动控制系统中应用的必要性和优越性。
关键词:dcs控制方案;dcs软件;硬件技术
1面对算法的控制方案的局限性
目前这种面对算法的控制方案面临着很大的挑战,主要是安全方面的问题。dcs系统的安全问题集中表现在两个方面:一是由于被控设备的集中,影响系统的可靠性,mcs系统基本上集中了整台机组的可调整执行机构的控制,虽然dcs 硬件、软件的可靠性很高,但系统供电、网络的可靠性并没有相应提高、人为误碰、接地、短路等故障的发生并没有大幅度减少,因此,一个模件机柜内的故障,哪怕是一块模拟量输出板故障都可能造成一大片就地设备的不可控。二是网络安全方面,在火电厂热力系统中,存在三块相对独立的子系统:风烟系统(从送风机到引风机)、燃烧系统(从一次风机到燃烧器)、汽水系统(从凝汽器到汽包再到凝汽器)。这些系统中,一些联系紧密的设备被人为地划到不同的控制系统中,造成各个单元处理器之间通过网络交换的数据量很大。以过热器减温为例,一般一个调节阀都串接一个关断阀,按传统的划分方式,调节阀执行机构的控制在mcs中,关断阀的控制在scs中。假如有以下控制逻辑:当调节阀开度小于5时,全关关断阀;当开度大于5时,开关断阀;当蒸汽过热度降低到一定时,立即全关关断阀;当mft发生时,关关断阀置调节阀输出为零。在这其中,就有调节阀开度、mft信号、过热度等需要从网上传输。随着控制经验的积累,控制逻辑越来越复杂,mcs、scs、fsss之间的信号交换量大幅度提高。日益提高的网络数据交换量和系统可靠性的要求,正呼唤面向对象的控制方案早日实施。
2面向对象的控制方案的先进性
面向对象的控制方案就是面向被控制对象,是与面向算法(功能)相对立的。它指在划分dcs的子系统时,并不将各种算法相似的控制对象划分到一起,而是按热力系统的子系统,即我们通常所说的被控对象划分成一个个的系统。
采用面向对象的控制方案可以降低dcs系统的成本,在传统的按算法划分的dcs 系统为尽可能提高系统的可靠性,减少网络数据交换量,大规模地采用盘间硬接线,某厂一台2003年12月投产的机组,mcs、scs、fsss系统之间就 使用84对硬接线,一对硬接线就需要一根电缆、一个输入通道、一个输出通道,光硬件方面的投资就达3000元,耗费相当可观。另外,由于按算法划分控制系统人为地增加了系统的复杂程度,网络数据交换量大,浪费了单元处理器的能力,增大了硬件投资。如国内某厂商是按算法划分系统,一台300mw机组一般有十七、八对,甚至高达二十对单元处理器,而国外某厂商是按对象划分系统,一般不超过七对单元处理器,虽然二者的单元处理器功能强弱不同,但其主要是依靠减少 网络通讯量和优化算法来实现的。在火力发电厂除机、炉、电等主系统以外,还存在一些外围辅助系统,如循环水、化学水处理、除渣除灰、输煤配煤等,这些系统目前仍广泛采用plc和组装仪表,控制水平一般。假如采用dcs系统,则不需要将其归s入scs或mcs等系统,可以针对每个系统,如水、灰、煤等来划分控制方案,这样可以提高全厂控制水平,还可利用一套dcs数据共享的优点,为在集控室远程监控辅助设备创造条件。同样面向对象的控制方案还可以使dcs小型化,为dcs系统应用于小火电机组或风力发电机组创造条件。例如在采取母管制的热电厂,可以把一台锅炉、一台汽机当成一个对象来设计dcs系统,这样消除了按算法划分系统各对象相互干扰而难以处理的情况。
面向对象的控制方案还可以为现代控制理论的推广创造条件,提高火电厂控制水平。近一、二十年来,现代控制理论在其他行业得到了很好应用,而在火电控制上基本上仍然采用经典控制理论方法和pid控制算法为主。其实在火电厂的一些系统中,也存在强耦合、非线性、大滞后、复杂的外界扰动或信号难以测量等问题,迫切需要新的控制理论。目前按算法划分的dcs系统控制方案阻止了新技术的应用。在新机组的设计过程中,dcs厂商负责整台机组的逻辑和组态,而主设备厂商只提供了设备安装了哪些执行机构、测点及保护定值,对于逻辑,一般只提供一些原则性的东西。因此,近十年来,同类型的火电机组其dcs逻辑组态大同小异,dcs厂商和主设备厂商对应用新的控制理论都没有积极性。假如说以前是硬件制约了火电机组的自动化水平,现在则是软件的发展已大大落后于硬件的进步。破解这一困局的办法是在dcs系统中采用面向对象技术,对于每一个子系统,dcs厂商只规定一些外部接口,将控制逻辑的设计任务交由主设备生产商负责,究竟,生产商对于自己的设备有更多的经验和信息,控制逻辑将更加完善和可靠,一些新的控制理论也得到推广和利用。当然主设备厂商并不需要做一个自己的控制系统,它只要以知识产权的方式提供控制逻辑就行。以后衡量一个主设备的好坏,不仅仅指其机械和热力性能,还应包括一个完善和可靠的控制方案。对dcs厂商来说,采用面向对象技术将机组这个大系统分割成一个个与被控对象相对应的子系统,有了各个子系统的控制方案(主设备厂商提供或以前做好的模板),就可以象搭积木一样组成整台机组的控制系统。
现场数据总线技术(fcs)的发展,使面向对象的控制方案成为必然。现场数据技术是适应于控制设备分散的要求,随着仪表和执行机构的智能化和测控一体化而发展起来的一门新技术,在fcs技术的发展初期,其应用于机组的一部分被控对象相对应的子系统,也就是说dcs个别系统将采用fcs技术(以后完全由fcs组成机组的控制系统也有可能),fcs技术的应用,将控制放到了就地设备一级上。一台变送器,不仅有测量功能而且具有pid控制算法,甚至还可以完成无扰切换、跟踪、信号的三取二等逻辑算法,dcs单元处理器将成为多余,当然就成了完完全全的面向对象的控制系统了。
其实,以面向对象来划分系统在dcs的设计中早已存在,最具代表性的以对象为基础的控制系统就是deh(汽轮机数字式电液调节系统)。由于液压调节系统从汽轮机产生之初就存在了,随着控制技术的进步,人们逐步用电信号代替了液压信号,用可靠的电子传感器代替了机械传感器,用电子元件逻辑算法代替了各种液压控制块,这就产生了deh。deh诞生的那一天,就是一个面向对象的控制系统,由于汽轮机是一个非常复杂的被控对象,假如将其模拟量控制和开关量控制分开,各设计一个系统,其复杂程度是难以想象的。deh由于采用面向对象技术,一般由汽轮机制造商设计完成,也有由dcs厂商生产的deh,但其控制效果有一定的差距。可以毫不夸张地说,目前deh是火力发电机组中控制效果最好的一套控制系统。虽然能够达成好的效果有多方面原因,但其面向对象技术的应用无疑是其根本原因,deh的成功应用,为在整台机组中成功采用面向对象的控制方案提供了成功的示例。
3结语
随着dcs技术的发展,模拟量控制与逻辑控制之间的壁垒早已打破,面向算法的控制方案已不适应机组自动化水平发展的要求,然而面向对象的控制方案却没有引起足够的重视,主要还是人们主观意识中的思想壁垒没有打破,dcs设计中有些保守,仍然固执地延续原有的控制系统的划分方案。一个很典型的例子就是das系统,现在dcs大多采用的网络结构,任何一个系统中的输入信号都可以实现数据共享,独立的das已完全没有必要,然而许多新机组的dcs设计仍然保留了一个das系统。面向对象的控制方案的推广存在的另一个障碍是现有的大多数设计规范和标准都是按面向算法编写的,假如一下子全面采用面向对象技术,可能有些不适应。解决这些问题的方法,一是要解放思想,遵循火电机组控制的客观规律;二是逐步推广,首先解决矛盾最大的scs系统与mcs之间的不适应现象,逐步按风烟系统、汽水系统来划分,然后再推广到fsss和mcs,解决燃烧系统的矛盾,这样既适应机组自动控制发展的要求,又做到了循序渐进、平稳过渡。
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