1、引言

　　隨著電力改革進入關鍵階段，減員增效、提高電廠信息集成化和自動化水平已經(jīng)成為各發(fā)電企業(yè)的共識。而各發(fā)電企業(yè)在不斷提高主控系統(tǒng)的自動化水平的同時，也要大力著手提高輔助公用系統(tǒng)的自動化水平，從而提高電廠整體水平，使主控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)都處在最佳的運行環(huán)境中，因此提高輔助系統(tǒng)的自動化水平(特別是那些比較老的、自動化程度不高的電廠)已經(jīng)成為當務之急。

　　華祥熱電有限公司輸煤控制系統(tǒng)處于起步階段，除了輸煤皮帶采用plc實現(xiàn)順序控制，上煤、配煤、碎煤、除塵等工序由于設備更新不到位，設備的陳舊引起煤的跑、冒、滴、漏，影響自動化水平的提高。這次改造使用了和利時公司的dcs系統(tǒng)，使輸煤系統(tǒng)的控制功能更加完善，實現(xiàn)了計算機控制，極大的提高了神頭第一發(fā)電廠的自動化水平。整個系統(tǒng)如附圖所示。

　　2、硬件系統(tǒng)介紹

　　本系統(tǒng)采用北京和利時系統(tǒng)工程股份有限公司的macs 分布式dcs(distributed control system)控制系統(tǒng)平臺，完成華祥熱電有限公司輸煤系統(tǒng)改造技術要求所規(guī)定的模擬量控制(mcs)、順序控制(scs)、數(shù)據(jù)采集(das)等功能，并負責與其他供應商所供儀表和控制系統(tǒng)之間接口的設計及供貨工作，如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)圖

　　macs是基于客戶/服務器(client/server)體系結構的大型分布式控制系統(tǒng)，從邏輯結構上分為現(xiàn)場采集控制級，中央處理級和操作級。、

　　針對神頭發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)的工藝概況描述進行分散控制系統(tǒng)的配置，根據(jù)系統(tǒng)的要求，macs硬件配置如下：1個配電柜;1個工程師站;2臺操作員站;2個服務器;1個i/o控制站;2個擴展柜。

　　配電柜用來給macs系統(tǒng)的各個設備進行電源分配和供電。主控制室2臺操作員站實現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、控制操作、數(shù)據(jù)采集等功能，通過設置密碼限制不同級別人員操作。操作員可通過鍵盤和鼠標實現(xiàn)操作功能。服務器用來對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行管理、存貯和任務調(diào)度和歷史數(shù)據(jù)存貯。工程師站平時運行時可作為系統(tǒng)管理操作站，進行全程監(jiān)控。同時用于系統(tǒng)組態(tài)、程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫及畫面的編輯和修改等工作。采集控制柜包括機柜、電源、主控單元和過程i/o單元等主要配套設備，電源、主控單元均采用冗余配置方式。主控單元和過程i/o單元之間通過現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡cnet連接起來，構成一個邏輯上完整的數(shù)據(jù)采集控制站。主控單元主要完成以采集控制站為中心的相對集中的數(shù)據(jù)處理和控制運算工作;過程i/o單元為智能化結構，主要完成與現(xiàn)場信號的連接以及與本模塊相關的i/o處理工作。

　　2.1 現(xiàn)場總線

　　macs系統(tǒng)現(xiàn)場控制站內(nèi)采用國際上最流行的現(xiàn)場總線profibus-dp來連接主控單元和i/o單元。profibus-dp是專門為自動控制系統(tǒng)與在設備級分散i/o之間進行通訊而設計的。既可滿足高速傳輸，又有簡單實用、經(jīng)濟性強等特點。

　　profibus-dp符合en50170標準，拓撲結構為總線式，在總線兩端有有源總線端接器。最大節(jié)點數(shù)為127，其中每個分段上最多可接32個節(jié)點，各段可通過中繼器相連。傳輸速率9.6kbps～12mbps，與每段距離有關。當距離在100米內(nèi)時，可達12mbps。通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纖。

　　2.2 主控單元

　　主控單元是現(xiàn)場控制站的中央處理單元，主要承擔本站的部分信號處理、控制運算、與上位機及其它單元的通訊等任務。它是一個高性能的工業(yè)級中央處理單元，采用模塊化結構，主控單元可以熱備份方式冗余使用。主控單元cpu 采用pentium ii芯片，主頻 233mhz以上;內(nèi)存為32m(db)，2msram(帶掉電保護)。

　　2.3 輸入輸出單元

　　過程輸入輸出單元(i/o單元)是完成與現(xiàn)場信號的連接、對輸入信號進行的采集與轉換、對輸出信號進行限幅等處理的智能單元。模塊采用智能化設計和看門狗定時、多級隔離、自動診斷、輸出回饋以及系統(tǒng)故障時輸出自動切換到安全狀態(tài)等可靠性措施。

　　過程輸入輸出單元根據(jù)功能分為模入、模出、開入、開出和脈沖量處理、回路控制幾類。其中模入、模出單元可冗余配置，以保證重要信號能得到可靠處理。

　　單元采用模塊化結構，通常由模塊主體和底座兩部分組成。模塊主體由外殼和內(nèi)部模板組成，一般有兩塊板，一塊為cpu板，另一塊為i/o處理板。 底座為無源底板，起連接信號、固定模塊主體、并為模塊主體供電等作用。

　　3、硬件系統(tǒng)性能分析

　　3.1 中央處理單元負荷

　　對現(xiàn)場控制站cpu和操作員站的cpu負荷率一般采用實測結果，采用這種體系結構可以保證在滿配置的繁忙工況下的現(xiàn)場控制站負荷率低于60%，操作站負荷率低于40%。

　　3.2 電源負荷分析

　　每個過程i/o模塊采用了低功耗設計技術(如盡量采用低功耗的cmos集成電路、低電壓供電等)，使每個現(xiàn)場控制站機柜在滿配置的情況下，總的電源消耗不超過50%。每個i/o模塊的額定輸入功率小于2w。在滿配置時，機柜容量為50個i/o模塊，總電源功耗為200w(=2w×50個i/o模塊+50 w×2個冗余主控模塊)，電源模塊的輸出功率為450w，電源的負荷為44.4%(=200 w/450w)。本計算是針對單電源模塊時i/o站機柜滿配置的計算結果。

　　3.3 內(nèi)存和外存余量分析

　　本系統(tǒng)現(xiàn)場控制站配34m內(nèi)存，實際占用2.5mb，余量為92.6%;現(xiàn)場控制站不需要外存;操作員站內(nèi)存和外存余量大于50%;服務器內(nèi)存為256mb，實際使用8～16mb，余量大于93%;外存一般配20g硬盤，實際使用小于1g，余量大于90%。

　　3.4 網(wǎng)絡負荷分析

　　(1) 控制網(wǎng)絡負荷分析?？刂凭W(wǎng)絡采用profibus-dp協(xié)議，prof ibus-dp采用輪巡的傳輸協(xié)議，假設一個系統(tǒng)有n個dp設備，通訊時系統(tǒng)主站首先對#1從站(#1dp設備)發(fā)出一個請求，#1從站根據(jù)請求返回數(shù)據(jù)，接著主站對#2從站發(fā)出一個請求，#2從站根據(jù)請求返回數(shù)據(jù)……，主站對#n從站發(fā)出一個請求，#n從站根據(jù)請求返回數(shù)據(jù)，主站對#1從站(#1dp設備)發(fā)出一個請求，#1從站根據(jù)請求返回數(shù)據(jù)……。系統(tǒng)一直不停的輪巡所有設備。

　　我們考慮系統(tǒng)輪巡一遍設備所用的時間，系統(tǒng)可配置成八種通訊速率，我們按照1.5mbps進行分析：

　　每秒鐘通訊字節(jié)數(shù)1500000÷8=187500 byte字節(jié)

　　按現(xiàn)場控制站的應用軟件通訊協(xié)議，查詢幀為4個byte，模擬量模件、脈沖量模件的幀為20(頭3位，數(shù)據(jù)16位，crc校驗1位)byte，開關量模件的幀為6(頭3位，數(shù)據(jù)2位，crc校驗1位)byte，而每個現(xiàn)場控制站的dp主卡的雙口ram包括輸入3584 byte、輸出3584byte，每個現(xiàn)場控制站理論上可以帶125個dp模塊，主站與從站的握手協(xié)議包括診斷不大于20 byte。

　　因此，每一次輪巡的最大通訊量為：

　　3584+3584+125*20=9668byte

　　9668/187500=5.15%

　　可見，控制網(wǎng)絡即使在全部測點按照最快掃描周期并且在極限傳輸量情況下，也處于十分空閑狀態(tài)。因此profibus-dp的負荷率完全滿足使用要求。

　　(2) ethernet網(wǎng)絡負荷分析。ethernet 通信采用tcp/ip協(xié)議，通訊有發(fā)送和確認控制。幀控制信息開銷=12(幀間距)+8(同步碼)+18(幀首、尾)+24(ip包首部)+24(tcp包首部)=86byte。由協(xié)議可知：

　　用戶數(shù)據(jù)平均包長=1452(最大用戶數(shù)據(jù)包長)/2=726byte，則：

　　平均用戶數(shù)據(jù)利用率=用戶數(shù)據(jù)平均包長/(發(fā)送幀控制信息開銷+確認幀控制信息開銷+用戶數(shù)據(jù)平均包長)=726/(86+86+726)=80.85%

　　由上述分析可知，此dcs系統(tǒng)可以滿足穩(wěn)定的控制要求，硬件系統(tǒng)有較大的冗余量，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　4、控制系統(tǒng)的功能實現(xiàn)

　　4.1 上煤路線的選擇

　　由于華祥熱電有限公司的輸煤皮帶系統(tǒng)比較復雜，主要體現(xiàn)在輸煤皮帶的上下級關系比較復雜。系統(tǒng)由35條皮帶組成，給三個單元的原煤倉上煤。例如有如下上煤路線：

　　一單元上煤路線：

　　(1) #0甲皮帶→#5甲皮帶→#7甲、乙皮帶→犁煤器→煤倉。

　　(2) 推煤機→#0乙側皮帶(#1、#2輪斗機)→#8甲側皮帶→#2甲側皮帶→#1碎煤機→給料帶反轉→#3皮帶→#5甲、乙側皮帶→#7甲、乙側皮帶→犁煤器→煤倉。

　　(3) 翻車機#1、#2給料帶→#1甲、乙皮帶→#2甲側皮帶→#1碎煤機→給料帶反轉→#3皮帶→#5甲、乙側皮帶→#7甲、乙側皮帶→犁煤器→煤倉。

　　由上面的路線可知，系統(tǒng)的上煤路線較復雜，所以我們采用了首先選擇上煤終點，按由后向前的順序選擇上煤路線，直到選擇上煤起點。另外，我們也給出了幾條最優(yōu)的上煤路線，供用戶進行方便快速的選擇。

　　4.2 手動與自動方式

　　系統(tǒng)的啟動和停止方式可以為手動和自動方式。當在系統(tǒng)圖上選擇運/配煤設備后、并接收到相應的設備“準備好”信號;所有指示表明可以啟動時，操作人員通過系統(tǒng)啟動命令來啟動運/配煤系統(tǒng)。當不允許啟動或所選設備無效時，內(nèi)部連鎖能防止任何設備啟動。當“系統(tǒng)停止”命令輸入鍵盤時，系統(tǒng)按正常清除順序停止，或當出現(xiàn)危害人身、設備時，系統(tǒng)應立即停止。自動方式為主要的運行方式，運行人員應能選擇一個完整和合適的路徑，以便將煤運送到煤倉。

　　4.3 連鎖功能的實現(xiàn)

　　手動方式中，除了運行人員必須按照正確順序通過鍵盤上的啟動/停止命令來啟動和停止各個設備，系統(tǒng)也應象自動方式一樣完全連鎖。以確保運行人員按正確的順序來啟動和停止所有設備。啟動上煤設備優(yōu)先啟動碎煤機，啟動時按逆煤流方向，從最后一條皮帶(及相關設備)開始一次啟動。直到第一條皮帶(及相關設備)啟動后才開始供煤;停運時按順煤流方向，先停供煤設備，然后從第一臺至最后一臺設備依次停止，最后停止碎煤機運行。

　　4.4 自動加倉功能的實現(xiàn)

　　自動加倉功能主要是應用了功能塊圖和st(結構化文本)編寫的程序來實現(xiàn)的。其中主要有比較邏輯、與邏輯、或邏輯，還有分支結構語句，通過現(xiàn)場運行，能按預定目標實現(xiàn)自動加倉功能。

　　(1) 根據(jù)鍋爐對每個煤倉的加倉要求，加倉前由運煤控制室的值班人員調(diào)出加倉畫面，同時通過鍵盤輸入給定加倉指令，實現(xiàn)自動加倉配煤。主要實現(xiàn)了分單元加倉功能。

　　(2) 加倉開始，先依次給出現(xiàn)超低煤位倉配煤，直至消除煤倉的所有低煤位信號。

　　(3) 所有的低煤位信號消失后，再進行順序配煤，當倉滿后轉到下一個煤倉進行順序配煤，直到所有的煤倉滿為止。

　　(4) 順序配煤過程中，如果又出現(xiàn)超低煤位、低煤位倉，則停止原煤倉順序加倉程序，優(yōu)先為超低煤位、低煤位倉配煤，消除超低煤位、低煤位，再轉入順序加倉程序。

　　(5) 當全部煤倉出現(xiàn)滿煤位信號(并報警)后，程序自動停機并把皮帶上的余煤均勻分配給各煤倉。

　　(6) 在配煤過程中能自動跳過滿倉、高煤位倉、超高煤位倉及檢修倉。

　　(7) 配煤的尾倉設定、檢修倉設定均通過上位機進行設定，加倉時尾倉及其后方煤倉均不允許配煤。

　　5、界面顯示

　　界面上主要實現(xiàn)了控制方式設置和流程選擇菜單，運煤工藝流程圖，實時運煤系統(tǒng)運行圖，設備狀態(tài)顯示圖，歷史數(shù)據(jù)顯示畫面，故障報警一覽表，皮帶機的運行顯示，煤倉煤位的顯示，各皮帶、碎煤機、輪斗機電機電流的顯示，整個輸煤系統(tǒng)的各個需要監(jiān)視的部分均能在操作員站上顯示出來，可以很好的防止輸煤事故的發(fā)生，極大的提高了輸煤系統(tǒng)的自動化水平。

　　6、結束語

　　將dcs系統(tǒng)應用到華祥熱電有限公司的輸煤程控系統(tǒng)中，可以很好的發(fā)揮dcs系統(tǒng)的優(yōu)勢，將輸煤系統(tǒng)需要監(jiān)視的模擬量、開關量集成到整個控制系統(tǒng)中，監(jiān)視皮帶的電機電流的變化，實現(xiàn)皮帶上下級的連鎖功能，實現(xiàn)自動加倉功能，提高了該電廠的自動化水平，也為將來廠級網(wǎng)絡的互連準備了充分的條件。