【摘 要】 iPCS分散控制系統(tǒng)是在集成美國(guó)ControlSOFT公司硬件基礎(chǔ)上開發(fā)的用于循環(huán)流化床機(jī)組控制的全冗余分散控制系統(tǒng)。特別適用于50MW、15MW、6MW容量級(jí)的機(jī)組。本文介紹其結(jié)構(gòu)、功能與性能以及在山東東山礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦電廠2×35t/h+2×6MW循環(huán)流化床機(jī)組中的成功應(yīng)用。 一、 前 言 在現(xiàn)代化大生產(chǎn)過程中，采用計(jì)算機(jī)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和自動(dòng)控制是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)先進(jìn)的表現(xiàn)。分散控制系統(tǒng)（DCS）是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)最完美的結(jié)合，是工業(yè)自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域里高新技術(shù)的結(jié)晶。 iPCS分散控制系統(tǒng)1994年開發(fā)成功，于2003年在山東東山礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦電廠2×35t/h +2×6MW 循環(huán)流化床機(jī)組投入生產(chǎn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了DAS、MCS、SCS、FSSS功能。其功能覆蓋面廣、監(jiān)視手段變化大、自動(dòng)化水平大為提高，為6MW機(jī)組DCS應(yīng)用與改造提供了有益的經(jīng)驗(yàn)。 二、 iPCS 分散控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) iPCS分散控制系統(tǒng)是在集成原裝進(jìn)口硬件的基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)產(chǎn)機(jī)組的運(yùn)行特性進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用的DCS，在模件性能、系統(tǒng)組態(tài)能力和可靠性方面均達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平。 根據(jù)熱電站和循環(huán)流化床鍋爐的工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)分為三級(jí)：現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)、過程控制級(jí)、監(jiān)控管理級(jí)。 2.1 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí) 現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的設(shè)備包括:儀表設(shè)備（傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等）；電氣設(shè)備（儀表盤、控制柜等）；工藝設(shè)備以及其他輔助設(shè)備?，F(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)是數(shù)據(jù)的直接提供和接受單元；控制層與I/O卡件柜之間采用ControlNet總線；無主令牌通訊方式，通信協(xié)議符合IEEE802.4標(biāo)準(zhǔn)。最遠(yuǎn)通訊距離可以達(dá)到6公里。通訊速率達(dá)到10MB。 2.2 過程控制級(jí) 過程控制級(jí)設(shè)備采用原裝進(jìn)口的系統(tǒng)硬件來完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、計(jì)算和回路控制、邏輯控制等?？刂破鰿PU提供包括PID調(diào)節(jié)在內(nèi)的各種控制算法，以及用于程序控制的邏輯算法?？砷_發(fā)Internet應(yīng)用程序，并且可把專家的控制經(jīng)驗(yàn)用C/C++語言寫入控制器內(nèi)，從而使得DCS的智能化程度大大提高，特別適宜于實(shí)現(xiàn)循環(huán)流化床鍋爐床溫和燃燒系統(tǒng)的智能化控制。控制器實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)串級(jí)調(diào)節(jié)、預(yù)估控制（IMC）、多變量輸出協(xié)調(diào)控制（CC）、雙變量輸入三個(gè)控制輸出的解耦控制（MMC）、比值調(diào)節(jié)、程序控制、時(shí)序控制和順序控制等各種控制方式；以及正、反作用選擇；參數(shù)跟蹤；防積分飽和；分段線性化；手/自動(dòng)切換等功能?？刂浦芷谛∮?秒并可以調(diào)整。 控制級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開放式分層分布式結(jié)構(gòu)?？刂破魍ㄟ^以太網(wǎng)向監(jiān)控管理級(jí)的計(jì)算機(jī)傳送數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)的各類儀表進(jìn)行通訊?，F(xiàn)場(chǎng)控制層網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過控制器與操作站層相連。在操作站層失效的情況下，控制層仍能獨(dú)立正常工作。控制層、操作站層網(wǎng)絡(luò)非常安全可靠，具有足夠的抗電磁干擾能力和防毒能力。且具有相當(dāng)強(qiáng)大的管理能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)能自動(dòng)選擇、協(xié)調(diào)、以及自動(dòng)監(jiān)測(cè)；并且具有遠(yuǎn)程診斷功能；通訊網(wǎng)絡(luò)是冗余配置?？刂茖优cI/O卡件柜之間采用ControlNet總線，最遠(yuǎn)通訊距離可以達(dá)到6公里。通訊速率達(dá)到10MB。控制層與操作站層之間及整個(gè)操作站層均采用以太網(wǎng)通信；通訊速率10/100MB；符合TCP/IP協(xié)議。 控制器采集遠(yuǎn)程I/O卡件箱提供的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程I/O卡件箱最遠(yuǎn)距離可達(dá)6公里。I/O卡件采集來自現(xiàn)場(chǎng)的各種模擬量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及各種開關(guān)量的數(shù)，完成對(duì)信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換、濾波、線形化、補(bǔ)償及報(bào)警等處理功能。。 控制器采取1：1冗余配置方式；主機(jī)服務(wù)器、電源模件和所有通訊系統(tǒng)均采用1：1冗余。DCS系統(tǒng)的DAS、MCS、SCS均由100%冗余控制器來控制；并且，控制器的后備電池可以保存控制狀態(tài)數(shù)據(jù)144小時(shí)以上。電源采用冗余配置；因此電源故障屬系統(tǒng)的可恢復(fù)性故障。如果全廠停電，一旦重新受電，控制站能自動(dòng)恢復(fù)正常工作而無需運(yùn)行人員的任何干預(yù)?？刂破骺梢栽诓恢袛嗾谶\(yùn)行的程序或?qū)⒖刂妻D(zhuǎn)換之后備處理器的情況下，具有在線編程和修改的能力，新的控制功能塊可以插入正在運(yùn)行的程序中的任何位置，在1秒鐘的時(shí)間內(nèi)傳送到告訴工路上所有的操作員。 2.3 監(jiān)控管理級(jí) 監(jiān)控管理級(jí)的設(shè)備采用美國(guó)DELL公司原裝進(jìn)口高可靠性的工業(yè)計(jì)算機(jī)以及純平特麗龍高分辨率高清晰度低輻射鏡面彩色圖形顯示器。監(jiān)控級(jí)的系統(tǒng)軟件使用中文Windows NT4.0桌面操作系統(tǒng)和人機(jī)界面?？梢栽诰€進(jìn)行編程組態(tài)的修改；可以在線進(jìn)行故障部件的維修和更換；系統(tǒng)具有自診斷功能，一直可以診斷到I/O卡件級(jí)的每一點(diǎn)。歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)可以達(dá)到5000個(gè)實(shí)時(shí)點(diǎn)；可以保存大于3000天的歷史數(shù)據(jù)。除此之外，還可以顯示各種形式動(dòng)態(tài)模擬圖；各種趨勢(shì)記錄圖；以及總貌顯示、組畫面、回路畫面、報(bào)警畫面顯示；還有各種報(bào)表記錄和各種報(bào)警記錄等等。 在監(jiān)控級(jí)工作站間以及與過程控制級(jí)間采用以太網(wǎng)通訊，通訊速度可達(dá)10M/100Mb/s。上位機(jī)可將DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)以中文字符和動(dòng)態(tài)圖形的方式顯示出來，操作員可在工作站上通過鍵盤和鼠標(biāo)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，并有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、報(bào)警和報(bào)表打印等功能。 ■ 操作員站的任務(wù)是顯示和控制機(jī)組、輔機(jī)的運(yùn)行工況,并對(duì)運(yùn)行工況進(jìn)行監(jiān)視。其基本功能如下： ——顯示全部的過程變量及有關(guān)參數(shù) ——操作所有控制回路的參數(shù)，如改變?cè)O(shè)定點(diǎn)、工作方式、回路輸出、調(diào)整PID參數(shù)等 ——顯示操作指導(dǎo)，完成操作功能 ——建立趨勢(shì)畫面并獲得趨勢(shì)信息 ——報(bào)警顯示，打印報(bào)警、報(bào)表 ——控制驅(qū)動(dòng)裝置 ——自動(dòng)和手動(dòng)控制方式的選擇及手動(dòng)遠(yuǎn)程控制 ——調(diào)整過程設(shè)定值和偏置等，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的人工干預(yù) ——顯示系統(tǒng)中所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài) ——有一操作員站具有工程師站功能，通過密碼進(jìn)行保護(hù)。 ■ 工程師站 是系統(tǒng)工程師進(jìn)行程序開發(fā)、控制組態(tài)、數(shù)據(jù)庫及報(bào)表的生成、畫面的編輯及修改、組態(tài)數(shù)據(jù)和畫面的下載打印、系統(tǒng)診斷、維護(hù)管理等，通過設(shè)置密碼進(jìn)行保護(hù)。 工程師具備以下主要功能： ——具備操作員站的一切功能，在操作員戰(zhàn)異常的情況下，分配給操作員操作權(quán)限， 對(duì)各裝置進(jìn)行控制和監(jiān)視。 ——支持通用的編程軟件，以幫助用戶維護(hù)和修改數(shù)據(jù)庫，編制應(yīng)用程序。 ——在線和離線的數(shù)據(jù)庫定義（即組態(tài)、下載等），并支持單通道的數(shù)據(jù)在線下裝。 ——系統(tǒng)流程圖畫面的制作。 ——報(bào)表的生成 ——數(shù)據(jù)及組態(tài)的備份（即拷貝、定期存儲(chǔ)到軟盤、磁帶，以及將數(shù)據(jù)刻錄到光盤等）。 ——文件/程序管理 三、 系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)： ■ 系統(tǒng)可用率：99.9% 系統(tǒng)精度： 輸入信號(hào)： 小于 ± 0.1% 小于± 0.2% 輸出信號(hào)： 小于± 0.25% ■ 事故順序記錄分辨率： 1毫秒 ■ 抗干擾能力： 共模電壓 ≥ 250V 共模抑制比 ≥ 120Db 差模電壓 60V 差模抑制比 ≥ 60Db ■ 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和響應(yīng)速度 數(shù)據(jù)庫刷新周期：小于1秒 畫面更新時(shí)間：1秒、0.5秒 控制器工作周期： 模擬量控制：小于0.18秒 數(shù)字量控制：小于0.1秒 鍵盤指令到返回執(zhí)行時(shí)間：小于2秒 四、山東東山礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦電廠循環(huán)流化床鍋爐的基本控制策略 針對(duì)山東東山礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦電廠循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際情況，DCS采用成熟可靠的控制方案；配置完善周密的連鎖保護(hù)報(bào)警措施，確保機(jī)組安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 <1> 循環(huán)流化床鍋爐的床溫控制是整個(gè)燃燒控制的關(guān)鍵，DCS系統(tǒng)充分考慮影響床溫的5大因素， 綜合成一個(gè)完善的智能化的多變量控制方案。 <2> 循環(huán)流化床鍋爐的床壓控制受到鍋爐負(fù)荷和床溫的雙重因素影響，DCS 系統(tǒng)充分考慮負(fù)荷和 床溫的影響來控制床渣排放開度。 <3> 循環(huán)流化床鍋爐的石灰石流量控制是確保煙氣中有害氣體S02和N0x排放達(dá)到環(huán)保要求的 關(guān)鍵，DCS系統(tǒng)采用智能化的配比控制來確保循環(huán)流化床鍋爐煙氣排放正常。 <4> 循環(huán)流化床鍋爐的點(diǎn)火啟動(dòng)是操作運(yùn)行中最大的難點(diǎn)，DCS系統(tǒng)充分發(fā)揮分散控制系統(tǒng)強(qiáng)大的 控制功能，按照預(yù)定的升溫曲線實(shí)現(xiàn)鍋爐的床下點(diǎn)火投油，并使循環(huán)流化床鍋爐逐步進(jìn)入流態(tài)， 當(dāng)床溫升至到600～800℃時(shí)逐步投放燃料（劣質(zhì)煤）并讓循環(huán)流化床鍋爐逐步帶負(fù)荷的正常運(yùn)行。 <5> 循環(huán)流化床鍋爐點(diǎn)火時(shí)有大量的手動(dòng)操作，DCS系統(tǒng)配置完善的軟硬件手操供運(yùn)行人員使用； 為防止運(yùn)行人員誤操作，DCS系統(tǒng)在重要操作回路有完善的連鎖保護(hù): a.汽包水位過高或過低時(shí)，即使運(yùn)行人員在誤操作，DCS系統(tǒng)不予響應(yīng)；并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; b.主汽壓力過高或過低時(shí)，即使運(yùn)行人員在誤操作，DCS系統(tǒng)不予響應(yīng)。并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; c.主汽溫度過高或過低時(shí)，即使運(yùn)行人員在誤操作，DCS系統(tǒng)不予響應(yīng)。并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; e.床層溫度過高或過低時(shí)，即使運(yùn)行人員在誤操作，DCS系統(tǒng)不予響應(yīng)。并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; f.爐膛壓力過高或過低時(shí)，即使運(yùn)行人員在誤操作，DCS系統(tǒng)不予響應(yīng); 并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; 五 、山東東山礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦電廠iPCS分散控制系統(tǒng)的特點(diǎn) I/O模件為全封閉，電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，避免了灰塵、煤粉、鹽霧、潮氣、電磁干擾對(duì)模件的侵害，提高了系統(tǒng)的可靠性。 模件本身功耗低，發(fā)熱量小，對(duì)環(huán)境溫度的要求不高，從本質(zhì)上提高了系統(tǒng)的壽命和平均無故障時(shí)間。控制器的平均無故障時(shí)間可達(dá)到200000小時(shí)以上。 控制器允許的直流供電電壓范圍大，允許其主電源（24VDC）在18～36V變化范圍內(nèi)工作，緩解了對(duì)UPS電源的依賴性。 DCS接地直接與電廠電氣主接地網(wǎng)相聯(lián)，符合"工業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)抗干擾技術(shù)規(guī)范"（CECS 81：96）的要求，避免了多點(diǎn)接地引起的弊病。 在山東東山礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦電廠運(yùn)行至今硬件損壞率為零。系統(tǒng)抗干擾性強(qiáng)，可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。應(yīng)用軟件采用圖形化組態(tài)方式，易于掌握，操作簡(jiǎn)便，具有良好的人機(jī)界面及全漢化顯示。 六、 iPCS系統(tǒng)在山東東山礦業(yè)集團(tuán)古城煤礦電廠2×35t/h +2×6MW 循環(huán)流化床機(jī)組的應(yīng)用情況 采用iPCS分散控制系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，各子系統(tǒng)功能均運(yùn)行正常，自動(dòng)投入率高及可用率較高，自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良。