淺述現(xiàn)代電廠自動控制系統(tǒng)的發(fā)展
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摘要：本文從分散控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和行業(yè)需求出發(fā)，結(jié)合已經(jīng)成熟的技術(shù)，分析預見了先進DCS系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展方向以及各種已經(jīng)成熟的技術(shù)和標準在DCS中應用。
論文關(guān)鍵詞：需求,OPC,模糊PID,一體化
1 DCS產(chǎn)品現(xiàn)狀
當前各廠家的DCS基本包括：至少各一臺現(xiàn)場控制站、操作員站、工程師站（也可用操作員站兼做工程師站）和一條系統(tǒng)網(wǎng)絡，如圖 1。此外，還可擴充專門功能站、生產(chǎn)管理和信息處理功能的信息網(wǎng)絡、及實現(xiàn)現(xiàn)場儀表、執(zhí)行機構(gòu)數(shù)字化的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡。控制站是系統(tǒng)中直接與現(xiàn)場進行 I/O 數(shù)據(jù)采樣、信息交互、控制運算、邏輯控制的核心單元，完成實時控制功能，并實現(xiàn)各種 I/O 接口。
圖1 典型的DCS拓撲結(jié)構(gòu)
控制站通過工業(yè)以太網(wǎng)與工程師站、操作員站等交換信息，采集控制站信號并通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到工程師站、操作員站，工程師站、操作員站將系統(tǒng)組態(tài)信息通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送到控制站。
2 發(fā)電企業(yè)的需求
隨著我國煤炭價格持續(xù)增長，煤電聯(lián)動響應不足，電價市場化定價機制遲遲不能確定的行業(yè)背景下，發(fā)電企業(yè)對生產(chǎn)現(xiàn)場的控制和把握有了更高的要求，生產(chǎn)成本的嚴格控制要求自動化程度更高，生產(chǎn)崗位減少，生產(chǎn)人員人均控制裝機容量增加，這就要求DCS系統(tǒng)的核心單元要有更為先進的控制算法，先進的專家PID算法，模糊PID算法以適應類似于循環(huán)流化床鍋爐這種更經(jīng)濟鍋爐的本身的大延遲，變工況的屬性。生產(chǎn)決策必須及時就要求生產(chǎn)控制系統(tǒng)、廠級信息系統(tǒng)和協(xié)同管理系統(tǒng)一體化。隨著國家對智能電網(wǎng)的發(fā)展的提倡，要求各大發(fā)電站的調(diào)峰、二次調(diào)頻能力更強，AGC投切率更高且能適應先進的實時的潮流計算，并且要求大電站的DCS系統(tǒng)有更為穩(wěn)定的協(xié)調(diào)控制方案和調(diào)節(jié)能力以應對負荷擾動，現(xiàn)如今的電企較之以前，生產(chǎn)設(shè)備調(diào)整周期更短，要求DCS要組態(tài)靈活方便，而且更嚴格執(zhí)行IEC61131語言標準，便于升級換代�；诖朔N種形勢，各生產(chǎn)廠家均
3 發(fā)展方向
1軟件數(shù)據(jù)接口更加多樣化
軟件工業(yè)的發(fā)展使各種系統(tǒng)兼容在軟件層面實現(xiàn)成為可能，今后的DCS為滿足廠區(qū)各種不同系統(tǒng)之間的通信，將會引入或執(zhí)行各種協(xié)議或標準。如現(xiàn)有的各大DCS廠家均已支持OPC、ODBC等協(xié)議。
�。�1）OPC標準：OPC標準的制訂，使所有的工業(yè)軟件產(chǎn)品間的通信連接問題變得簡單，它提供了一種軟件的總線形式，任何一種設(shè)備只需提供一種驅(qū)動就可以供任何DCS軟件系統(tǒng)使用，應用程序(OPC Client)只需知道如何從OPC數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，設(shè)備的驅(qū)動程序(OPC Server)只需知道如何以簡單的格式提供數(shù)據(jù)即可進行通信，如圖2。
圖 2 OPC標準的功能示意
支持OPC標準的DCS靈活性更高，便于和各種工控軟件系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，如電氣ECS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)和各主要輔機控制系統(tǒng)（一般為各個廠家的PLC），也可以將廠區(qū)必須的數(shù)據(jù)取出上傳至各監(jiān)管單位，如電網(wǎng)調(diào)度，環(huán)保局等。
�。�2）ODBC技術(shù)：開放式數(shù)據(jù)庫互連 (ODBC)是 Microsoft建議并開發(fā)的數(shù)據(jù)庫訪問 AP I標準 ,它是建立在各種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)底層驅(qū)動程序之上的一個標準層 ,對數(shù)據(jù)庫的底層作了封裝，允許應用程序用統(tǒng)一的訪問數(shù)據(jù)標準:結(jié)構(gòu)化查詢語言 (SQL)來訪問數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。ODBC技術(shù)的最大優(yōu)勢是開放的互操作性 ,通過安裝多種ODBC驅(qū)動程序,可實現(xiàn)同一應用程序?qū)Σ煌瑪?shù)據(jù)庫的訪問。借助于 ODBC技術(shù) ,可以將各廠家的DCS采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到 M IS等系統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中 ,以實現(xiàn)信息資源的共享。
今后的DCS還會兼容IEC61850等等諸協(xié)議，這是系統(tǒng)互連、信息及時共享所導致的發(fā)展趨勢，軟件接口的擴展會隨著各種新標準的推出，逐步在新型分散控制系統(tǒng)中實現(xiàn)。
2先進的控制算法集成
因為自身特性，在燃煤機組中，流化床鍋爐機組在燃燒控制、壓力自動、爐機協(xié)調(diào)等控制上對算法最為挑剔。國內(nèi)流化床有模糊控制法、專家控制法，常常局限在表層，很難真正解決流化床自動控制本質(zhì)問題。很多流化床鍋爐運行，是靠流化床自身灰／熱自平衡、或人工經(jīng)驗完成。模糊PID控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能控制方法。該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗編成模糊規(guī)則，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。該算法的實現(xiàn)完全依賴兩個庫：
�。�1）數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值（即經(jīng)過論域等級離散化以后對應值的集合），若論域為連續(xù)域則為隸屬度函數(shù)。在規(guī)則推理的模糊關(guān)系方程求解過程中，向推理機提供數(shù)據(jù)。
�。�2）規(guī)則庫：模糊控制器的規(guī)則基于專家知識或手動操作人員長期積累的經(jīng)驗，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。
控制算法的實現(xiàn)是在DCS組態(tài)環(huán)境中由廠商搭建而成，以現(xiàn)成的算法模塊提供給用戶，并在新建機組調(diào)試過程中構(gòu)建數(shù)據(jù)庫和規(guī)則庫，由軟件中定義的一種機制對規(guī)則庫進行維護和更新，該維護和更新過程持續(xù)整個運行操作過程，是一個積累模糊推理的過程。這樣的DCS提供的這中算法，可以任意運用于復雜多變系統(tǒng)的組態(tài)過程，是應對現(xiàn)代工況多變的生產(chǎn)環(huán)境的很好的解決方案。模糊PID和專家PID算法是否有無集成和運用，是衡量一個DCS系統(tǒng)的先進與否的重要標志。
3信息一體化
自動控制一體化理念是，從煤炭運到碼頭開始，到推動汽輪輪發(fā)電機轉(zhuǎn)動，到電流源源不斷從變壓器輸出到電網(wǎng)，全部發(fā)電過程采用現(xiàn)代一體化系統(tǒng)解決方案，消除、減少網(wǎng)關(guān)，消除電廠生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)孤島。電廠控制一體化，使電廠各個自動化系統(tǒng)的連接就像PC機上網(wǎng)一樣簡單，使發(fā)電廠輕輕松松享受到高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的益處，使電廠集控室中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)圖像準確再現(xiàn)生產(chǎn)過程，使遠方調(diào)度、身處異地的決策者能夠通過網(wǎng)絡媒介了解到生產(chǎn)狀況。近年，發(fā)電廠的競價上網(wǎng)和降低成本新需求，又紛紛上了電廠MIS，不少MIS中往往會缺少最重要的一塊實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)——各控制系統(tǒng)的測量、控制、保護生產(chǎn)數(shù)據(jù)。沒有實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的MIS僅僅可以稱為電廠辦公自動化，對提高生產(chǎn)管理水平?jīng)]有實質(zhì)性的意義。實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)系統(tǒng)我們已經(jīng)習慣稱為SIS。面對老發(fā)電廠眾多生產(chǎn)數(shù)據(jù)孤島，最簡單的方法就是架構(gòu)SIS網(wǎng)絡，把各個獨立的系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總到一個子數(shù)據(jù)庫中，用以太網(wǎng)把全廠各子數(shù)據(jù)庫連接起來，也可以從支持以太網(wǎng)的控制器上直接讀取數(shù)據(jù)。SIS不需要過分強調(diào)數(shù)據(jù)的實時性，很多數(shù)據(jù)含有時間標簽，生產(chǎn)數(shù)據(jù)能夠在秒、分級收集上來就足夠應用需求。收集各生產(chǎn)數(shù)據(jù)的通訊任務應該由SIS完成，以控制層為基礎(chǔ)的實時數(shù)據(jù)優(yōu)化運算也是SIS的任務之一。目前的電氣納入DCS基本做到遙測、遙信，遙控功能，遙調(diào)(AGC、AVC)和保護基本上是采用專用裝置完成，就像多年前的DEH、FSSS裝置一樣。部分遙測量(電量采集)，和電氣裝置進入DCS沒有顯著進展。今后的國內(nèi)DCS廠家，會思考聯(lián)合生產(chǎn)同期模件、電量模件、電動機保護模件、智能MCC等。
4總結(jié)
隨著我國電力體制改革的深入, 面對電廠走向市場的嚴峻形勢, 火電廠的低成本運營和精細化管理的要求越來越迫切, 常規(guī)自動化控制系統(tǒng)已不能滿足日益增長的管理和技術(shù)要求。DCS提供商的任務不再僅僅是打造一個技術(shù)先進或造價低廉的電廠,而應當是成就一個面向市場、具有競爭力的電廠。我國電力事業(yè)的發(fā)展促進了對DCS系統(tǒng)的更高要求,所以我們相信在不久的將來, 我國自己生產(chǎn)的 DCS控制系統(tǒng)更加成熟, 在我國乃至世界市場得到更廣泛應用。
參考文獻
高飛，基于ODBC的iFI X工控組態(tài)軟件與關(guān)系數(shù)據(jù)庫通訊探討，南鋼科技與管理，2007
姚曉偉，陳在平等，基于 OPC技術(shù)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)集成研究，天津理工大學學報，2005
