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浅谈现代电厂自动控制系统的发展

时间:2015-11-01  作者:权力

摘要:本文从分散控制系统的现状和行业需求出发,结合已经成熟的技术,分析预见了先进DCS系统架构的发展方向以及各种已经成熟的技术和标准在DCS中应用。
论文关键词:需求,OPC,模糊PID,一体化

1 DCS产品现状

当前各厂家的DCS基本包括:至少各一台现场控制站、操作员站、工程师站(也可用操作员站兼做工程师站)和一条系统网络,如图 1。此外,还可扩充专门功能站、生产管理和信息处理功能的信息网络、及实现现场仪表、执行机构数字化的现场总线网络。控制站是系统中直接与现场进行 I/O 数据采样、信息交互、控制运算、逻辑控制的核心单元,完成实时控制功能,并实现各种 I/O 接口。

需求

图1 典型的DCS拓扑结构

控制站通过工业以太网与工程师站、操作员站等交换信息,采集控制站信号并通过工业以太网传送到工程师站、操作员站,工程师站、操作员站将系统组态信息通过工业以太网传送到控制站。

2 发电企业的需求

随着我国煤炭价格持续增长,煤电联动响应不足,电价市场化定价机制迟迟不能确定的行业背景下,发电企业对生产现场的控制和把握有了更高的要求,生产成本的严格控制要求自动化程度更高,生产岗位减少,生产人员人均控制装机容量增加,这就要求DCS系统的核心单元要有更为先进的控制算法,先进的专家PID算法,模糊PID算法以适应类似于循环流化床锅炉这种更经济锅炉的本身的大延迟,变工况的属性。生产决策必须及时就要求生产控制系统、厂级信息系统和协同管理系统一体化。随着国家对智能电网的发展的提倡,要求各大发电站的调峰、二次调频能力更强,AGC投切率更高且能适应先进的实时的潮流计算,并且要求大电站的DCS系统有更为稳定的协调控制方案和调节能力以应对负荷扰动,现如今的电企较之以前,生产设备调整周期更短,要求DCS要组态灵活方便,而且更严格执行IEC61131语言标准,便于升级换代。基于此番种种形势,各生产厂家均

3 发展方向

1软件数据接口更加多样化

软件工业的发展使各种系统兼容在软件层面实现成为可能,今后的DCS为满足厂区各种不同系统之间的通信,将会引入或执行各种协议或标准。如现有的各大DCS厂家均已支持OPC、ODBC等协议。

(1)OPC标准:OPC标准的制订,使所有的工业软件产品间的通信连接问题变得简单,它提供了一种软件的总线形式,任何一种设备只需提供一种驱动就可以供任何DCS软件系统使用,应用程序(OPC Client)只需知道如何从OPC数据源获取数据,设备的驱动程序(OPC Server)只需知道如何以简单的格式提供数据即可进行通信,如图2。

一体化

图 2 OPC标准的功能示意

支持OPC标准的DCS灵活性更高,便于和各种工控软件系统交换数据,如电气ECS系统、SIS系统和各主要辅机控制系统(一般为各个厂家的PLC),也可以将厂区必须的数据取出上传至各监管单位,如电网调度,环保局等。

(2)ODBC技术:开放式数据库互连 (ODBC)是 Microsoft建议并开发的数据库访问 AP I标准 ,它是建立在各种数据库管理系统底层驱动程序之上的一个标准层 ,对数据库的底层作了封装,允许应用程序用统一的访问数据标准:结构化查询语言 (SQL)来访问数据库管理系统中的数据。ODBC技术的最大优势是开放的互操作性 ,通过安装多种ODBC驱动程序,可实现同一应用程序对不同数据库的访问。借助于 ODBC技术 ,可以将各厂家的DCS采集的现场数据通过以太网传送到 M IS等系统的关系数据库中 ,以实现信息资源的共享。

今后的DCS还会兼容IEC61850等等诸协议,这是系统互连、信息及时共享所导致的发展趋势,软件接口的扩展会随着各种新标准的推出,逐步在新型分散控制系统中实现。

2先进的控制算法集成

因为自身特性,在燃煤机组中,流化床锅炉机组在燃烧控制、压力自动、炉机协调等控制上对算法最为挑剔。国内流化床有模糊控制法、专家控制法,常常局限在表层,很难真正解决流化床自动控制本质问题。很多流化床锅炉运行,是靠流化床自身灰/热自平衡、或人工经验完成。模糊PID控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法,它是从行为上模仿人的模糊推理和决策过程的一种智能控制方法。该方法首先将操作人员或专家经验编成模糊规则,然后将来自传感器的实时信号模糊化,将模糊化后的信号作为模糊规则的输入,完成模糊推理,将推理后得到的输出量加到执行器上。该算法的实现完全依赖两个库:

(1)数据库:数据库所存放的是所有输入、输出变量的全部模糊子集的隶属度矢量值(即经过论域等级离散化以后对应值的集合),若论域为连续域则为隶属度函数。在规则推理的模糊关系方程求解过程中,向推理机提供数据。

(2)规则库:模糊控制器的规则基于专家知识或手动操作人员长期积累的经验,它是按人的直觉推理的一种语言表示形式。

控制算法的实现是在DCS组态环境中由厂商搭建而成,以现成的算法模块提供给用户,并在新建机组调试过程中构建数据库和规则库,由软件中定义的一种机制对规则库进行维护和更新,该维护和更新过程持续整个运行操作过程,是一个积累模糊推理的过程。这样的DCS提供的这中算法,可以任意运用于复杂多变系统的组态过程,是应对现代工况多变的生产环境的很好的解决方案。模糊PID和专家PID算法是否有无集成和运用,是衡量一个DCS系统的先进与否的重要标志。

3信息一体化

自动控制一体化理念是,从煤炭运到码头开始,到推动汽轮轮发电机转动,到电流源源不断从变压器输出到电网,全部发电过程采用现代一体化系统解决方案,消除、减少网关,消除电厂生产过程中的数据孤岛。电厂控制一体化,使电厂各个自动化系统的连接就像PC机上网一样简单,使发电厂轻轻松松享受到高速数据网络的益处,使电厂集控室中的生产数据、生产图像准确再现生产过程,使远方调度、身处异地的决策者能够通过网络媒介了解到生产状况。近年,发电厂的竞价上网和降低成本新需求,又纷纷上了电厂MIS,不少MIS中往往会缺少最重要的一块实时生产数据——各控制系统的测量、控制、保护生产数据。没有实时生产数据的MIS仅仅可以称为电厂办公自动化,对提高生产管理水平没有实质性的意义。实时生产数据系统我们已经习惯称为SIS。面对老发电厂众多生产数据孤岛,最简单的方法就是架构SIS网络,把各个独立的系统数据汇总到一个子数据库中,用以太网把全厂各子数据库连接起来,也可以从支持以太网的控制器上直接读取数据。SIS不需要过分强调数据的实时性,很多数据含有时间标签,生产数据能够在秒、分级收集上来就足够应用需求。收集各生产数据的通讯任务应该由SIS完成,以控制层为基础的实时数据优化运算也是SIS的任务之一。目前的电气纳入DCS基本做到遥测、遥信,遥控功能,遥调(AGC、AVC)和保护基本上是采用专用装置完成,就像多年前的DEH、FSSS装置一样。部分遥测量(电量采集),和电气装置进入DCS没有显著进展。今后的国内DCS厂家,会思考联合生产同期模件、电量模件、电动机保护模件、智能MCC等。

4总结

随着我国电力体制改革的深入, 面对电厂走向市场的严峻形势, 火电厂的低成本运营和精细化管理的要求越来越迫切, 常规自动化控制系统已不能满足日益增长的管理和技术要求。DCS提供商的任务不再仅仅是打造一个技术先进或造价低廉的电厂,而应当是成就一个面向市场、具有竞争力的电厂。我国电力事业的发展促进了对DCS系统的更高要求,所以我们相信在不久的将来, 我国自己生产的 DCS控制系统更加成熟, 在我国乃至世界市场得到更广泛应用。


参考文献
高飞,基于ODBC的iFI X工控组态软件与关系数据库通讯探讨,南钢科技与管理,2007
姚晓伟,陈在平等,基于 OPC技术的现场总线系统集成研究,天津理工大学学报,2005

 

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