一、概述
近十年來，DCS系統(tǒng)在火電廠中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前，1OOMW以上的機(jī)組普遍配備了DCS，其控制范圍也由最初的DAS、MCS、SCS、FSSS等基本功能擴(kuò)展到包括DEH、MEH、ECS、BPC、SOOT(吹灰程控)等子系統(tǒng)在內(nèi)更多的功能。特別是近幾年，絕大多數(shù)機(jī)組控制系統(tǒng)除保留少量用于緊急停機(jī)、停爐的后備手操按鈕外，整個機(jī)組的控制、保護(hù)和監(jiān)視功能幾乎全部集中在DCS中。因此DCS的安全性和可靠性對機(jī)組的安全運(yùn)行顯得愈加重要。
DCS的選型和初步設(shè)計是保證系統(tǒng)可靠性的第一步，也是關(guān)鍵的一步。目前DCS系統(tǒng)招標(biāo)普遍采用《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范書(G-RK-95-51)》作為招標(biāo)文件技術(shù)規(guī)范的范本。該規(guī)范書只對控制系統(tǒng)的性能指標(biāo)做出了規(guī)定，如對承擔(dān)過程控制任務(wù)的分散控制單元(控制器、DPU)的負(fù)荷率給出了規(guī)定，但未提出數(shù)量要求。在激烈的市場競爭中，部分DCS供貨商往往采取壓縮系統(tǒng)配置數(shù)量的辦法來取得價格的競爭力。減少分散控制單元數(shù)量就是壓縮系統(tǒng)配置的首選，其結(jié)果勢必會造成系統(tǒng)性能指標(biāo)的降低甚至"危險"的過度集中。
DCS的基本設(shè)計思想是分散控制任務(wù)而集中監(jiān)視與管理。通過控制功能的分散，降低了由于控制裝置故障而危及被控系統(tǒng)的風(fēng)險;通過高速通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的共享和各子系統(tǒng)間的有機(jī)協(xié)調(diào);通過集中監(jiān)視與管理最大限度地發(fā)揮控制系統(tǒng)的效能;通過冗余技術(shù)提高系統(tǒng)的可靠性和可利用率。由于DCS分散控制的基本思路未得到足夠重視，分散控制單元數(shù)量不足或功能分配不合理易形成危險集中，甚至釀成嚴(yán)重事故。某臺1OOMW機(jī)組由于DCS系統(tǒng)的分散控制單元數(shù)量配置不足，鍋爐汽水系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和保護(hù)功能全部集中在一對DPU中。曾經(jīng)由于這對DPU同時故障，汽水系統(tǒng)的監(jiān)視、操作和保護(hù)功能全部喪失，最后導(dǎo)致鍋爐斷水事故。
根據(jù)分散控制單元的處理能力，不同廠家的DCS系統(tǒng)大致可分為大控制器和小控制器兩類。大控制器系統(tǒng)的代表有OVATION、I/A、HIACS等，小控制器系統(tǒng)的代表主要是INFI-90(Sympho-ny)。在激烈的市場競爭中，多數(shù)人的視線集中在設(shè)備的價格上，而忽略了系統(tǒng)配置對安全性和可靠性的影響。尤其是隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的處理能力呈指數(shù)上升，分散控制單元的處理能力也隨著不斷提高。對于采用大控制器的系統(tǒng)，用少量的分散控制單元就完全能達(dá)到負(fù)荷率等性能指標(biāo)的要求，而且能夠降低價格，但結(jié)果造成風(fēng)險過度集中。對于采用小控制器的系統(tǒng)，為了在價格上具有競爭性，也必須盡可能減少分散控制單元的數(shù)量，其結(jié)果是性能指標(biāo)的降低。為防止發(fā)生以上事情，一般在項(xiàng)目招標(biāo)過程中要對投標(biāo)廠家提出控制器配置數(shù)量的要求。但由于各廠家的DCS結(jié)構(gòu)不同，分散控制單元處理能力各異，顯然很難做到要求公平，因此通過對類似機(jī)組DCS配置和應(yīng)用性能的調(diào)研和比較，提出基本的安全準(zhǔn)則，是很必要的。
二、安全準(zhǔn)則
筆者根據(jù)多次招投標(biāo)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，從技術(shù)上對分散控制單元的配置和功能分配總結(jié)出如下準(zhǔn)則，僅供同行們參考。
1. 分散度準(zhǔn)則
對于采用大控制器的系統(tǒng)，可采用 "分散度準(zhǔn)則"。即無論分散控制單元的處理能力有多強(qiáng)，必須滿足基本的分散度要求。滿足了分散度的要求后，負(fù)荷率自然就不成問題了。為滿足分散度要求，對于30OMW等級機(jī)組，按控制功能劃分時，惟薦的配置方案見表1。
其他控制系統(tǒng)納入DCS，如BPC、吹灰程控、公用系統(tǒng)以及其他專用控制功能等，每個子系統(tǒng)都應(yīng)該采用獨(dú)立的控制器。DEH系統(tǒng)如果包含ETS，配置三對控制器，如果不包含ETS，可配置兩對控制器。
如果按工藝系統(tǒng)劃分，一般控制器配置的數(shù)量要略多于按功能劃分所配置的數(shù)量。
2. 負(fù)荷率準(zhǔn)則
對于采用小控制器的系統(tǒng)，采用"負(fù)荷率準(zhǔn)則"。即參照某種類型的DCS在類似的工程應(yīng)用中，I/O點(diǎn)數(shù)和分散控制單元數(shù)量，考察其控制器的負(fù)荷率應(yīng)滿足DCS技術(shù)規(guī)范的要求(如控制器負(fù)荷率不大于40%)，確定本工程所需的數(shù)量。對于控制器負(fù)荷率的考察應(yīng)結(jié)合其處理周期(掃描周期)的設(shè)置，即模擬量控制系統(tǒng)處理周期不大于25Oms，數(shù)字量控制系統(tǒng)處理周期不大于lOOms，鍋爐保護(hù)系統(tǒng)處理周期不大于1OOms，汽輪機(jī)保護(hù)系統(tǒng)處理周期不大于5Oms。在滿足處理周期的基本要求后，負(fù)荷率的計算才是有意義的。滿足了處理周期和負(fù)荷率的綜合要求后，分散度自然就不成問題了。為滿足負(fù)荷率要求，控制器數(shù)量的確定可參照同等級機(jī)組，相同配置規(guī)模的系統(tǒng)。如在下面的實(shí)例中，2OOMW等級機(jī)組配置了32～38對;5OOMW機(jī)組配置了50～54對。
3. 系統(tǒng)獨(dú)立性準(zhǔn)則
隨著DCS的功能不斷擴(kuò)大，旁路控制、吹灰程控、ETS等功能也納入DCS。為最大限度地保證系統(tǒng)的安全性，這些納入DCS各子系統(tǒng)應(yīng)配置獨(dú)立的控制器。
4. 功能完整性準(zhǔn)則
在滿足系統(tǒng) "分散度準(zhǔn)則"和"負(fù)荷率準(zhǔn)則" 的同時，對于某些功能，應(yīng)盡可能在一個控制器中完整實(shí)現(xiàn)，避免過多地交叉引用數(shù)據(jù)。這樣一方面能夠有效地降低通信網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷，另一方面能夠盡可能地縮短控制策略和I/O信號的處理周期，有利于提高控制品質(zhì)。例如一般將機(jī)爐協(xié)調(diào)控制、鍋爐主控、汽輪機(jī)主控、燃料主控等組態(tài)在同一控制器內(nèi)。所以我們講分散控制系統(tǒng)，并不是說控制器越多功能就越強(qiáng)、性能就越好。應(yīng)根據(jù)機(jī)組的控制對象和控制要求，進(jìn)行優(yōu)化配置。
三、DCS控制器分配實(shí)例
下面通過此大型機(jī)組DCS系統(tǒng)控制器配置的實(shí)例，說明我們在招標(biāo)過程中對控制器配置的安全準(zhǔn)則的要求和實(shí)踐�？晒┩泻陀嘘P(guān)部門參考和借鑒。
1. 大型機(jī)組DCS系統(tǒng)控制器配置實(shí)例
表2～表4為一些大型機(jī)組DCS系統(tǒng)控制器配置的實(shí)例。表2中I/O總數(shù)為6300點(diǎn)，共配大控制器19對，每面控制柜一對。
2. 某電廠2 500MW俄供超臨界機(jī)組DCS控制器(小控制器)功能分配
(1)#1機(jī)組(500MW)DCS控制器配置說明：整個DCS系統(tǒng)由MCS、DAS、SCS、ECS、DEH、MEH等系統(tǒng)組成，共有19個模件柜(公用系統(tǒng)1個)、33個端子柜(公用系統(tǒng)2個)以及4個遠(yuǎn)程控制混裝柜。系統(tǒng)共配置了52對冗余控制器以及風(fēng)機(jī)間2對冗余遠(yuǎn)程控制器、循環(huán)水泵房2對冗余遠(yuǎn)程控制器、10只專門用于通信的控制器(非冗余)，整個系統(tǒng)共配置122只控制器。I/O總數(shù)為9000點(diǎn)，詳見表5。
(2)#2機(jī)組(500MW)DCS控制器(小控制器)配置說明：整個DCS系統(tǒng)由MCS、DAD、SCS、ECS、DEH等系統(tǒng)組成，共有18個模件柜、31個端子柜、4個遠(yuǎn)程控制混裝柜。系統(tǒng)共配置了48對冗余控制器以及風(fēng)機(jī)間2對冗余遠(yuǎn)程控制器、循環(huán)水泵房2對冗余遠(yuǎn)程控制器、10只專門用于通信的控制器(非冗余)，整個系統(tǒng)共配置114只控制器。I/O總數(shù)為8000點(diǎn)，詳見表6。
3.某電廠225MW供供熱機(jī)組DCS控制器(小控制器)功能分配
I/O總數(shù)為7154點(diǎn)，配置76個小控制器(37對+2個)。
四、結(jié)束語
DCS控制處理器是DCS系統(tǒng)的核心部分之一，關(guān)系到系統(tǒng)的安全性、可靠性和控制品質(zhì)。控制處理器的配置，不僅涉及控制器模件，而且涉及通信接口模件、通信網(wǎng)絡(luò)接口、系統(tǒng)電源、機(jī)柜等一系統(tǒng)列硬件和系統(tǒng)軟件，所以對DCS系統(tǒng)的價格有相當(dāng)大的影響。我們在進(jìn)行DCS方案設(shè)計以及設(shè)備招標(biāo)時，必須充分注意到控制處理器配置的安全性準(zhǔn)則。在比較價格的同時，更要比較系統(tǒng)安全性、可靠性、性能優(yōu)劣等因素，作全面、綜合的評價，這樣才有利于選擇性能、價格比最優(yōu)的DCS系統(tǒng)配置。
|
