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    陸澄（1963-）
男，現(xiàn)任江陰興澄特種鋼鐵有限公司電氣主任工程師。

摘要：本文詳細(xì)論述了余熱發(fā)電系統(tǒng)的混合建模，即以先進(jìn)的面向?qū)ο蟮姆绞浇＃賹?duì)獨(dú)立的對(duì)象按功能（算法）細(xì)分，這種混合劃分的方式能克服單一建模的缺點(diǎn)，合理地配置和整合了相關(guān)資源，使系統(tǒng)更可靠、更靈活。最后再結(jié)合DCS使整個(gè)控制系統(tǒng)的性能及功能完全符合現(xiàn)場(chǎng)的需求。

關(guān)鍵詞：DCS 建模； 面向?qū)ο螅幻嫦蛩惴?

Abstract：In this article, mixed modeling of the system of Power Generation by waste heat is illustrated in detail. First, the object-oriented modeling scheme is adopted, and then algorithm-oriented modeling is made for all independent objects. This mixed modeling method can avoid the disadvantage of simple modeling, and configure and integrate correlated resources reasonably. It also can make system more reliable and more feasible. Implemented by DCS, it makes the function and performance abilities of entire control system to meet the requirements of field.

Keyword: DCS modeling；object-oriented；algorithm-oriented

1  概述

    在冶金以及發(fā)電生產(chǎn)中，過(guò)程控制系統(tǒng)完成生產(chǎn)工藝參數(shù)的檢測(cè)、顯示、記錄、調(diào)節(jié)、控制、報(bào)警等功能，它對(duì)提高生產(chǎn)線的作業(yè)率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品、新工藝的開(kāi)發(fā)周期以及提高安全性等都起著極其重要的作用。

    20世紀(jì)70年代中期，以計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)、圖形顯示技術(shù)(既4C技術(shù))相結(jié)合發(fā)展起來(lái)的新型過(guò)程控制系統(tǒng)—DCS系統(tǒng)(Distributed Control System,分散控制系統(tǒng))，由于采用“管理集中、控制分散”的設(shè)計(jì)方法，也稱為集散控制系統(tǒng)，它徹底避免了集中控制系統(tǒng)中因中心計(jì)算機(jī)故障而導(dǎo)致整個(gè)過(guò)程控制系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象，將危險(xiǎn)分散，系統(tǒng)各部分的故障不影響其他部分的正常工作，因而具有更高的安全可靠性，可分布于較大地域，能進(jìn)行大型生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)控制，模擬量數(shù)據(jù)處理功能和運(yùn)算功能強(qiáng)，能勝任大型和控制狀況復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)，而且還可以實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化、實(shí)時(shí)調(diào)度、統(tǒng)計(jì)管理等功能。已廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金等大型工業(yè)領(lǐng)域。

    但是，在運(yùn)用DCS的時(shí)候，首先需要對(duì)整個(gè)項(xiàng)目過(guò)程要進(jìn)行層次劃分與邏輯建模，常用的建模方式有面向算法（即功能）的建模、面向?qū)ο蟮慕！?BR>
    (1) 面向算法的建模方式

    傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組的DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)是按照其應(yīng)用功能來(lái)分類的，一般把其分為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)、模擬量控制系統(tǒng)(MCS)、順序控制系統(tǒng)(SCS)、燃燒管理系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)(DEH)、旁路控制系統(tǒng)(BPS)，這就是所謂的面向算法的控制系統(tǒng)建模方案，它有利于降低技術(shù)準(zhǔn)入門檻，這種一對(duì)一替換的方法也利于推廣DCS在企業(yè)中的應(yīng)用。同樣將功能相似的控制分別歸于MCS、SCS、FSSS等系統(tǒng)中，可以大大減少各系統(tǒng)熱控人員所需要掌握的控制理論，如SCS只需要熟悉邏輯控制理論，而MCS則主要依靠自動(dòng)控制理論。這種劃分方式在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)促進(jìn)了DCS的發(fā)展。

    但是，面向算法的建模方式正面臨著很大的挑戰(zhàn)，主要是安全方面以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換量巨大的問(wèn)題。一是由于被控設(shè)備的集中，影響系統(tǒng)的可靠性，MCS系統(tǒng)基本上集中了整臺(tái)機(jī)組的可調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，雖然DCS硬件、軟件的可靠性很高，但系統(tǒng)供電、網(wǎng)絡(luò)的可靠性并沒(méi)有相應(yīng)提高、人為誤碰、接地、短路等故障的發(fā)生并沒(méi)有大幅度減少，因此，一個(gè)模件機(jī)柜內(nèi)的故障，哪怕是一塊模擬量輸出板故障都可能造成一大片就地設(shè)備的不可控。二是網(wǎng)絡(luò)安全方面，在火電廠熱力系統(tǒng)中，存在三塊相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)：風(fēng)煙系統(tǒng)（從送風(fēng)機(jī)到引風(fēng)機(jī)）、燃燒系統(tǒng)（從一次風(fēng)機(jī)到燃燒器）、汽水系統(tǒng)（從凝汽器到汽包再到凝汽器）。這些系統(tǒng)中，一些聯(lián)系緊密的設(shè)備被人為地劃到不同的控制系統(tǒng)中，造成各個(gè)單元處理器之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換的數(shù)據(jù)量很大。

    (2) 面向?qū)ο蟮慕７绞?BR>
    指在劃分DCS的子系統(tǒng)時(shí)，將各種算法相似的控制對(duì)象劃分到一起。這種劃分可以大大的減少系統(tǒng)復(fù)雜程度。

    首先，這種建模方式可以根據(jù)不同的對(duì)象去設(shè)計(jì)控制水平。在火力發(fā)電廠除機(jī)、爐、電等主系統(tǒng)以外，還存在一些外圍輔助系統(tǒng)，如循環(huán)水、化學(xué)水處理、除渣除灰、輸煤配煤等，這些系統(tǒng)目前仍廣泛采用PLC和組裝儀表，控制水平一般。如果采用DCS系統(tǒng)，則不需要將其歸入SCS或MCS等系統(tǒng)，可以針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)，如水、灰、煤等來(lái)劃分控制方案，這樣可以提高全廠控制水平，還可利用一套DCS數(shù)據(jù)共享的優(yōu)點(diǎn)，為在集控室遠(yuǎn)程監(jiān)控輔助設(shè)備創(chuàng)造條件。

    其次，面向?qū)ο蟮慕７绞竭€可以使DCS小型化，為DCS系統(tǒng)應(yīng)用于小火電機(jī)組或風(fēng)力發(fā)電機(jī)組創(chuàng)造條件。例如在采取母管制的熱電廠，可以把一臺(tái)鍋爐、一臺(tái)汽機(jī)當(dāng)成一個(gè)對(duì)象來(lái)設(shè)計(jì)DCS系統(tǒng)，這樣消除了按算法劃分系統(tǒng)各對(duì)象相互干擾而難以處理的情況。

    最重要的是，面向?qū)ο蟮慕７绞綖楝F(xiàn)代控制理論在生產(chǎn)控制中的推廣創(chuàng)造了條件，目前發(fā)電項(xiàng)目中在控制上基本仍舊采用經(jīng)典控制理論方法和PID控制算法，其實(shí)在發(fā)電生產(chǎn)中也存在強(qiáng)耦合、非線性、大滯后、復(fù)雜的外界擾動(dòng)或信號(hào)難以測(cè)量等問(wèn)題，迫切需要新的控制理論。目前按算法劃分的DCS系統(tǒng)控制方案阻止了新技術(shù)的應(yīng)用。如果在DCS系統(tǒng)中采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，對(duì)于每一個(gè)子系統(tǒng)，DCS廠商只規(guī)定一些外部接口，將控制邏輯的設(shè)計(jì)任務(wù)交由主設(shè)備生產(chǎn)商負(fù)責(zé)，畢竟，生產(chǎn)商對(duì)于自己的設(shè)備有更多的經(jīng)驗(yàn)和信息，控制邏輯將更加完善和可靠，一些新的控制理論也得到推廣和利用。

2  余熱發(fā)電系統(tǒng)概述

    萍鋼白源區(qū)高爐產(chǎn)生的高爐煤氣除供煉鐵熱風(fēng)爐和噴煤自用以及棒、線材軋鋼車間加熱爐使用外，尚有大量高爐煤氣剩余，轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生的轉(zhuǎn)爐煤氣除部分由煉鋼系統(tǒng)自用外，大量富裕煤氣均放散。煤氣的大量放散既浪費(fèi)了能源又污染環(huán)境。此次由京誠(chéng)公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、北京京誠(chéng)科林環(huán)保科技有限公司總承包的萍鄉(xiāng)鋼鐵有限責(zé)任公司燃?xì)獍l(fā)電與低壓蒸氣發(fā)電工程就是為了利用這些富余高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣來(lái)產(chǎn)生蒸汽發(fā)電、降低生產(chǎn)成本，同時(shí)為萍鋼的電力供應(yīng)提到更大的保障。

    本工程建設(shè)規(guī)模為1×75t/h全燒高爐煤氣中溫中壓蒸汽鍋爐、1×15MW純凝式汽輪發(fā)電機(jī)組和1×5MW低壓飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組。

    根據(jù)機(jī)組運(yùn)行和管理的特點(diǎn)，主廠房采用集中控制方式，對(duì)15MW汽輪機(jī)、5MW汽輪機(jī)、鍋爐、除氧給水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,采用DCS系統(tǒng)。并配備必要的后備盤（鍋爐后備盤；汽機(jī)保護(hù)盤），安裝在集中控制室內(nèi)。

    控制模式有如下幾種形式：

    ●       DCS控制系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)過(guò)程檢測(cè)及控制；

    ●       操作站：過(guò)程參數(shù)顯示及遠(yuǎn)程手動(dòng)控制；

    ●       后備盤：重要參數(shù)報(bào)警和緊急操作；

    ●       現(xiàn)場(chǎng)儀表：就地顯示過(guò)程參數(shù)。

    要求DCS控制系統(tǒng)具有合理的性價(jià)比，高可靠性、穩(wěn)定性及可操作性，并便于設(shè)計(jì)、維護(hù)和擴(kuò)展； 操作監(jiān)視集中化，采用HMI 操作站，使人機(jī)界面統(tǒng)一化、共享化。

    要求系統(tǒng)達(dá)到以下控制水平：

    （1）在機(jī)組值班人員的配合下，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的正常啟、停。

    （2）實(shí)現(xiàn)機(jī)組正常運(yùn)行工況的監(jiān)視和自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，確保機(jī)組正常運(yùn)行。

    （3）當(dāng)機(jī)組發(fā)生異常或事故時(shí)，通過(guò)保護(hù)、聯(lián)鎖或人工干予系統(tǒng)進(jìn)行事故緊急處理和事件追憶，以確保設(shè)備和人身安全。

    （4）完成歷史數(shù)據(jù)記錄、打印報(bào)表、歷史趨勢(shì)儲(chǔ)存等。

    由于鍋爐及汽機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的復(fù)雜性及高精度的要求，故需要在DCS的設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的層次劃分，以增強(qiáng)可靠性及可操作性。

3  混合建模的DCS設(shè)計(jì)

    為了綜合面向?qū)ο蟮慕：兔嫦蛩惴ǖ慕煞N方式的優(yōu)點(diǎn)，克服各自的缺點(diǎn)，筆者在本項(xiàng)目中使用兩種方式來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模。

    (1) 上層的面向?qū)ο蠼?BR>
    根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，筆者將受控系統(tǒng)劃分為以下幾個(gè)對(duì)象：

    鍋爐系統(tǒng)：鍋爐本體熱風(fēng)、蒸汽等溫度、壓力、流量的檢測(cè)及監(jiān)視；鼓引風(fēng)機(jī)等高壓設(shè)備的操控；電動(dòng)閥門等低壓電氣設(shè)備的操控；鍋爐給水自動(dòng)調(diào)節(jié)、燃燒自動(dòng)調(diào)節(jié)、爐膛負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)、過(guò)熱蒸汽溫度控制等；鍋爐MFT連鎖保護(hù)；自動(dòng)點(diǎn)火及吹掃等。

    除氧給水系統(tǒng)：除氧器、疏水系統(tǒng)及工業(yè)水系統(tǒng)等的溫度、壓力、流量檢測(cè)及監(jiān)視；給水泵、疏水泵等電氣設(shè)備的操控；除氧器設(shè)有液位、壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)等。

    汽輪機(jī)系統(tǒng)；汽機(jī)本體、潤(rùn)滑油系統(tǒng)等的溫度、壓力等測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)及監(jiān)視；凝結(jié)水泵、高壓油泵等電氣設(shè)備的操控；熱井水位自動(dòng)調(diào)節(jié)；汽機(jī)ETS緊急跳閘保護(hù)等；

    (2) 細(xì)分的面向算法建模

    對(duì)于每個(gè)已經(jīng)劃分好的獨(dú)立對(duì)象，依次再按功能對(duì)其細(xì)分，劃分如下：

    鍋爐系統(tǒng)：包括燃燒系統(tǒng)、風(fēng)煙系統(tǒng)、汽水系統(tǒng)、MFT保護(hù)系統(tǒng)、自動(dòng)吹掃系統(tǒng)五大部分；

    除氧給水系統(tǒng)：包括除氧器及給水系統(tǒng)、疏水系統(tǒng)、工業(yè)水系統(tǒng)三部分；

    汽輪機(jī)系統(tǒng)：汽機(jī)TSI監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、ETS緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)四部分。

4  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

    本工程采用了HOLLiAS-MACS V系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由以太網(wǎng)和使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)連接的各工程師站、操作員站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、通訊控制站、數(shù)據(jù)服務(wù)器組成的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，完成大型、中型分布式控制系統(tǒng)（DCS）、大型數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）功能。

    該系統(tǒng)硬件由工程師站、操作站、現(xiàn)場(chǎng)控制站（包括主控單元設(shè)備和I/O單元設(shè)備）、通訊控制站、系統(tǒng)服務(wù)器、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)等組成。

    系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

    監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)MNET、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)SNET均采用了冗余高速工業(yè)以太網(wǎng)，分別采用了TCP/IP、HSIP通訊協(xié)議，使用五類屏蔽雙絞線或光纖將各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)連接到中心交換機(jī)上，完成上位機(jī)、服務(wù)器及下位機(jī)之間的通訊。

    系統(tǒng)I/O 站總線采用了先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)ProfiBus-DP 總線，I/O 站的主控單元，如FM801 為ProfiBus-DP 主站， I/O 輸入/輸出模塊，如FM系列模塊為ProfiBus-DP 從站。主/從站及他們之間的連接件構(gòu)成了完整的ProfiBus-DP 總線網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)配置（包括主/從站數(shù)量傳輸數(shù)率傳輸距離等）的優(yōu)化，在保證系統(tǒng)的正確、快速工作的前提下，可大大提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

    控制網(wǎng)絡(luò)CNET采用Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線連接具有很好的兼容性和擴(kuò)展性。鍋爐系統(tǒng)的鼓引風(fēng)機(jī)采用了西門子S70系列的變頻控制，作為一個(gè)DP從站掛接在主控卡上，從而實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行平滑的變頻調(diào)節(jié)。

    萍鄉(xiāng)余熱發(fā)電項(xiàng)目共包括了1臺(tái)工程師站、3臺(tái)操作員站、2臺(tái)服務(wù)器及3臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)控制站，系統(tǒng)硬件配置如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)硬件配置

    (1) 鍋爐系統(tǒng)DCS控制實(shí)現(xiàn)

    鍋爐系統(tǒng)在10號(hào)現(xiàn)場(chǎng)控制站中實(shí)現(xiàn)。

    燃燒系統(tǒng)：通過(guò)控制空燃比使燃燒達(dá)到穩(wěn)定蒸汽母管壓力的目的，以滿足汽輪機(jī)及外供汽對(duì)蒸汽的要求；進(jìn)行爐膛監(jiān)視及滅火保護(hù)；送風(fēng)量及爐膛負(fù)壓的控制。

    汽水系統(tǒng)：該系統(tǒng)要完成鍋爐系統(tǒng)兩個(gè)最重要的控制，一是鍋爐給水自動(dòng)控制，一是過(guò)熱蒸汽溫度自動(dòng)控制，均為復(fù)雜控制，采用了PID串級(jí)控制；鍋爐上水系統(tǒng)電動(dòng)門的操控；鍋爐外送蒸汽的控制。

    風(fēng)煙系統(tǒng)：主要完成爐膛的壓力及溫度參數(shù)的監(jiān)控。

    MFT連鎖保護(hù)系統(tǒng)：是鍋爐系統(tǒng)的安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)，主要包括手動(dòng)緊急停爐保護(hù)、汽包液位高高及低低停爐保護(hù)、汽包壓力高高停爐保護(hù)、送風(fēng)機(jī)全停停爐保護(hù)、引風(fēng)機(jī)全停停爐保護(hù)、爐膛熄火停爐保護(hù)、爐膛負(fù)壓高高及低低停爐保護(hù)、煤氣壓力低低停爐保護(hù)等。一般現(xiàn)場(chǎng)工況不能滿足上述停爐保護(hù)的要求，或是設(shè)備的原因或是介質(zhì)的原因，故對(duì)各項(xiàng)保護(hù)連鎖設(shè)置了投切按鈕，并對(duì)最先引起停爐的原因做了首出判斷。

    吹掃系統(tǒng)：一般設(shè)置手動(dòng)和自動(dòng)吹掃兩種方式，手動(dòng)吹掃即操作工根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)打開(kāi)風(fēng)門完成爐膛的吹掃工作，自動(dòng)吹掃則由系統(tǒng)通過(guò)計(jì)時(shí)自動(dòng)完成吹掃。

    (2) 除氧給水系統(tǒng)DCS控制實(shí)現(xiàn)

    此次除氧給水系統(tǒng)也在10號(hào)現(xiàn)場(chǎng)控制站中完成。

    控制主要有給水泵互備及與出口電動(dòng)門的電氣連鎖和與除氧水箱液位、給水出口壓力之間的連鎖；疏水泵的互備及與疏水箱液位的連鎖；除氧器液位的自動(dòng)控制；除氧器壓力的自動(dòng)控制；工業(yè)水系統(tǒng)的監(jiān)視。

    (3) 汽輪機(jī)系統(tǒng)DCS控制實(shí)現(xiàn)

    汽機(jī)DCS系統(tǒng)主要完成汽機(jī)本體參數(shù)的監(jiān)控、保護(hù)停機(jī)及油路、水路系統(tǒng)的操控，而汽機(jī)調(diào)門的控制即轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)則由505數(shù)字電液控制器來(lái)完成。

    汽機(jī)總控：汽輪機(jī)系統(tǒng)的全面監(jiān)控，及水路系統(tǒng)的操控，包括凝結(jié)水泵的互備，射水泵的互備，熱井水位的自動(dòng)控制等。

    汽機(jī)TSI監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：主要包括汽機(jī)本體壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、振動(dòng)、脹差、軸位移等重要參數(shù)的監(jiān)控。

    汽機(jī)油路系統(tǒng)：油路系統(tǒng)壓力、溫度測(cè)點(diǎn)的監(jiān)控；高壓交流油泵、交流潤(rùn)滑油泵、直流潤(rùn)滑油泵與潤(rùn)滑油壓的連鎖。

    汽機(jī)ETS緊急跳閘保護(hù)系統(tǒng)：是汽機(jī)系統(tǒng)的安全連鎖保護(hù)系統(tǒng)，主要包括手動(dòng)緊急停機(jī)保護(hù)、505緊急停機(jī)保護(hù)、汽機(jī)轉(zhuǎn)速高停機(jī)保護(hù)、冷凝器真空低停機(jī)保護(hù)、潤(rùn)滑油壓低停機(jī)保護(hù)、軸向位移大停機(jī)保護(hù)、汽機(jī)軸承震動(dòng)大停機(jī)保護(hù)、脹差超限停機(jī)保護(hù)、汽機(jī)保安油壓低停機(jī)保護(hù)、軸承抽力瓦溫度高停機(jī)保護(hù)、軸承回油溫度高停機(jī)保護(hù)、發(fā)電機(jī)跳閘停機(jī)保護(hù)等。各項(xiàng)保護(hù)連鎖均設(shè)置了投切按鈕，并對(duì)最先引起停爐的原因做了首出判斷。

5  結(jié)論

    本文詳細(xì)論述了安源鋼廠余熱處理的混合建模設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)，這種建模方式層次清晰、復(fù)雜度低，使整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)易于實(shí)現(xiàn)，并且可靠性得到很大的提高，另外還有易于擴(kuò)充的優(yōu)點(diǎn)，有效的提高了工作效率、節(jié)省企業(yè)成本，也使得混合建模在未來(lái)的DCS設(shè)計(jì)中有越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，尤其在這種方式中，先進(jìn)的現(xiàn)代控制理論技術(shù)可以得到有效的應(yīng)用，這也是我們將來(lái)研究的重點(diǎn)。

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作者信息：

    陸  澄  （江陰興澄特種鋼鐵有限公司，江蘇 江陰 214400）  

    米玉成，李  娜  (北京中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司自控工程技術(shù)所,北京 100088)