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

摘要：本文詳細論述了余熱發電系統的混合建模，即以先進的面向對象的方式建模，再對獨立的對象按功能（算法）細分，這種混合劃分的方式能克服單一建模的缺點，合理地配置和整合了相關資源，使系統更可靠、更靈活。最后再結合DCS使整個控制系統的性能及功能完全符合現場的需求。

關鍵詞：DCS 建模； 面向對象；面向算法

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

    在冶金以及發電生產中，過程控制系統完成生產工藝參數的檢測、顯示、記錄、調節、控制、報警等功能，它對提高生產線的作業率，改善產品質量，縮短新產品、新工藝的開發周期以及提高安全性等都起著極其重要的作用。

    20世紀70年代中期，以計算機技術、控制技術、通信技術、圖形顯示技術(既4C技術)相結合發展起來的新型過程控制系統—DCS系統(Distributed Control System,分散控制系統)，由于采用“管理集中、控制分散”的設計方法，也稱為集散控制系統，它徹底避免了集中控制系統中因中心計算機故障而導致整個過程控制系統癱瘓的現象，將危險分散，系統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，能進行大型生產過程的實時控制，模擬量數據處理功能和運算功能強，能勝任大型和控制狀況復雜的過程控制系統，而且還可以實現在線優化、實時調度、統計管理等功能。已廣泛應用于石化、電力、冶金等大型工業領域。

    但是，在運用DCS的時候，首先需要對整個項目過程要進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、面向對象的建模。

    (1) 面向算法的建模方式

    傳統的發電機組的DCS系統設計是按照其應用功能來分類的，一般把其分為數據采集系統(DAS)、模擬量控制系統(MCS)、順序控制系統(SCS)、燃燒管理系統(FSSS)、汽輪機電液控制系統(DEH)、旁路控制系統(BPS)，這就是所謂的面向算法的控制系統建模方案，它有利于降低技術準入門檻，這種一對一替換的方法也利于推廣DCS在企業中的應用。同樣將功能相似的控制分別歸于MCS、SCS、FSSS等系統中，可以大大減少各系統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則主要依靠自動控制理論。這種劃分方式在很長一段時間內促進了DCS的發展。

    但是，面向算法的建模方式正面臨著很大的挑戰，主要是安全方面以及網絡數據交換量巨大的問題。一是由于被控設備的集中，影響系統的可靠性，MCS系統基本上集中了整臺機組的可調整執行機構的控制，雖然DCS硬件、軟件的可靠性很高，但系統供電、網絡的可靠性并沒有相應提高、人為誤碰、接地、短路等故障的發生并沒有大幅度減少，因此，一個模件機柜內的故障，哪怕是一塊模擬量輸出板故障都可能造成一大片就地設備的不可控。二是網絡安全方面，在火電廠熱力系統中，存在三塊相對獨立的子系統：風煙系統（從送風機到引風機）、燃燒系統（從一次風機到燃燒器）、汽水系統（從凝汽器到汽包再到凝汽器）。這些系統中，一些聯系緊密的設備被人為地劃到不同的控制系統中，造成各個單元處理器之間通過網絡交換的數據量很大。

    (2) 面向對象的建模方式

    指在劃分DCS的子系統時，將各種算法相似的控制對象劃分到一起。這種劃分可以大大的減少系統復雜程度。

    首先，這種建模方式可以根據不同的對象去設計控制水平。在火力發電廠除機、爐、電等主系統以外，還存在一些外圍輔助系統，如循環水、化學水處理、除渣除灰、輸煤配煤等，這些系統目前仍廣泛采用PLC和組裝儀表，控制水平一般。如果采用DCS系統，則不需要將其歸入SCS或MCS等系統，可以針對每個系統，如水、灰、煤等來劃分控制方案，這樣可以提高全廠控制水平，還可利用一套DCS數據共享的優點，為在集控室遠程監控輔助設備創造條件。

    其次，面向對象的建模方式還可以使DCS小型化，為DCS系統應用于小火電機組或風力發電機組創造條件。例如在采取母管制的熱電廠，可以把一臺鍋爐、一臺汽機當成一個對象來設計DCS系統，這樣消除了按算法劃分系統各對象相互干擾而難以處理的情況。

    最重要的是，面向對象的建模方式為現代控制理論在生產控制中的推廣創造了條件，目前發電項目中在控制上基本仍舊采用經典控制理論方法和PID控制算法，其實在發電生產中也存在強耦合、非線性、大滯后、復雜的外界擾動或信號難以測量等問題，迫切需要新的控制理論。目前按算法劃分的DCS系統控制方案阻止了新技術的應用。如果在DCS系統中采用面向對象技術，對于每一個子系統，DCS廠商只規定一些外部接口，將控制邏輯的設計任務交由主設備生產商負責，畢竟，生產商對于自己的設備有更多的經驗和信息，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  余熱發電系統概述

    萍鋼白源區高爐產生的高爐煤氣除供煉鐵熱風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，轉爐產生的轉爐煤氣除部分由煉鋼系統自用外，大量富裕煤氣均放散。煤氣的大量放散既浪費了能源又污染環境。此次由京誠公司負責設計、北京京誠科林環保科技有限公司總承包的萍鄉鋼鐵有限責任公司燃氣發電與低壓蒸氣發電工程就是為了利用這些富余高爐煤氣和轉爐煤氣來產生蒸汽發電、降低生產成本，同時為萍鋼的電力供應提到更大的保障。

    本工程建設規模為1×75t/h全燒高爐煤氣中溫中壓蒸汽鍋爐、1×15MW純凝式汽輪發電機組和1×5MW低壓飽和蒸汽發電機組。

    根據機組運行和管理的特點，主廠房采用集中控制方式，對15MW汽輪機、5MW汽輪機、鍋爐、除氧給水系統進行監控,采用DCS系統。并配備必要的后備盤（鍋爐后備盤；汽機保護盤），安裝在集中控制室內。

    控制模式有如下幾種形式：

    ●       DCS控制系統：實現過程檢測及控制；

    ●       操作站：過程參數顯示及遠程手動控制；

    ●       后備盤：重要參數報警和緊急操作；

    ●       現場儀表：就地顯示過程參數。

    要求DCS控制系統具有合理的性價比，高可靠性、穩定性及可操作性，并便于設計、維護和擴展； 操作監視集中化，采用HMI 操作站，使人機界面統一化、共享化。

    要求系統達到以下控制水平：

    （1）在機組值班人員的配合下，實現機組的正常啟、停。

    （2）實現機組正常運行工況的監視和自動調節控制，確保機組正常運行。

    （3）當機組發生異常或事故時，通過保護、聯鎖或人工干予系統進行事故緊急處理和事件追憶，以確保設備和人身安全。

    （4）完成歷史數據記錄、打印報表、歷史趨勢儲存等。

    由于鍋爐及汽機發電系統的復雜性及高精度的要求，故需要在DCS的設計時，對系統進行有效的層次劃分，以增強可靠性及可操作性。

3  混合建模的DCS設計

    為了綜合面向對象的建模和面向算法的建模兩種方式的優點，克服各自的缺點，筆者在本項目中使用兩種方式來對系統進行建模。

    (1) 上層的面向對象建模

    根據系統的特點，筆者將受控系統劃分為以下幾個對象：

    鍋爐系統：鍋爐本體熱風、蒸汽等溫度、壓力、流量的檢測及監視；鼓引風機等高壓設備的操控；電動閥門等低壓電氣設備的操控；鍋爐給水自動調節、燃燒自動調節、爐膛負壓自動調節、過熱蒸汽溫度控制等；鍋爐MFT連鎖保護；自動點火及吹掃等。

    除氧給水系統：除氧器、疏水系統及工業水系統等的溫度、壓力、流量檢測及監視；給水泵、疏水泵等電氣設備的操控；除氧器設有液位、壓力自動調節等。

    汽輪機系統；汽機本體、潤滑油系統等的溫度、壓力等測點的檢測及監視；凝結水泵、高壓油泵等電氣設備的操控；熱井水位自動調節；汽機ETS緊急跳閘保護等；

    (2) 細分的面向算法建模

    對于每個已經劃分好的獨立對象，依次再按功能對其細分，劃分如下：

    鍋爐系統：包括燃燒系統、風煙系統、汽水系統、MFT保護系統、自動吹掃系統五大部分；

    除氧給水系統：包括除氧器及給水系統、疏水系統、工業水系統三部分；

    汽輪機系統：汽機TSI監測系統、油路系統、熱力系統、ETS緊急跳閘保護系統四部分。

4  系統實現

    本工程采用了HOLLiAS-MACS V系統。該系統是由以太網和使用現場總線技術的控制網絡連接的各工程師站、操作員站、現場控制站、通訊控制站、數據服務器組成的綜合自動化系統，完成大型、中型分布式控制系統（DCS）、大型數據采集監控系統（SCADA）功能。

    該系統硬件由工程師站、操作站、現場控制站（包括主控單元設備和I/O單元設備）、通訊控制站、系統服務器、系統網絡、監控網絡、控制網絡等組成。

    系統硬件體系結構如圖1所示。

圖1  系統硬件體系結構

    監控網絡MNET、系統網絡SNET均采用了冗余高速工業以太網，分別采用了TCP/IP、HSIP通訊協議，使用五類屏蔽雙絞線或光纖將各個通訊節點連接到中心交換機上，完成上位機、服務器及下位機之間的通訊。

    系統I/O 站總線采用了先進的現場總線技術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成了完整的ProfiBus-DP 總線網絡。網絡配置（包括主/從站數量傳輸數率傳輸距離等）的優化，在保證系統的正確、快速工作的前提下，可大大提高系統穩定性。

    控制網絡CNET采用Profibus-DP現場總線連接具有很好的兼容性和擴展性。鍋爐系統的鼓引風機采用了西門子S70系列的變頻控制，作為一個DP從站掛接在主控卡上，從而實現了DCS系統對風機進行平滑的變頻調節。

    萍鄉余熱發電項目共包括了1臺工程師站、3臺操作員站、2臺服務器及3臺現場控制站，系統硬件配置如圖2所示。

圖2  系統硬件配置

    (1) 鍋爐系統DCS控制實現

    鍋爐系統在10號現場控制站中實現。

    燃燒系統：通過控制空燃比使燃燒達到穩定蒸汽母管壓力的目的，以滿足汽輪機及外供汽對蒸汽的要求；進行爐膛監視及滅火保護；送風量及爐膛負壓的控制。

    汽水系統：該系統要完成鍋爐系統兩個最重要的控制，一是鍋爐給水自動控制，一是過熱蒸汽溫度自動控制，均為復雜控制，采用了PID串級控制；鍋爐上水系統電動門的操控；鍋爐外送蒸汽的控制。

    風煙系統：主要完成爐膛的壓力及溫度參數的監控。

    MFT連鎖保護系統：是鍋爐系統的安全連鎖保護系統，主要包括手動緊急停爐保護、汽包液位高高及低低停爐保護、汽包壓力高高停爐保護、送風機全停停爐保護、引風機全停停爐保護、爐膛熄火停爐保護、爐膛負壓高高及低低停爐保護、煤氣壓力低低停爐保護等。一般現場工況不能滿足上述停爐保護的要求，或是設備的原因或是介質的原因，故對各項保護連鎖設置了投切按鈕，并對最先引起停爐的原因做了首出判斷。

    吹掃系統：一般設置手動和自動吹掃兩種方式，手動吹掃即操作工根據自己的經驗手動打開風門完成爐膛的吹掃工作，自動吹掃則由系統通過計時自動完成吹掃。

    (2) 除氧給水系統DCS控制實現

    此次除氧給水系統也在10號現場控制站中完成。

    控制主要有給水泵互備及與出口電動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；除氧器液位的自動控制；除氧器壓力的自動控制；工業水系統的監視。

    (3) 汽輪機系統DCS控制實現

    汽機DCS系統主要完成汽機本體參數的監控、保護停機及油路、水路系統的操控，而汽機調門的控制即轉速的調節則由505數字電液控制器來完成。

    汽機總控：汽輪機系統的全面監控，及水路系統的操控，包括凝結水泵的互備，射水泵的互備，熱井水位的自動控制等。

    汽機TSI監測系統：主要包括汽機本體壓力、溫度、轉速、振動、脹差、軸位移等重要參數的監控。

    汽機油路系統：油路系統壓力、溫度測點的監控；高壓交流油泵、交流潤滑油泵、直流潤滑油泵與潤滑油壓的連鎖。

    汽機ETS緊急跳閘保護系統：是汽機系統的安全連鎖保護系統，主要包括手動緊急停機保護、505緊急停機保護、汽機轉速高停機保護、冷凝器真空低停機保護、潤滑油壓低停機保護、軸向位移大停機保護、汽機軸承震動大停機保護、脹差超限停機保護、汽機保安油壓低停機保護、軸承抽力瓦溫度高停機保護、軸承回油溫度高停機保護、發電機跳閘停機保護等。各項保護連鎖均設置了投切按鈕，并對最先引起停爐的原因做了首出判斷。

5  結論

    本文詳細論述了安源鋼廠余熱處理的混合建模設計及其實現，這種建模方式層次清晰、復雜度低，使整個系統的實現易于實現，并且可靠性得到很大的提高，另外還有易于擴充的優點，有效的提高了工作效率、節省企業成本，也使得混合建模在未來的DCS設計中有越來越廣泛的應用，尤其在這種方式中，先進的現代控制理論技術可以得到有效的應用，這也是我們將來研究的重點。

參考文獻：

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    [4] 欒元迪等. PLC、DCS 及FCS 在中小型冶金生產過程控制系統中的應用[J].自動化博覽.2002.

    [5] 劉復平. 淺議面向對象的DCS控制方案[J].湖南電力.2004.

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  (北京中冶京誠工程技術有限公司自控工程技術所,北京 100088)