DCS系統在熱電廠(chǎng)的應用

1 引言   
   DCS（Distributed ControlSystem）系統在火電廠(chǎng)發(fā)電機組過(guò)程控制中的應用已有十多年的歷史了，而且正在越來(lái)越多地得到應用。當今流行的DCS系統有C＆E的MOD－300，HONEYWELL的TDC－3000，FOXBORO的I／AS，日本橫河的CENTUMXL，WESTINGHOUSE的WDPF，BAILEY的INFI－90，SIEMANS的TELEPERM ME／XP。就目前這幾家主要DCS廠(chǎng)商所提供的系統來(lái)看，在應用上均不同程度地存在一些問(wèn)題，例如系統可靠性，實(shí)時(shí)性，系統組態(tài)的靈活便捷性等都有待進(jìn)一步突破。本文對DCS系統在實(shí)際應用中存在的一些問(wèn)題加以分析探討。

 2 DCS系統推出的初衷
     DCS系統的推出并逐步發(fā)展成為過(guò)程控制領(lǐng)域的主角是由于以下一些原因：
    （1）現代化的生產(chǎn)工藝系統日趨大型化，復雜化，需要檢測和控制的參數大量增加，使得傳統的儀表控制系統顯得難以勝任，勢必得另辟蹊徑。
    （2）傳統的儀表控制系統通常使用多個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的產(chǎn)品，使得工藝生產(chǎn)所需的備品備件品種繁多，為此而化費大量人力物力，并且工藝生產(chǎn)在相當程度上依賴(lài)這些儀表生產(chǎn)廠(chǎng)商。這一狀況也希望有所改變。
    （3）數字電路技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是大規模集成電路技術(shù)的應用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在過(guò)程控制中大量使用微處理器在成本上成為可能。
    （4）自動(dòng)化控制理論的發(fā)展，特別是連續系統離散化理論，采樣理論，這些理論大大地推進(jìn)了過(guò)程控制從傳統的儀表控制系統向DCS系統變革的進(jìn)程。
    （5）通訊理論和技術(shù)的發(fā)展，在對局域網(wǎng)（LAN）的大量研究過(guò)程中，通訊理論和技術(shù)得到了極大的發(fā)展和完善，這方面對DCS系統發(fā)展的影響是舉足輕重的。
    （6）計算機應用技術(shù)的發(fā)展，尤其是微軟公司的WINDOWS－95這樣的操作系統軟件的推出，為計算機在過(guò)程控制系統中的應用奠定了基礎，計算機和操作人員之間有了良好的界面，使不具備計算機專(zhuān)門(mén)知識的操作人員樂(lè )于接受。
    （7）計算機集中控制系統存在固有的一些缺陷如故障集中，因此為了提高可靠性而需要巨大的費用，集中控制系統需要較大規模的計算機，價(jià)錢(qián)昂貴。相對來(lái)說(shuō)DCS系統所用的微處理器和微機要便宜得多，故障相對分散，并且DCS系統中的微機或微處理器是并行運行的，相對于集中控制系統計算機的串行運行來(lái)說(shuō)處理速度也大大提高，因此具有更高的實(shí)時(shí)性指標，這些是DCS系統優(yōu)于集中控制系統而得到迅速發(fā)展的關(guān)鍵所在。
    以上列舉了足以說(shuō)明為什么DCS系統會(huì )在過(guò)程控制領(lǐng)域一顯身手的主要原因?，F在來(lái)看看最初推出DCS系統的一些初衷。
    DCS系統是相對于計算機集中控制系統而言的計算機（或微機）控制系統，它是在對計算機局域網(wǎng)的研究基礎上發(fā)展起來(lái)的，是過(guò)程控制專(zhuān)家們借用計算機局域網(wǎng)的研究成果，把局域網(wǎng)變成一個(gè)實(shí)時(shí)性、可靠性要求很高的網(wǎng)絡(luò )型控制系統，運用于過(guò)程控制領(lǐng)域。專(zhuān)家們把這樣的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )型控制系統稱(chēng)之為DCS。專(zhuān)家們的初衷應該是，這樣的控制系統至少帶來(lái)以下一些好處：
    （1）故障分散。這是推出DCS系統的最大理由，DCS系統就是要解決集中控制系統致命的弱點(diǎn)，“故障集中”。故障分散的理由是DCS系統采用了大量的微處理器，各個(gè)微處理器承擔一個(gè)范圍較小的（地域上）控制任務(wù)，某個(gè)微處理器故障不會(huì )影響整個(gè)系統的正常工作。
    （2）縮小控制室尺寸或控制表盤(pán)的長(cháng)度。
    （3）大量縮減控制系統所需的電纜。
    （4）大量減少控制系統所需的備品備件種類(lèi)及數量。
    （5）減少工藝生產(chǎn)的運行對儀表控制設備廠(chǎng)商的依賴(lài)，減少儀控人員培訓所需的費用。
    （6）提供了控制系統構成的靈活性，具有組態(tài)便利和可擴展性。
    （7）實(shí)現過(guò)程實(shí)時(shí)參數和歷史數據的管理，提供性能計算，設備壽命計算功能。這一點(diǎn)是傳統的儀表控制系統所望塵莫及的。
     3 目前階段市場(chǎng)能提供的DCS系統的實(shí)際能力
    從在浙江省電力系統發(fā)電廠(chǎng)中應用的BAILEY的INFI－90，C＆E的MOD－300以及SIEMENSR的TELEPERM－ME／XP等DCS系統來(lái)考察，筆者的見(jiàn)解如下：
    （1）關(guān)于故障分散。相信大多數DCS系統生產(chǎn)廠(chǎng)商現階段所提供的系統在實(shí)際應用中并非想象的那么“故障分散”。事實(shí)上，由于DCS系統在應用技術(shù)方面尚存在一些問(wèn)題，1臺由DCS系統控制的火電廠(chǎng)單元發(fā)電機組，因DCS系統的某些故障而被迫停運的情況時(shí)有發(fā)生。這一點(diǎn)與傳統的儀表控制系統相比后者似乎要優(yōu)于前者。正因為這樣，DCS系統的構成越接近傳統的儀表控制系統，即微處理器或多功能控制器所承擔的控制任務(wù)從地域上越分散，越能做到故障分散。從這一點(diǎn)上看，SIEMAMS的系統做得較好，它的一塊控制卡件（帶有微處理器，可與其他卡件或通過(guò)通訊總線(xiàn)與其他子系統如操作員站工程師工作站等通訊）只承擔2～4個(gè)電動(dòng)機或電動(dòng)門(mén)的開(kāi)環(huán)控制回路，或1～2個(gè)閉環(huán)控制回路，并且這塊卡件既承擔邏輯控制功能，又承擔與這些邏輯控制有關(guān)的I／O功能。這樣做對故障分散是十分有利的。然而，其它的系統通常把許多過(guò)程控制任務(wù)集中在少數多功能控制卡件或微處理器身上，把過(guò)程控制的輸入輸出即I／O功能集中在I／O卡件上。這些系統客觀(guān)上是把過(guò)程控制的故障集中起來(lái)而不是把它們分散，似乎有悖于“DCS”這個(gè)名稱(chēng)。不過(guò)SIE－MANS的系統也有問(wèn)題，它的ETHERNET與ME系統的通訊還有些問(wèn)題需要解決。SIEMANS的TELEPERM－ME系統是一個(gè)非常成熟的系統，ME系統加上ETHERNET網(wǎng)絡(luò )就是最新推出的TELEPERM－EM／XP系統（浙江臺州發(fā)電廠(chǎng)四期兩臺330 MW機組中應用），因為是新的系統，相信許多應用軟件（尤其是那些有關(guān)通訊的軟件）還得經(jīng)歷時(shí)間的考驗。如果這些問(wèn)題得到了解決，則無(wú)論從故障分散這個(gè)角度還是其它方面例如制造工藝來(lái)看，它都占有一定程度的優(yōu)勢。DCS，故障分散，似乎SIEMANS的路子是走對了，因為他們的系統最接近傳統的儀表控制系統，控制功能比較分散，要做到故障分散，一定得把控制功能分散。
    （2）關(guān)于控制室的尺寸和表盤(pán)長(cháng)度。這一點(diǎn)所有的DCS系統都做得到。不過(guò)與傳統的儀表控制系統相比，電子室的尺寸和設備相對增加，這一點(diǎn)DCS系統給我們帶來(lái)的實(shí)際利益并不顯著(zhù)。
    （3）關(guān)于節約電纜。由于DCS系統所采用的設備器件在現階段來(lái)說(shuō)仍然是比較嬌貴，對現場(chǎng)環(huán)境的要求比較高，例如需要防塵和空調，REMOTEI／O還不能大量使用，因此，DCS系統的主要設備都需要安置在條件比較好的電子室，大量的現場(chǎng)信號仍然需用電纜接到電子室。所以說(shuō)，與傳統的儀表控制系統相比，電纜有所縮減，但效益有限。
    （4）關(guān)于減少備品備件的種類(lèi)和數量。備品備件的種類(lèi)和數量有所減少，并且需要與之打交道的儀表控制設備制造廠(chǎng)商也有所減少。
    （5）關(guān)于減少機組運行對儀表控制設備制造廠(chǎng)商的依賴(lài)，減少儀控人員技術(shù)培訓所需的費用。由于DCS系統在應用技術(shù)方面還不能盡如人意，因此，機組運行對DCS系統生產(chǎn)廠(chǎng)商的依賴(lài)不但沒(méi)減少反而有所增加，尤其在機組新建成投產(chǎn)期間，DCS生產(chǎn)廠(chǎng)家派往工地的專(zhuān)家服務(wù)似乎成了機組投產(chǎn)調試期間必不可少的了。為了用好DCS系統需要培訓的工程技術(shù)人員也有所增加，因此培訓所需費用也有所增加。
    （6）關(guān)于控制系統構成的靈活性，組態(tài)的便捷性和系統的可擴展性。系統構成的靈活性以及系統的可擴展性，這一點(diǎn)確實(shí)是傳統的儀表控制系統無(wú)法與之相比的。大多數DCS系統的組態(tài)也是比較方便的。不過(guò)多數系統在在線(xiàn)組態(tài)功能方面尚有許多工作可做，好多系統為離線(xiàn)組態(tài)，在工程師站編程，然后編譯，再下載。并且有些系統這一過(guò)程比較費時(shí)，在調試期間這一問(wèn)題尤其突出。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，SIEMANS的系統較有特色，它不但在線(xiàn)組態(tài)，而且設計有仿真功能，這給調試工作帶來(lái)極大的方便。
    （7）關(guān)于DCS系統提供了一些獨特的控制功能，如歷史數據和實(shí)時(shí)數據的管理，性能計算等等。這一點(diǎn)是傳統的儀表控制系統所無(wú)可比擬的，正是由于DCS的這些優(yōu)勢，把過(guò)程控制推向一個(gè)新的更高層次的領(lǐng)域。
    綜上所述，現階段市場(chǎng)所能提供的DCS系統在應用中帶來(lái)的益處遠沒(méi)有象我們想象的那么多。當然，DCS系統解決了現代化大生產(chǎn)中過(guò)程控制傳統的儀表控制系統難以勝任這一問(wèn)題，而相對于計算機集中控制來(lái)說(shuō)故障還是分散的，在許多方面有其獨特的優(yōu)點(diǎn)，是傳統的儀表控制系統和計算機集中控制系統所無(wú)法比擬的。
    4 應用中存在的一些問(wèn)題
    現在的DCS系統在應用技術(shù)方面尚有以下一些問(wèn)題：
    （1）故障分散。目前的DCS系統還沒(méi)有做到真正意義上的故障分散，這一方面是由于目前的器件仍然比較嬌貴，因此控制系統在地域上做到分散還不能實(shí)現（盡量接近傳統的儀表控制系統）。工業(yè)控制的現場(chǎng)條件一般是比較惡劣的，粉塵，溫度，濕度對現階段廠(chǎng)商所能提供的遠程I／O卡來(lái)說(shuō)仍然難以適應。如北侖電廠(chǎng)1號機有些I／O卡只能相對集中放置在現場(chǎng)，在調試期間也曾經(jīng)發(fā)生過(guò)因為這些I／O柜進(jìn)水而影響整個(gè)系統的正常運行。再如北侖電廠(chǎng)3號機在循泵房設置了遠方I／O柜，電纜當然是節約一些，但I／O柜上設置了小空調，費用仍然省不了多少。另一方面，設計上控制功能還不夠分散，包括DCS系統本身的設計和工程設計兩方面。如MOD－300系統，它的I／O太集中，I／O卡的故障會(huì )影響系統的正常工作。另外，機組的輔機控制是由可編程邏輯控制器即PLC系統完成的，它與MOD－300系統之間通訊用了一個(gè)GATEWAY，這個(gè)GATEWAY成了整個(gè)控制系統的一個(gè)瓶頸，一旦它發(fā)生故障，就會(huì )影響機組的正常運行。再如北侖電廠(chǎng)3號機的系統，機組的輔機控制由它的SCS子系統完成，SCS子系統的一個(gè)MFP設計了300點(diǎn)左右的I／O卡，并且一塊I／O卡16點(diǎn)又設計成用于不同的控制對象，即一個(gè)被控對象要用到好幾塊I／O卡。因此，一塊I／O卡故障，要影響好幾個(gè)控制對象的正常工作，一個(gè)控制對象要檢修，要牽涉到好幾塊I／O卡。另外，一個(gè)MFP所包含的被控對象也太多，一塊MFP卡的故障會(huì )影響好些控制回路的正常工作。象這樣設計的控制系統，勢必對卡件或者系統的可靠性要求很高。
    文獻〔1〕和文獻〔3〕都談到了目前已有一些廠(chǎng)商在研究或已推出一種稱(chēng)為FCS的系統，即現場(chǎng)智能儀表結合現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)構成的過(guò)程控制系統。顯然，這樣的系統十分接近傳統的儀表控制系統。從理論上講，智能化的控制儀表就放置在被控設備附近，控制功能在地域上可以徹底分散，因此，故障也可以徹底分散。但是，實(shí)際上就目前的元器件生產(chǎn)技術(shù)水平以及計算機技術(shù)通訊技術(shù)現狀來(lái)說(shuō)，FCS也許同樣得面臨DCS所面臨的困難。首先，FCS得解決工業(yè)控制現場(chǎng)環(huán)境十分惡劣的問(wèn)題。其次，現場(chǎng)控制設備空間分布，地域上十分分散，現場(chǎng)總線(xiàn)的連接不是一件易事，通訊上也將面臨節點(diǎn)太多的困難。
    （2）實(shí)時(shí)性。過(guò)程控制要求控制系統有很高的 實(shí)時(shí)性。目前的系統由于通訊技術(shù)和計算機技術(shù)的限制，在實(shí)時(shí)性方面仍然有待提高，如早期的MOD－300系統，操作一個(gè)閥門(mén)，從操作員按鍵發(fā)出命令到在屏幕上看到反饋信號要十幾秒時(shí)間。后來(lái)經(jīng)過(guò)硬件升級，更換成新一代芯片，問(wèn)題才得以解決。有些系統因為畫(huà)面打開(kāi)速度慢，操作一個(gè)設備要切換好幾幅畫(huà)面，使得在緊急情況下，操作人員感到很不方便；另外，通訊所需的時(shí)間（或者DCS系統響應的時(shí)間）惡化了控制對象的特性，使閉環(huán)控制系統的過(guò)渡過(guò)程品質(zhì)指標下降。
    （3）組態(tài)的便捷性以及必要的權限保護。關(guān)于系統組態(tài)，現在的DCS系統大都采用計算機窗口技術(shù)，一般來(lái)說(shuō)是方便的，但在在線(xiàn)組態(tài)方面仍然有需要研究的地方。多數系統在工程師站進(jìn)行組態(tài)，然后下載到控制子系統或者說(shuō)控制卡件中去，而一般這個(gè)過(guò)程是十分費時(shí)的，尤其在調試過(guò)程中，組態(tài)的修改是經(jīng)常性的事，需要尋求一種既方便又安全的在線(xiàn)組態(tài)方法。
    （4）制造工藝和安裝工藝。影響DCS系統正常使用的很重要的一個(gè)因素是制造工藝和安裝工藝。有時(shí)就是因為一個(gè)小小的插件質(zhì)量不好，接觸不良而釀成了重大的故障或事故。有些系統提供的硬件制造工藝不能令人滿(mǎn)意，提供的卡件、接插件做得不夠可靠，一些卡件故障，有時(shí)去拔一下，插一下，或者搖幾下故障就消失了。這方面是DCS生產(chǎn)廠(chǎng)商必須引起高度重視的一個(gè)問(wèn)題。如果所提供的系統在工藝上都不能滿(mǎn)足可靠性的要求，那么原理上再吸引人也難以令人接受。另一方面是安裝工藝，這也是DCS系統應用技術(shù)要加以研究的一個(gè)方面。
    (5）應用軟件的可靠性、成熟性。DCS系統由于應用的實(shí)踐還處在不斷的積累過(guò)程中，許多應用軟件還不是很成熟，它的可靠性還有待時(shí)間的考驗。這方面DCS系統生產(chǎn)廠(chǎng)商應加強研究，使已付諸使用或即將付諸使用的DCS系統軟件具有足夠的可靠性。
    5 結論
    以上從推出DCS的理由以及DCS為什么會(huì )成為過(guò)程控制領(lǐng)域的主流的原因出發(fā)，進(jìn)而提出了現階段市場(chǎng)能夠提供的DCS系統在應用技術(shù)方面尚存在的一些問(wèn)題，這些問(wèn)題有：（1）有關(guān)故障分散方面的；（2）有關(guān)實(shí)時(shí)性方面；（3）有關(guān)組態(tài)的便捷性以及必要的權限保護；（4）有關(guān)制造工藝和安裝工藝方面的；（5）有關(guān)應用軟件的可靠性方面的?？蓺w納為設計的問(wèn)題，元器件生產(chǎn)技術(shù)的問(wèn)題，工藝的問(wèn)題。DCS系統應從過(guò)程控制的實(shí)際需要出發(fā)，針對自身的不足，無(wú)論在結構上、所采用的器件上，還是所采用的技術(shù)上，不斷地提高和發(fā)展。使DCS系統在應用技術(shù)方面有新的突破。