赵建勋 白田田
中国电建集团河南省电力勘测设计院有限公司 河南郑州 450000
摘要：发电厂作为典型的复杂工业系统一直在不断推广和应用自动控制技术。分散控制系统（DCS）以其可靠稳定、灵活易扩展、方便维护等优点成为电厂热工控制的主流系统。本文对DCS的系统组成和发展现状进行了介绍，列举了其在电厂热工控制系统中的应用优势，并对发电厂DCS的发展方向进行了展望。
关键词：DCS；发电厂；热工控制系统；应用优势；发展
引言
我国经历了几十年的快速工业化发展，工业自动化水平显著提高，这其中DCS系统发挥了巨大的作用。DCS以其可靠、灵活、适应性强等特点被广泛应用于各个行业，而在发电厂热工系统中的应用就很具有代表性。该系统提高了发电运行效率，减轻了运维人员负担。本文将围绕DCS在电厂热工控制系统中的应用优势与发展方向进行介绍，并说明当下研究DCS系统的意义。
1.DCS系统组成及现状分析
分散控制系统从结构上自下而上可以分为现场级、控制级、监控级和管理级。现场级包含了分散在生产现场的各种传感器、变送器、执行机构等。控制级是指位于电子设备间内的过程控制站、数据采集站，用以接收现场级送来的各种信号，并按既有的控制策略进行处理，送回生产现场。监控级包含操作员站、工程师站、历史站等，三者各司其职，分别用于监控运行情况并远操现场设备、修改组态逻辑、进行数据分析。最顶层的管理级是指值长、总工、厂长等的办公计算机，用于监控电厂生产状况和进行预测、决策。目前，DCS以其可靠稳定、灵活易拓展等优点，广泛应用于350MW以上容量的火电机组，特别是对汽轮机和锅炉主系统的控制当中。对于火电厂的DCS，按照功能可以分为顺序控制系统、模拟量控制系统、锅炉安全监视系统、汽机数字电液调节系统、汽机安全监视系统，协调控制系统、数据采集系统等。
由于各种历史发展原因，我国火电厂目前主要采用艾默生、西门子、横河等外国的DCS系统。但是以上海新华、和利时等为代表的中国DCS厂商的产品也在不断完善和追赶。另外，随着中国综合国力的增强，西方对中国的技术封锁已经越发露骨，这也激发了我国自主研发、独立自强的决心。华能西安热工院于2020年11月成功研制出了基于国产芯片、国产操作系统和国产核心元器件的，具有完整自主知识产权的华能睿渥。西方“卡脖子”的行为，也会成为中国包括DCS在内的国产化技术发展、替代的契机。
2.DCS 在电厂热工控制系统中的应用优势
2.1分散风险、集中管理
发电厂热工系统的运行控制对象往往受到众多的生产变量和干扰源的影响。这些影响因素是非线性、强耦合的，这无疑增加了电厂自动控制系统的设计难度。电厂之前采用组合式仪表、直接数字控制（DDC）等控制方法。但是组合式仪表不够灵活和直观，DDC又存在危险集中、可靠性差等问题。DCS通过模数转换将大规模的仪表系统和数字控制相结合，实现了分散控制、分散故障风险、集中管理、集中显示监视，更好地实现了热工系统的可靠稳定运行。
2.2灵活易扩展
发电厂的寿命一般为二三十年，期间要经历频繁的维修和技改。DCS采用的是模块化的设计方法，可以按照生产规模、控制需要对系统进行配置和扩充，既达到了生产运行的要求，又合理控制了成本、充分利用了资源。另外，远程智能I/O产品也扩展了DCS的控制方式。其主要由智能前端、计算机适配器和现场通信总线等组成。
智能前端可以灵活地进行A/D和D/A转换，可以作为一个独立的小系统存在，通过适配器对网络进行协调管理，与主控系统进行信息交换，通过现场通信总线技术实现一点对多点的工作模式。远程智能I/O的应用使DCS系统更加安全，与现场总线更加兼容。
2.3优化全程监控
DCS是4C（计算机、通讯、显示、控制）技术相结合的产物，拥有强大的通讯和显示功能。DCS的一个显著优势是人机界面的优化，不需要太多监控人员,既减少了就地误操作的潜在风险，也压缩了人工成本，有利于提升电厂整体的经济效益。
3.电厂DCS系统的维护和发展
3.1硬件的管理与维护
通常，输出和输入模块的故障由系统本身诊断和恢复。而一旦发生严重故障，就需要更换模块。由于许多技术人员对DCS模块缺乏全面的了解，而且有时候也很难在故障后准确锁定原因，所以故障发生后往往是由制造商来进行修理。
目前随着发电厂建设步伐的放缓，DCS设备厂商越发重视现有电厂维修和技改带来的收益。许多厂商针对现有系统兼容性上的局限，以及运维人员对现有设备的依赖，在逐渐提升DCS硬件的维修、更换、扩展报价。在这样的大背景下，发电厂应当建立完善的管理制度，加强对现有硬件管理与维护，减少不必要的损坏。
3.2先进控制技术
DCS系统在电厂热工系统控制回路中通常使用传统的PID控制器。传统的PID控制器可以为具有线性，时不变和小延迟的系统建立比较准确的数学模型，并且参数调整相对容易，控制效果良好。但是对于高度复杂、非线性、时变的系统，PID的控制效果往往不好。目前，非线性预测控制、鲁棒预测控制、智能控制等先进的控制策略正逐渐被采用到复杂的工业过程控制中。先进的控制策略可以通过外挂式或者网络式在DCS计算站中进行实现。
3.3现场总线技术
DCS系统中，现场仪表与控制站间采用的是独立导线的电信号传输，现场许多智能仪表的功能都无法发挥作用。而现场总线技术（FCS）是在DCS、PLC基础上发展而来的，可以在现场仪表和控制设备之间实现双向、串行、多节点的数字通信。
FCS将设备在总线上并联连接，通过总线接收、发送数字信号。FCS的应用，可以减少施工阶段的接线和安装工作，进一步提高控制功能的分散性，增加控制站与现场仪表的信息交互量，扩大操作视野，是电厂控制系统的一大发展方向。就DCS系统而言，它具有维护成本高和接口兼容性差的问题。将现场总部线技术用于DCS系统的建设中，可以实现现场本地控制系统架构的优化，同时又兼顾了电厂系统整体的可靠性。
4.结语
DCS系统具有清晰的控制结构，可靠稳定的控制性能，并且可以根据生产过程的需要进行灵活扩展，维护方便，因此成为化工、电力企业中的主流控制系统。发电作为典型的复杂工业系统，是我国较早引入和推广DCS系统的行业，但也造成了当前外国DCS系统大行其道，国产DCS未能完全发展壮大的局面。自贸易战以来，我国更加深刻地认识到技术兴邦、独立自强的重要性。本文对DCS的应用进行回顾和梳理，阐述了对DCS发展的看法。相信我国会在DCS控制系统上尽快实现对外国系统的追赶和超越。
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