1、引言

　　隨著電力改革進(jìn)入關(guān)鍵階段，減員增效、提高電廠信息集成化和自動(dòng)化水平已經(jīng)成為各發(fā)電企業(yè)的共識(shí)。而各發(fā)電企業(yè)在不斷提高主控系統(tǒng)的自動(dòng)化水平的同時(shí)，也要大力著手提高輔助公用系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，從而提高電廠整體水平，使主控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)都處在最佳的運(yùn)行環(huán)境中，因此提高輔助系統(tǒng)的自動(dòng)化水平(特別是那些比較老的、自動(dòng)化程度不高的電廠)已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。

　　華祥熱電有限公司輸煤控制系統(tǒng)處于起步階段，除了輸煤皮帶采用plc實(shí)現(xiàn)順序控制，上煤、配煤、碎煤、除塵等工序由于設(shè)備更新不到位，設(shè)備的陳舊引起煤的跑、冒、滴、漏，影響自動(dòng)化水平的提高。這次改造使用了和利時(shí)公司的dcs系統(tǒng)，使輸煤系統(tǒng)的控制功能更加完善，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制，極大的提高了神頭第一發(fā)電廠的自動(dòng)化水平。整個(gè)系統(tǒng)如附圖所示。

　　2、硬件系統(tǒng)介紹

　　本系統(tǒng)采用北京和利時(shí)系統(tǒng)工程股份有限公司的macs 分布式dcs(distributed control system)控制系統(tǒng)平臺(tái)，完成華祥熱電有限公司輸煤系統(tǒng)改造技術(shù)要求所規(guī)定的模擬量控制(mcs)、順序控制(scs)、數(shù)據(jù)采集(das)等功能，并負(fù)責(zé)與其他供應(yīng)商所供儀表和控制系統(tǒng)之間接口的設(shè)計(jì)及供貨工作，如圖1所示。

圖1 DCS系統(tǒng)圖

　　macs是基于客戶/服務(wù)器(client/server)體系結(jié)構(gòu)的大型分布式控制系統(tǒng)，從邏輯結(jié)構(gòu)上分為現(xiàn)場(chǎng)采集控制級(jí)，中央處理級(jí)和操作級(jí)。、

　　針對(duì)神頭發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)的工藝概況描述進(jìn)行分散控制系統(tǒng)的配置，根據(jù)系統(tǒng)的要求，macs硬件配置如下：1個(gè)配電柜;1個(gè)工程師站;2臺(tái)操作員站;2個(gè)服務(wù)器;1個(gè)i/o控制站;2個(gè)擴(kuò)展柜。

　　配電柜用來(lái)給macs系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備進(jìn)行電源分配和供電。主控制室2臺(tái)操作員站實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、控制操作、數(shù)據(jù)采集等功能，通過(guò)設(shè)置密碼限制不同級(jí)別人員操作。操作員可通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)操作功能。服務(wù)器用來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、存貯和任務(wù)調(diào)度和歷史數(shù)據(jù)存貯。工程師站平時(shí)運(yùn)行時(shí)可作為系統(tǒng)管理操作站，進(jìn)行全程監(jiān)控。同時(shí)用于系統(tǒng)組態(tài)、程序開發(fā)、數(shù)據(jù)庫(kù)及畫面的編輯和修改等工作。采集控制柜包括機(jī)柜、電源、主控單元和過(guò)程i/o單元等主要配套設(shè)備，電源、主控單元均采用冗余配置方式。主控單元和過(guò)程i/o單元之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)cnet連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)邏輯上完整的數(shù)據(jù)采集控制站。主控單元主要完成以采集控制站為中心的相對(duì)集中的數(shù)據(jù)處理和控制運(yùn)算工作;過(guò)程i/o單元為智能化結(jié)構(gòu)，主要完成與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的連接以及與本模塊相關(guān)的i/o處理工作。

　　2.1 現(xiàn)場(chǎng)總線

　　macs系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站內(nèi)采用國(guó)際上最流行的現(xiàn)場(chǎng)總線profibus-dp來(lái)連接主控單元和i/o單元。profibus-dp是專門為自動(dòng)控制系統(tǒng)與在設(shè)備級(jí)分散i/o之間進(jìn)行通訊而設(shè)計(jì)的。既可滿足高速傳輸，又有簡(jiǎn)單實(shí)用、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　profibus-dp符合en50170標(biāo)準(zhǔn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，在總線兩端有有源總線端接器。最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為127，其中每個(gè)分段上最多可接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，各段可通過(guò)中繼器相連。傳輸速率9.6kbps～12mbps，與每段距離有關(guān)。當(dāng)距離在100米內(nèi)時(shí)，可達(dá)12mbps。通訊介質(zhì)采用屏蔽雙絞線或光纖。

　　2.2 主控單元

　　主控單元是現(xiàn)場(chǎng)控制站的中央處理單元，主要承擔(dān)本站的部分信號(hào)處理、控制運(yùn)算、與上位機(jī)及其它單元的通訊等任務(wù)。它是一個(gè)高性能的工業(yè)級(jí)中央處理單元，采用模塊化結(jié)構(gòu)，主控單元可以熱備份方式冗余使用。主控單元cpu 采用pentium ii芯片，主頻 233mhz以上;內(nèi)存為32m(db)，2msram(帶掉電保護(hù))。

　　2.3 輸入輸出單元

　　過(guò)程輸入輸出單元(i/o單元)是完成與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的連接、對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行的采集與轉(zhuǎn)換、對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行限幅等處理的智能單元。模塊采用智能化設(shè)計(jì)和看門狗定時(shí)、多級(jí)隔離、自動(dòng)診斷、輸出回饋以及系統(tǒng)故障時(shí)輸出自動(dòng)切換到安全狀態(tài)等可靠性措施。

　　過(guò)程輸入輸出單元根據(jù)功能分為模入、模出、開入、開出和脈沖量處理、回路控制幾類。其中模入、模出單元可冗余配置，以保證重要信號(hào)能得到可靠處理。

　　單元采用模塊化結(jié)構(gòu)，通常由模塊主體和底座兩部分組成。模塊主體由外殼和內(nèi)部模板組成，一般有兩塊板，一塊為cpu板，另一塊為i/o處理板。 底座為無(wú)源底板，起連接信號(hào)、固定模塊主體、并為模塊主體供電等作用。

　　3、硬件系統(tǒng)性能分析

　　3.1 中央處理單元負(fù)荷

　　對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制站cpu和操作員站的cpu負(fù)荷率一般采用實(shí)測(cè)結(jié)果，采用這種體系結(jié)構(gòu)可以保證在滿配置的繁忙工況下的現(xiàn)場(chǎng)控制站負(fù)荷率低于60%，操作站負(fù)荷率低于40%。

　　3.2 電源負(fù)荷分析

　　每個(gè)過(guò)程i/o模塊采用了低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)(如盡量采用低功耗的cmos集成電路、低電壓供電等)，使每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站機(jī)柜在滿配置的情況下，總的電源消耗不超過(guò)50%。每個(gè)i/o模塊的額定輸入功率小于2w。在滿配置時(shí)，機(jī)柜容量為50個(gè)i/o模塊，總電源功耗為200w(=2w×50個(gè)i/o模塊+50 w×2個(gè)冗余主控模塊)，電源模塊的輸出功率為450w，電源的負(fù)荷為44.4%(=200 w/450w)。本計(jì)算是針對(duì)單電源模塊時(shí)i/o站機(jī)柜滿配置的計(jì)算結(jié)果。

　　3.3 內(nèi)存和外存余量分析

　　本系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制站配34m內(nèi)存，實(shí)際占用2.5mb，余量為92.6%;現(xiàn)場(chǎng)控制站不需要外存;操作員站內(nèi)存和外存余量大于50%;服務(wù)器內(nèi)存為256mb，實(shí)際使用8～16mb，余量大于93%;外存一般配20g硬盤，實(shí)際使用小于1g，余量大于90%。

　　3.4 網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分析

　　(1) 控制網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分析?？刂凭W(wǎng)絡(luò)采用profibus-dp協(xié)議，prof ibus-dp采用輪巡的傳輸協(xié)議，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)有n個(gè)dp設(shè)備，通訊時(shí)系統(tǒng)主站首先對(duì)#1從站(#1dp設(shè)備)發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，#1從站根據(jù)請(qǐng)求返回?cái)?shù)據(jù)，接著主站對(duì)#2從站發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，#2從站根據(jù)請(qǐng)求返回?cái)?shù)據(jù)……，主站對(duì)#n從站發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，#n從站根據(jù)請(qǐng)求返回?cái)?shù)據(jù)，主站對(duì)#1從站(#1dp設(shè)備)發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，#1從站根據(jù)請(qǐng)求返回?cái)?shù)據(jù)……。系統(tǒng)一直不停的輪巡所有設(shè)備。

　　我們考慮系統(tǒng)輪巡一遍設(shè)備所用的時(shí)間，系統(tǒng)可配置成八種通訊速率，我們按照1.5mbps進(jìn)行分析：

　　每秒鐘通訊字節(jié)數(shù)1500000÷8=187500 byte字節(jié)

　　按現(xiàn)場(chǎng)控制站的應(yīng)用軟件通訊協(xié)議，查詢幀為4個(gè)byte，模擬量模件、脈沖量模件的幀為20(頭3位，數(shù)據(jù)16位，crc校驗(yàn)1位)byte，開關(guān)量模件的幀為6(頭3位，數(shù)據(jù)2位，crc校驗(yàn)1位)byte，而每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站的dp主卡的雙口ram包括輸入3584 byte、輸出3584byte，每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站理論上可以帶125個(gè)dp模塊，主站與從站的握手協(xié)議包括診斷不大于20 byte。

　　因此，每一次輪巡的最大通訊量為：

　　3584+3584+125*20=9668byte

　　9668/187500=5.15%

　　可見，控制網(wǎng)絡(luò)即使在全部測(cè)點(diǎn)按照最快掃描周期并且在極限傳輸量情況下，也處于十分空閑狀態(tài)。因此profibus-dp的負(fù)荷率完全滿足使用要求。

　　(2) ethernet網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分析。ethernet 通信采用tcp/ip協(xié)議，通訊有發(fā)送和確認(rèn)控制。幀控制信息開銷=12(幀間距)+8(同步碼)+18(幀首、尾)+24(ip包首部)+24(tcp包首部)=86byte。由協(xié)議可知：

　　用戶數(shù)據(jù)平均包長(zhǎng)=1452(最大用戶數(shù)據(jù)包長(zhǎng))/2=726byte，則：

　　平均用戶數(shù)據(jù)利用率=用戶數(shù)據(jù)平均包長(zhǎng)/(發(fā)送幀控制信息開銷+確認(rèn)幀控制信息開銷+用戶數(shù)據(jù)平均包長(zhǎng))=726/(86+86+726)=80.85%

　　由上述分析可知，此dcs系統(tǒng)可以滿足穩(wěn)定的控制要求，硬件系統(tǒng)有較大的冗余量，可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　4、控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)

　　4.1 上煤路線的選擇

　　由于華祥熱電有限公司的輸煤皮帶系統(tǒng)比較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在輸煤皮帶的上下級(jí)關(guān)系比較復(fù)雜。系統(tǒng)由35條皮帶組成，給三個(gè)單元的原煤倉(cāng)上煤。例如有如下上煤路線：

　　一單元上煤路線：

　　(1) #0甲皮帶→#5甲皮帶→#7甲、乙皮帶→犁煤器→煤倉(cāng)。

　　(2) 推煤機(jī)→#0乙側(cè)皮帶(#1、#2輪斗機(jī))→#8甲側(cè)皮帶→#2甲側(cè)皮帶→#1碎煤機(jī)→給料帶反轉(zhuǎn)→#3皮帶→#5甲、乙側(cè)皮帶→#7甲、乙側(cè)皮帶→犁煤器→煤倉(cāng)。

　　(3) 翻車機(jī)#1、#2給料帶→#1甲、乙皮帶→#2甲側(cè)皮帶→#1碎煤機(jī)→給料帶反轉(zhuǎn)→#3皮帶→#5甲、乙側(cè)皮帶→#7甲、乙側(cè)皮帶→犁煤器→煤倉(cāng)。

　　由上面的路線可知，系統(tǒng)的上煤路線較復(fù)雜，所以我們采用了首先選擇上煤終點(diǎn)，按由后向前的順序選擇上煤路線，直到選擇上煤起點(diǎn)。另外，我們也給出了幾條最優(yōu)的上煤路線，供用戶進(jìn)行方便快速的選擇。

　　4.2 手動(dòng)與自動(dòng)方式

　　系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止方式可以為手動(dòng)和自動(dòng)方式。當(dāng)在系統(tǒng)圖上選擇運(yùn)/配煤設(shè)備后、并接收到相應(yīng)的設(shè)備“準(zhǔn)備好”信號(hào);所有指示表明可以啟動(dòng)時(shí)，操作人員通過(guò)系統(tǒng)啟動(dòng)命令來(lái)啟動(dòng)運(yùn)/配煤系統(tǒng)。當(dāng)不允許啟動(dòng)或所選設(shè)備無(wú)效時(shí)，內(nèi)部連鎖能防止任何設(shè)備啟動(dòng)。當(dāng)“系統(tǒng)停止”命令輸入鍵盤時(shí)，系統(tǒng)按正常清除順序停止，或當(dāng)出現(xiàn)危害人身、設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)立即停止。自動(dòng)方式為主要的運(yùn)行方式，運(yùn)行人員應(yīng)能選擇一個(gè)完整和合適的路徑，以便將煤運(yùn)送到煤倉(cāng)。

　　4.3 連鎖功能的實(shí)現(xiàn)

　　手動(dòng)方式中，除了運(yùn)行人員必須按照正確順序通過(guò)鍵盤上的啟動(dòng)/停止命令來(lái)啟動(dòng)和停止各個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)也應(yīng)象自動(dòng)方式一樣完全連鎖。以確保運(yùn)行人員按正確的順序來(lái)啟動(dòng)和停止所有設(shè)備。啟動(dòng)上煤設(shè)備優(yōu)先啟動(dòng)碎煤機(jī)，啟動(dòng)時(shí)按逆煤流方向，從最后一條皮帶(及相關(guān)設(shè)備)開始一次啟動(dòng)。直到第一條皮帶(及相關(guān)設(shè)備)啟動(dòng)后才開始供煤;停運(yùn)時(shí)按順煤流方向，先停供煤設(shè)備，然后從第一臺(tái)至最后一臺(tái)設(shè)備依次停止，最后停止碎煤機(jī)運(yùn)行。

　　4.4 自動(dòng)加倉(cāng)功能的實(shí)現(xiàn)

　　自動(dòng)加倉(cāng)功能主要是應(yīng)用了功能塊圖和st(結(jié)構(gòu)化文本)編寫的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中主要有比較邏輯、與邏輯、或邏輯，還有分支結(jié)構(gòu)語(yǔ)句，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，能按預(yù)定目標(biāo)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加倉(cāng)功能。

　　(1) 根據(jù)鍋爐對(duì)每個(gè)煤倉(cāng)的加倉(cāng)要求，加倉(cāng)前由運(yùn)煤控制室的值班人員調(diào)出加倉(cāng)畫面，同時(shí)通過(guò)鍵盤輸入給定加倉(cāng)指令，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加倉(cāng)配煤。主要實(shí)現(xiàn)了分單元加倉(cāng)功能。

　　(2) 加倉(cāng)開始，先依次給出現(xiàn)超低煤位倉(cāng)配煤，直至消除煤倉(cāng)的所有低煤位信號(hào)。

　　(3) 所有的低煤位信號(hào)消失后，再進(jìn)行順序配煤，當(dāng)倉(cāng)滿后轉(zhuǎn)到下一個(gè)煤倉(cāng)進(jìn)行順序配煤，直到所有的煤倉(cāng)滿為止。

　　(4) 順序配煤過(guò)程中，如果又出現(xiàn)超低煤位、低煤位倉(cāng)，則停止原煤倉(cāng)順序加倉(cāng)程序，優(yōu)先為超低煤位、低煤位倉(cāng)配煤，消除超低煤位、低煤位，再轉(zhuǎn)入順序加倉(cāng)程序。

　　(5) 當(dāng)全部煤倉(cāng)出現(xiàn)滿煤位信號(hào)(并報(bào)警)后，程序自動(dòng)停機(jī)并把皮帶上的余煤均勻分配給各煤倉(cāng)。

　　(6) 在配煤過(guò)程中能自動(dòng)跳過(guò)滿倉(cāng)、高煤位倉(cāng)、超高煤位倉(cāng)及檢修倉(cāng)。

　　(7) 配煤的尾倉(cāng)設(shè)定、檢修倉(cāng)設(shè)定均通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)定，加倉(cāng)時(shí)尾倉(cāng)及其后方煤倉(cāng)均不允許配煤。

　　5、界面顯示

　　界面上主要實(shí)現(xiàn)了控制方式設(shè)置和流程選擇菜單，運(yùn)煤工藝流程圖，實(shí)時(shí)運(yùn)煤系統(tǒng)運(yùn)行圖，設(shè)備狀態(tài)顯示圖，歷史數(shù)據(jù)顯示畫面，故障報(bào)警一覽表，皮帶機(jī)的運(yùn)行顯示，煤倉(cāng)煤位的顯示，各皮帶、碎煤機(jī)、輪斗機(jī)電機(jī)電流的顯示，整個(gè)輸煤系統(tǒng)的各個(gè)需要監(jiān)視的部分均能在操作員站上顯示出來(lái)，可以很好的防止輸煤事故的發(fā)生，極大的提高了輸煤系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。

　　6、結(jié)束語(yǔ)

　　將dcs系統(tǒng)應(yīng)用到華祥熱電有限公司的輸煤程控系統(tǒng)中，可以很好的發(fā)揮dcs系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，將輸煤系統(tǒng)需要監(jiān)視的模擬量、開關(guān)量集成到整個(gè)控制系統(tǒng)中，監(jiān)視皮帶的電機(jī)電流的變化，實(shí)現(xiàn)皮帶上下級(jí)的連鎖功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加倉(cāng)功能，提高了該電廠的自動(dòng)化水平，也為將來(lái)廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)的互連準(zhǔn)備了充分的條件。