热工自动化技术的现状与发展

热工自动化技术的现状与发展1前言近20年来热工自动化专业发展非常快，无论是测量技术控制理论，还是仪表设备控制装置以及控制系统的构成，与20年前相比，都已有了很大的变化，以新原理，新材料，新工艺生产的各种传感器，变送器，不断地被开发出来，控制系统、控制装置也是日新月异。到80年代初期，由于大规模集成电路以及电子计算机技术的发展，以及通讯理论和技术的发展，国外在对局域网的大量研究的基础上，推出了用于过程控制的网络型分散控制系统，即我们通常说的DCS。国内在80年代中期也引进DCS用于火力发电厂单元机组控制系统中。现在DCS系统已在我国大型火电厂中普遍应用。另外，控制理论发展也很快，在经典的控制理论和现代控制理论的基础上，新的控制理论和控制策略不断涌现，并且在生产实践中得到应用。如专家系统，模糊控制，神经元网络控制技术等等。以现代控制理论为基础的自适应最优控制，具有状态变量观测器的状态变量控制以及预估算法控制等都得了广泛的应用。2现状2．1热工测量技术方面（1）温度测量。火电厂热工测量控制系统中的温度测量传感器（SENSER），采用热电偶热电阻，少数地方采用其他热敏元件如金属膜（双金属膜）水银温包等作为温度测量的一次元件。变送器及二次仪表中，DDZ－2型的温度变送器配小条形指示仪表和长图型记录仪表在125MW以下机组中仍在使用，二次仪表也有数显仪表或数字化的无纸记录仪表，300MW以上的机组一般是热电偶热电阻信号直接进入电子室，由DCS系统中专门的信号调整模件转换成适用于控制系统的信号。热电偶的冷端补偿，依据控制系统的不同而采用各种不同的方法现用通常采用的方法有：冷端补偿器，恒温箱，用热电阻测量接线盒中的温度然后在软件中进行修正，补偿导线直接进入电子室由DCS系统的信号调整模件进行补偿处理。（2）压力（真空）测量。传感器为应变原理的膜片，弹簧管，变送器为位移检测原理或电阻电容检测原理，（4～20mA），二次仪表以数显为多。（3）流量测量。以采用标准节流件依据差压原理测量为主，少数地方采用齿轮流量计或涡轮流量计，如燃油流量的测量。大机组中的主蒸汽流量测量许多地方不用节流件，利用汽机调节级的压力通用公式计算得出。用节流件测量主汽流量时一般都有压力温度补偿。二次仪表数字化智能化，DCS中实现密度补偿更为方便。（4）液位（料位）测量。液位测量以差压原理经压力补偿测量为主流，电接点，工业电视并用。云膜或轻液双色水位计仍在使用。有用浮子及电磁原理的液位开关。料位测量以称重式或电容式传感器配4～20mA变送器测量，也有用浮子式或超声波原理。其他热工测量如氧化锆烟气含氧量测量，电导率测量，二相流的测量，火焰检测等，除电导率测量比较简单外，这些测量多数还处于研究开发阶段，或者说还不十分定型和成熟。2．2自动控制及其系统汽包水位自动调节系统一般采用典型的三冲量系统或串级系统，在大型单元机组中一般设计有全程调节，因此有单冲量，三冲量之间的切换逻辑，一般依据负荷来切换。采用启动电泵和汽泵的系统还有电泵与小汽机之间的切换，也依据负荷来切换。大型机组的水位控制一般直接控制电泵或小汽机的转速，给水调门全开以节约能源。燃烧调节系统中的送风系统通常采用风煤比加氧量校正，炉膛负压系统与送风系统之间采用动态联系，通常设计有加负荷时先加风再加煤减负荷时先减煤后减风逻辑以及过燃烧逻辑。主汽压力调节系统通常为串级调节系统。主汽温度调节系统一般以减温水调节为主，辅以尾部烟道档板调节或喷燃器角度调节系统。由于汽温调节对象是一个多容环节，它的纯迟延时间和时间常数都比较大，在热工自动调节系统中属于可控性最差的一个调节系统，因此专家们也特别关注对这一类系统的研究，许多新的控制策略或控制理论是对这一类系统研究的成果，如史密特时间预估算法控制，模糊控制，具有观察器的状态变量控制等。现在，在大型单元机组中的汽温调节系统一般采用比较新的控制策略，通常应用的有：预估算法控制，自适应控制，补偿法控制以及具有观察器的状态变量控制等。机炉负荷协调控制在大型单元机组中都有设计。通常设计有这样一些运行方式：基本方式，锅炉跟随方式，汽机跟随方式和协调方式。基本方式是因为锅炉和汽机的自动调节系统或多或少存在一些问题，锅炉及汽机主控都在手动方式。锅炉跟随方式是因为汽机主控在手动方式，汽机跟随是在锅炉主控因故在手动方式，协调方式就是锅炉主控和汽机主控都在自动方式。在协调控制方式下，机组的负荷指令同时加给锅炉主控和汽机主控，锅炉和汽机它们相互协调地来改变机组的负荷，同时又保持机组的运行参数。大型单元机组一般还设计有RUNBACK和FCB运行工况或运行方式。另外，由于机组的自动化水平的不断提高，对机组的运行参数的测量也提出了更高的要求，控制用的参数测量与监视用的参数测量一般都要求有各自的测量元件，控制用的测量参数还需要经过数据保险的有关逻辑以提高控制系统的可靠性，如三取中或取平均，或好值坏值判别逻辑等。这些主要的自动调节系统在200MW以上机组中都应当投入运行。但是，有些机组由于设备的问题，有些系统还不能正常投运。引进机组的自动调节系统，基本上能投入运行。开环控制包括了联锁保护，顺序控制，选线控制等控制内容。火电厂单元机组中主辅机设备都有联锁保护，如停机停炉的大联锁，一些重要辅机的保护跳闸，备用泵的自启动，成组设备的顺序启停等。这些联锁保护现在一般都能投入运行而且必须投入运行。顺控方面一般的泵或风机的子组启停控制也都能投入运行，但锅炉风烟系统大顺控这样的成组控制因为牵涉的设备比较多而很少有经常投运的。2．3关于DCS目前大机组的仪控系统大多选用DCS系统。DCS系统在火电厂发电机组控制中的应用已有10多年的历史了，而且正在越来越多地得到应用。DCS系统是相对于计算机集中控制系统而言的计算机（或微机）控制系统，它是在对计算机局域网的研究基础上发展起来的，是过程控制专家们借用计算机局域网研究成果，把局域网变成一个实时性，可靠性要求很高的网络型控制系统，运用于过程控制领域。这样的控制系统给我们带来以下一些好处：（1）故障分散是推出DCS系统的最大理由，DCS系统就是要解决集中控制系统致命的弱点—故障集中。故障分散的理由是DCS系统采用了大量的微处理器，各个微处理器承担一个范围较小的（地域上）控制任务，某个微处理器故障不会影响整个系统的正常工作。（2）缩小控制室尺寸或控制表盘的长度。（3）大量缩减控制系统所需的电缆。（4）大量减少控制系统所需的备品备件种类及数量。（5）减少工艺生产的运行对仪表控制设备厂商的依赖，减少仪控人员培训所需的费用。（6）提供了控制系统构成的灵活性，具有组态便利和可扩展性。（7）实现过程实时参数和历史数据的管理，提供性能计算，设备寿命计算等功能。这是传统的仪表控制系统所望尘莫及的。DCS系统是否确实给我们带来了这些好处呢？以一些在火电厂单元机组控制系统中应用的DCS系统来考察，如在浙江省电力系统发电厂中应用的BAILEY的INFI－90，C＆E的MOD－300，以及SIEMENS的TELEPERM－ME／XP等，综合分析如下：（1）关于故障分散。大多数DCS生产厂商现阶段所提供的系统在实际应用中并非象我们想象的那么故障分散。由DCS系统控制的火电厂单元发电机组，因为DCS系统的某些故障而被迫停运的事情时有发生。这与传统的仪表控制系统相比后者似乎要优于前者。所以DCS系统的构成越接近传统的仪表控制系统，即微处理器或多功能控制器所承担的控制任务从地域上越分散，越能做到故障分散。从这一点上讲，SIEMAMS的系统做得比较好，它的一块控制卡件（带有微处理器，可与其他卡件或通过通讯总线与其他子系统如操作员站工程师工作站等通讯）只承担2～4个马达或电动门的开环控制回路，或1～2个闭环控制回路，并且这块卡件既承担逻辑控制功能，又承担与这些逻辑控制有关的I／O功能。这样做对故障分散是十分有利的。然而，其它的系统通常把许多过程控制任务集中在少数多功能控制卡件或微处理器身上，把过程控制的输入输出即I／O功能集中在I／O卡件上。（2）关于控制室的尺寸和表盘长度。这一点所有的DCS系统都能做到大大缩小。不过与传统的仪表控制系统相比，电子室的尺寸和设备相对增加了。（3）关于节约电缆。由于DCS系统所采用的设备器件在现阶段来说仍然是比较娇贵，需要防尘和空调，REMOTEI／O还不能大量使用，因此，DCS系统的主要设备都需要安置在条件比较好的电子室，大量的现场信号仍然需用电缆接到电子室。与传统的仪表控制系统相比，电缆有所缩减，但效益有限。（4）关于减少备品备件的种类和数量。备品备件的种类和数量有所减少，并且需要与之打交道的仪表控制设备制造厂商也有所减少。（5）关于减少机组运行对仪表控制设备制造厂商的依赖。由于DCS系统在应用技术方面还不能尽如人意，因此，在机组运行时，尤其在机组试行期间，DCS生产厂家的专家服务似乎成了必不可少。使得培训所需花费也有所增加。（6）关于控制系统构成的灵活性，组态的便捷性和系统的可扩展性。大多数DCS系统的组态也是比较方便的。不过多数系统在在线组态功能方面尚有许多工作可做，好多系统为离线组态，在工程师站编程，然后编译，再下载。有些系统这一过程比较费时，在调试期间这一问题尤其突出。（7）关于DCS系统提供的一些独特的控制功能。由于DCS系统可提供历史数据和实时数据的管理，性能计算等功能，把过程控制推向一个新的更高层次的领域。综上所述，DCS系统解决了现代化大生产中过程控制传统的仪表控制系统难以胜任的问题，而相对计算机集中控制来说故障还是分散的，在许多方面有其独特的优点，是传统的仪表控制系统和计算机集中控制系统所无法比拟的。但是现阶段的DCS系统在应用中仍然有一些重要的问题需要解决。那么现在的DCS系统在应用中究竟存在哪些问题呢？现就DCS系统在应用技术方面尚存在的一些问题作如下分析：（1）故障分散。上述已经谈到，目前的DCS系统还没有做到真正意义上的故障分散，这一方面是由于目前的器件仍然比较娇贵，因此控制系统在地域上做到分散还不能实现（尽量接近传统的仪表控制系统）。工业控制的现场条件一般是比较恶劣的，粉尘，温度，湿度对现阶段厂商所能提供的远程I／O卡来说仍然是难以适应的。如北仑1号机有些I／O卡只能相对集中放置在现场，在调试期间也曾经发生过因为这些I／O柜进水而影响整个系统的正常运行。再如北仑3号机在循泵房设置了远方I／O柜，电缆是节约一些，但I／O柜上设置了小空调，费用仍然省不了多少。另一方面，设计上控制功能还不够分散。这包括DCS系统本身的设计和工程设计两方面。如北仑3号机的系统，机组的辅机控制由它的SCS子系统完成，SCS子系统的一个MFP设计了300点左右的I／O点，并且一块I／O卡16点又设计成用于不同的控制对象，换句话说，就是一个被控对象要检修，要牵涉到好几块I／O卡。另外，一个MFP所包含的被控对象也太多，一块MFP卡的故障会影响好些控制回路的正常工作。象这样设计的控制系统，势必对卡件或者系统的可靠性要求变得很高。系统的可靠性牵涉到设计、制造、安装各个方面，包括硬件，软件，系统的冗余配置，UPS的可靠性，通讯系统的冗错能力，数据保险的设计，在线编程的权限保护等。目前已有一些厂商在研究或已推出一种称为FCS的系统，即现场智能仪表结合现场总线技术构成的过程控制系统。从理论上讲，智能化的控制仪表就放置在被控设备附近，控制功能在地域上可以彻底分散，其故障也可以彻底分散。但是，实际上就目前的元器件生产技术水平以及计算机技术、通讯技术现状来说，FCS也许同样得面临DCS所面临的困难。首先，FCS得解决工业控制现场环境十分恶劣的问题。其次，现场控制设备空间分布，地域上十分分散，现场总线的连接也不是一件易事。通讯上将面临节点如此之多的困难。（2）实时性。过程控制要求控制系统有很高的实时性。目前的系统由于通讯技术和计算机技术的限制，在实时性方面仍然有待提高，有些系统就是因为画面打开速度慢，操作一个设备要切换好几幅画面，使得在紧急情况下，操作人员感到很不方便；另外，通讯所需的时间（或者DCS系