1、引言

　　隨著電力改革進入關鍵階段，減員增效、提高電廠信息集成化和自動化水平已經成為各發電企業的共識。而各發電企業在不斷提高主控系統的自動化水平的同時，也要大力著手提高輔助公用系統的自動化水平，從而提高電廠整體水平，使主控系統和輔助系統都處在最佳的運行環境中，因此提高輔助系統的自動化水平(特別是那些比較老的、自動化程度不高的電廠)已經成為當務之急。

　　華祥熱電有限公司輸煤控制系統處于起步階段，除了輸煤皮帶采用plc實現順序控制，上煤、配煤、碎煤、除塵等工序由于設備更新不到位，設備的陳舊引起煤的跑、冒、滴、漏，影響自動化水平的提高。這次改造使用了和利時公司的dcs系統，使輸煤系統的控制功能更加完善，實現了計算機控制，極大的提高了神頭第一發電廠的自動化水平。整個系統如附圖所示。

　　2、硬件系統介紹

　　本系統采用北京和利時系統工程股份有限公司的macs 分布式dcs(distributed control system)控制系統平臺，完成華祥熱電有限公司輸煤系統改造技術要求所規定的模擬量控制(mcs)、順序控制(scs)、數據采集(das)等功能，并負責與其他供應商所供儀表和控制系統之間接口的設計及供貨工作，如圖1所示。

圖1 DCS系統圖

　　macs是基于客戶/服務器(client/server)體系結構的大型分布式控制系統，從邏輯結構上分為現場采集控制級，中央處理級和操作級。、

　　針對神頭發電廠輸煤系統的工藝概況描述進行分散控制系統的配置，根據系統的要求，macs硬件配置如下：1個配電柜;1個工程師站;2臺操作員站;2個服務器;1個i/o控制站;2個擴展柜。

　　配電柜用來給macs系統的各個設備進行電源分配和供電。主控制室2臺操作員站實現系統的狀態監視、控制操作、數據采集等功能，通過設置密碼限制不同級別人員操作。操作員可通過鍵盤和鼠標實現操作功能。服務器用來對整個系統的數據進行管理、存貯和任務調度和歷史數據存貯。工程師站平時運行時可作為系統管理操作站，進行全程監控。同時用于系統組態、程序開發、數據庫及畫面的編輯和修改等工作。采集控制柜包括機柜、電源、主控單元和過程i/o單元等主要配套設備，電源、主控單元均采用冗余配置方式。主控單元和過程i/o單元之間通過現場總線控制網絡cnet連接起來，構成一個邏輯上完整的數據采集控制站。主控單元主要完成以采集控制站為中心的相對集中的數據處理和控制運算工作;過程i/o單元為智能化結構，主要完成與現場信號的連接以及與本模塊相關的i/o處理工作。

　　2.1 現場總線

　　macs系統現場控制站內采用國際上最流行的現場總線profibus-dp來連接主控單元和i/o單元。profibus-dp是專門為自動控制系統與在設備級分散i/o之間進行通訊而設計的。既可滿足高速傳輸，又有簡單實用、經濟性強等特點。

　　profibus-dp符合en50170標準，拓撲結構為總線式，在總線兩端有有源總線端接器。最大節點數為127，其中每個分段上最多可接32個節點，各段可通過中繼器相連。傳輸速率9.6kbps～12mbps，與每段距離有關。當距離在100米內時，可達12mbps。通訊介質采用屏蔽雙絞線或光纖。

　　2.2 主控單元

　　主控單元是現場控制站的中央處理單元，主要承擔本站的部分信號處理、控制運算、與上位機及其它單元的通訊等任務。它是一個高性能的工業級中央處理單元，采用模塊化結構，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;內存為32m(db)，2msram(帶掉電保護)。

　　2.3 輸入輸出單元

　　過程輸入輸出單元(i/o單元)是完成與現場信號的連接、對輸入信號進行的采集與轉換、對輸出信號進行限幅等處理的智能單元。模塊采用智能化設計和看門狗定時、多級隔離、自動診斷、輸出回饋以及系統故障時輸出自動切換到安全狀態等可靠性措施。

　　過程輸入輸出單元根據功能分為模入、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，以保證重要信號能得到可靠處理。

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

　　3、硬件系統性能分析

　　3.1 中央處理單元負荷

　　對現場控制站cpu和操作員站的cpu負荷率一般采用實測結果，采用這種體系結構可以保證在滿配置的繁忙工況下的現場控制站負荷率低于60%，操作站負荷率低于40%。

　　3.2 電源負荷分析

　　每個過程i/o模塊采用了低功耗設計技術(如盡量采用低功耗的cmos集成電路、低電壓供電等)，使每個現場控制站機柜在滿配置的情況下，總的電源消耗不超過50%。每個i/o模塊的額定輸入功率小于2w。在滿配置時，機柜容量為50個i/o模塊，總電源功耗為200w(=2w×50個i/o模塊+50 w×2個冗余主控模塊)，電源模塊的輸出功率為450w，電源的負荷為44.4%(=200 w/450w)。本計算是針對單電源模塊時i/o站機柜滿配置的計算結果。

　　3.3 內存和外存余量分析

　　本系統現場控制站配34m內存，實際占用2.5mb，余量為92.6%;現場控制站不需要外存;操作員站內存和外存余量大于50%;服務器內存為256mb，實際使用8～16mb，余量大于93%;外存一般配20g硬盤，實際使用小于1g，余量大于90%。

　　3.4 網絡負荷分析

　　(1) 控制網絡負荷分析。控制網絡采用profibus-dp協議，prof ibus-dp采用輪巡的傳輸協議，假設一個系統有n個dp設備，通訊時系統主站首先對#1從站(#1dp設備)發出一個請求，#1從站根據請求返回數據，接著主站對#2從站發出一個請求，#2從站根據請求返回數據……，主站對#n從站發出一個請求，#n從站根據請求返回數據，主站對#1從站(#1dp設備)發出一個請求，#1從站根據請求返回數據……。系統一直不停的輪巡所有設備。

　　我們考慮系統輪巡一遍設備所用的時間，系統可配置成八種通訊速率，我們按照1.5mbps進行分析：

　　每秒鐘通訊字節數1500000÷8=187500 byte字節

　　按現場控制站的應用軟件通訊協議，查詢幀為4個byte，模擬量模件、脈沖量模件的幀為20(頭3位，數據16位，crc校驗1位)byte，開關量模件的幀為6(頭3位，數據2位，crc校驗1位)byte，而每個現場控制站的dp主卡的雙口ram包括輸入3584 byte、輸出3584byte，每個現場控制站理論上可以帶125個dp模塊，主站與從站的握手協議包括診斷不大于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，控制網絡即使在全部測點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。因此profibus-dp的負荷率完全滿足使用要求。

　　(2) ethernet網絡負荷分析。ethernet 通信采用tcp/ip協議，通訊有發送和確認控制。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。由協議可知：

　　用戶數據平均包長=1452(最大用戶數據包長)/2=726byte，則：

　　平均用戶數據利用率=用戶數據平均包長/(發送幀控制信息開銷+確認幀控制信息開銷+用戶數據平均包長)=726/(86+86+726)=80.85%

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

　　4、控制系統的功能實現

　　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比較復雜，主要體現在輸煤皮帶的上下級關系比較復雜。系統由35條皮帶組成，給三個單元的原煤倉上煤。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。

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

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

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

　　4.2 手動與自動方式

　　系統的啟動和停止方式可以為手動和自動方式。當在系統圖上選擇運/配煤設備后、并接收到相應的設備“準備好”信號;所有指示表明可以啟動時，操作人員通過系統啟動命令來啟動運/配煤系統。當不允許啟動或所選設備無效時，內部連鎖能防止任何設備啟動。當“系統停止”命令輸入鍵盤時，系統按正常清除順序停止，或當出現危害人身、設備時，系統應立即停止。自動方式為主要的運行方式，運行人員應能選擇一個完整和合適的路徑，以便將煤運送到煤倉。

　　4.3 連鎖功能的實現

　　手動方式中，除了運行人員必須按照正確順序通過鍵盤上的啟動/停止命令來啟動和停止各個設備，系統也應象自動方式一樣完全連鎖。以確保運行人員按正確的順序來啟動和停止所有設備。啟動上煤設備優先啟動碎煤機，啟動時按逆煤流方向，從最后一條皮帶(及相關設備)開始一次啟動。直到第一條皮帶(及相關設備)啟動后才開始供煤;停運時按順煤流方向，先停供煤設備，然后從第一臺至最后一臺設備依次停止，最后停止碎煤機運行。

　　4.4 自動加倉功能的實現

　　自動加倉功能主要是應用了功能塊圖和st(結構化文本)編寫的程序來實現的。其中主要有比較邏輯、與邏輯、或邏輯，還有分支結構語句，通過現場運行，能按預定目標實現自動加倉功能。

　　(1) 根據鍋爐對每個煤倉的加倉要求，加倉前由運煤控制室的值班人員調出加倉畫面，同時通過鍵盤輸入給定加倉指令，實現自動加倉配煤。主要實現了分單元加倉功能。

　　(2) 加倉開始，先依次給出現超低煤位倉配煤，直至消除煤倉的所有低煤位信號。

　　(3) 所有的低煤位信號消失后，再進行順序配煤，當倉滿后轉到下一個煤倉進行順序配煤，直到所有的煤倉滿為止。

　　(4) 順序配煤過程中，如果又出現超低煤位、低煤位倉，則停止原煤倉順序加倉程序，優先為超低煤位、低煤位倉配煤，消除超低煤位、低煤位，再轉入順序加倉程序。

　　(5) 當全部煤倉出現滿煤位信號(并報警)后，程序自動停機并把皮帶上的余煤均勻分配給各煤倉。

　　(6) 在配煤過程中能自動跳過滿倉、高煤位倉、超高煤位倉及檢修倉。

　　(7) 配煤的尾倉設定、檢修倉設定均通過上位機進行設定，加倉時尾倉及其后方煤倉均不允許配煤。

　　5、界面顯示

　　界面上主要實現了控制方式設置和流程選擇菜單，運煤工藝流程圖，實時運煤系統運行圖，設備狀態顯示圖，歷史數據顯示畫面，故障報警一覽表，皮帶機的運行顯示，煤倉煤位的顯示，各皮帶、碎煤機、輪斗機電機電流的顯示，整個輸煤系統的各個需要監視的部分均能在操作員站上顯示出來，可以很好的防止輸煤事故的發生，極大的提高了輸煤系統的自動化水平。

　　6、結束語

　　將dcs系統應用到華祥熱電有限公司的輸煤程控系統中，可以很好的發揮dcs系統的優勢，將輸煤系統需要監視的模擬量、開關量集成到整個控制系統中，監視皮帶的電機電流的變化，實現皮帶上下級的連鎖功能，實現自動加倉功能，提高了該電廠的自動化水平，也為將來廠級網絡的互連準備了充分的條件。