【摘 要】 iPCS分散控制系統是在集成美國ControlSOFT公司硬件基礎上開發的用于循環流化床機組控制的全冗余分散控制系統。特別適用于50MW、15MW、6MW容量級的機組。本文介紹其結構、功能與性能以及在山東東山礦業集團古城煤礦電廠2×35t/h+2×6MW循環流化床機組中的成功應用。 一、 前 言 在現代化大生產過程中，采用計算機對生產過程進行監視和自動控制是一個國家科學技術先進的表現。分散控制系統（DCS）是計算機技術、網絡通訊技術、自動控制技術最完美的結合，是工業自動化和計算機領域里高新技術的結晶。 iPCS分散控制系統1994年開發成功，于2003年在山東東山礦業集團古城煤礦電廠2×35t/h +2×6MW 循環流化床機組投入生產運行，實現了DAS、MCS、SCS、FSSS功能。其功能覆蓋面廣、監視手段變化大、自動化水平大為提高，為6MW機組DCS應用與改造提供了有益的經驗。 二、 iPCS 分散控制系統的結構 iPCS分散控制系統是在集成原裝進口硬件的基礎上結合國產機組的運行特性進一步開發應用的DCS，在模件性能、系統組態能力和可靠性方面均達到了國內領先水平。 根據熱電站和循環流化床鍋爐的工藝要求和現場實際情況，計算機監控系統分為三級：現場控制級、過程控制級、監控管理級。 2.1 現場控制級 現場控制級的設備包括:儀表設備（傳感器、變送器、執行機構等）；電氣設備（儀表盤、控制柜等）；工藝設備以及其他輔助設備。現場控制級是數據的直接提供和接受單元；控制層與I/O卡件柜之間采用ControlNet總線；無主令牌通訊方式，通信協議符合IEEE802.4標準。最遠通訊距離可以達到6公里。通訊速率達到10MB。 2.2 過程控制級 過程控制級設備采用原裝進口的系統硬件來完成實時數據的采集、儲存、計算和回路控制、邏輯控制等。控制器CPU提供包括PID調節在內的各種控制算法，以及用于程序控制的邏輯算法。可開發Internet應用程序，并且可把專家的控制經驗用C/C++語言寫入控制器內，從而使得DCS的智能化程度大大提高，特別適宜于實現循環流化床鍋爐床溫和燃燒系統的智能化控制。控制器實現手動/自動控制；實現串級調節、預估控制（IMC）、多變量輸出協調控制（CC）、雙變量輸入三個控制輸出的解耦控制（MMC）、比值調節、程序控制、時序控制和順序控制等各種控制方式；以及正、反作用選擇；參數跟蹤；防積分飽和；分段線性化；手/自動切換等功能。控制周期小于1秒并可以調整。 控制級網絡結構為開放式分層分布式結構。控制器通過以太網向監控管理級的計算機傳送數據，與現場控制級的各類儀表進行通訊。現場控制層網絡經過控制器與操作站層相連。在操作站層失效的情況下，控制層仍能獨立正常工作。控制層、操作站層網絡非常安全可靠，具有足夠的抗電磁干擾能力和防毒能力。且具有相當強大的管理能力，對網絡的工作狀態能自動選擇、協調、以及自動監測；并且具有遠程診斷功能；通訊網絡是冗余配置。控制層與I/O卡件柜之間采用ControlNet總線，最遠通訊距離可以達到6公里。通訊速率達到10MB。控制層與操作站層之間及整個操作站層均采用以太網通信；通訊速率10/100MB；符合TCP/IP協議。 控制器采集遠程I/O卡件箱提供的實時數據，遠程I/O卡件箱最遠距離可達6公里。I/O卡件采集來自現場的各種模擬量的實時數據以及各種開關量的數，完成對信號的隔離轉換、濾波、線形化、補償及報警等處理功能。。 控制器采取1：1冗余配置方式；主機服務器、電源模件和所有通訊系統均采用1：1冗余。DCS系統的DAS、MCS、SCS均由100%冗余控制器來控制；并且，控制器的后備電池可以保存控制狀態數據144小時以上。電源采用冗余配置；因此電源故障屬系統的可恢復性故障。如果全廠停電，一旦重新受電，控制站能自動恢復正常工作而無需運行人員的任何干預。控制器可以在不中斷正在運行的程序或將控制轉換之后備處理器的情況下，具有在線編程和修改的能力，新的控制功能塊可以插入正在運行的程序中的任何位置，在1秒鐘的時間內傳送到告訴工路上所有的操作員。 2.3 監控管理級 監控管理級的設備采用美國DELL公司原裝進口高可靠性的工業計算機以及純平特麗龍高分辨率高清晰度低輻射鏡面彩色圖形顯示器。監控級的系統軟件使用中文Windows NT4.0桌面操作系統和人機界面。可以在線進行編程組態的修改；可以在線進行故障部件的維修和更換；系統具有自診斷功能，一直可以診斷到I/O卡件級的每一點。歷史數據的存儲可以達到5000個實時點；可以保存大于3000天的歷史數據。除此之外，還可以顯示各種形式動態模擬圖；各種趨勢記錄圖；以及總貌顯示、組畫面、回路畫面、報警畫面顯示；還有各種報表記錄和各種報警記錄等等。 在監控級工作站間以及與過程控制級間采用以太網通訊，通訊速度可達10M/100Mb/s。上位機可將DCS系統的數據以中文字符和動態圖形的方式顯示出來，操作員可在工作站上通過鍵盤和鼠標對現場設備進行控制，并有數據存儲、運算、報警和報表打印等功能。 ■ 操作員站的任務是顯示和控制機組、輔機的運行工況,并對運行工況進行監視。其基本功能如下： ——顯示全部的過程變量及有關參數 ——操作所有控制回路的參數，如改變設定點、工作方式、回路輸出、調整PID參數等 ——顯示操作指導，完成操作功能 ——建立趨勢畫面并獲得趨勢信息 ——報警顯示，打印報警、報表 ——控制驅動裝置 ——自動和手動控制方式的選擇及手動遠程控制 ——調整過程設定值和偏置等，實現對系統的人工干預 ——顯示系統中所有設備的運行狀態 ——有一操作員站具有工程師站功能，通過密碼進行保護。 ■ 工程師站 是系統工程師進行程序開發、控制組態、數據庫及報表的生成、畫面的編輯及修改、組態數據和畫面的下載打印、系統診斷、維護管理等，通過設置密碼進行保護。 工程師具備以下主要功能： ——具備操作員站的一切功能，在操作員戰異常的情況下，分配給操作員操作權限， 對各裝置進行控制和監視。 ——支持通用的編程軟件，以幫助用戶維護和修改數據庫，編制應用程序。 ——在線和離線的數據庫定義（即組態、下載等），并支持單通道的數據在線下裝。 ——系統流程圖畫面的制作。 ——報表的生成 ——數據及組態的備份（即拷貝、定期存儲到軟盤、磁帶，以及將數據刻錄到光盤等）。 ——文件/程序管理 三、 系統的主要技術指標 系統主要技術指標： ■ 系統可用率：99.9% 系統精度： 輸入信號： 小于 ± 0.1% 小于± 0.2% 輸出信號： 小于± 0.25% ■ 事故順序記錄分辨率： 1毫秒 ■ 抗干擾能力： 共模電壓 ≥ 250V 共模抑制比 ≥ 120Db 差模電壓 60V 差模抑制比 ≥ 60Db ■ 系統實時性和響應速度 數據庫刷新周期：小于1秒 畫面更新時間：1秒、0.5秒 控制器工作周期： 模擬量控制：小于0.18秒 數字量控制：小于0.1秒 鍵盤指令到返回執行時間：小于2秒 四、山東東山礦業集團古城煤礦電廠循環流化床鍋爐的基本控制策略 針對山東東山礦業集團古城煤礦電廠循環流化床鍋爐的實際情況，DCS采用成熟可靠的控制方案；配置完善周密的連鎖保護報警措施，確保機組安全可靠經濟運行。 <1> 循環流化床鍋爐的床溫控制是整個燃燒控制的關鍵，DCS系統充分考慮影響床溫的5大因素， 綜合成一個完善的智能化的多變量控制方案。 <2> 循環流化床鍋爐的床壓控制受到鍋爐負荷和床溫的雙重因素影響，DCS 系統充分考慮負荷和 床溫的影響來控制床渣排放開度。 <3> 循環流化床鍋爐的石灰石流量控制是確保煙氣中有害氣體S02和N0x排放達到環保要求的 關鍵，DCS系統采用智能化的配比控制來確保循環流化床鍋爐煙氣排放正常。 <4> 循環流化床鍋爐的點火啟動是操作運行中最大的難點，DCS系統充分發揮分散控制系統強大的 控制功能，按照預定的升溫曲線實現鍋爐的床下點火投油，并使循環流化床鍋爐逐步進入流態， 當床溫升至到600～800℃時逐步投放燃料（劣質煤）并讓循環流化床鍋爐逐步帶負荷的正常運行。 <5> 循環流化床鍋爐點火時有大量的手動操作，DCS系統配置完善的軟硬件手操供運行人員使用； 為防止運行人員誤操作，DCS系統在重要操作回路有完善的連鎖保護: a.汽包水位過高或過低時，即使運行人員在誤操作，DCS系統不予響應；并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; b.主汽壓力過高或過低時，即使運行人員在誤操作，DCS系統不予響應。并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; c.主汽溫度過高或過低時，即使運行人員在誤操作，DCS系統不予響應。并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; e.床層溫度過高或過低時，即使運行人員在誤操作，DCS系統不予響應。并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; f.爐膛壓力過高或過低時，即使運行人員在誤操作，DCS系統不予響應; 并且在CRT 屏幕上提示 操作人員正確操作步驟; 五 、山東東山礦業集團古城煤礦電廠iPCS分散控制系統的特點 I/O模件為全封閉，電磁屏蔽結構，避免了灰塵、煤粉、鹽霧、潮氣、電磁干擾對模件的侵害，提高了系統的可靠性。 模件本身功耗低，發熱量小，對環境溫度的要求不高，從本質上提高了系統的壽命和平均無故障時間。控制器的平均無故障時間可達到200000小時以上。 控制器允許的直流供電電壓范圍大，允許其主電源（24VDC）在18～36V變化范圍內工作，緩解了對UPS電源的依賴性。 DCS接地直接與電廠電氣主接地網相聯，符合"工業計算機系統抗干擾技術規范"（CECS 81：96）的要求，避免了多點接地引起的弊病。 在山東東山礦業集團古城煤礦電廠運行至今硬件損壞率為零。系統抗干擾性強，可靠性高，環境適應性強。應用軟件采用圖形化組態方式，易于掌握，操作簡便，具有良好的人機界面及全漢化顯示。 六、 iPCS系統在山東東山礦業集團古城煤礦電廠2×35t/h +2×6MW 循環流化床機組的應用情況 采用iPCS分散控制系統自投入運行以來，各子系統功能均運行正常，自動投入率高及可用率較高，自動調節系統的調節品質優良。