大型火力发电机组分散控制系统(DCS)物理分散及远程I/O优化配置在托电五期工程应用研究
中图分类号：TM621 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2015）12-0315-02
引言
分散控制系统（DCS）自上世纪八十年代开始在国内作为火电厂的主要控制系统，使火电厂的控制水平得到极大提高。但早期DCS在国内的应用只实现了功能分散，而其物理分散基本上没有被采用。随着DCS电子设备抗干扰等级的提高，设备更可靠，使DCS的物理分散方案越来越受到各方面的重视和关注。本文将对单元机组DCS物理分散方案以及远程I/O站的优化配置进行技术分析，并针对托电五期工程主厂房侧煤仓布置方案而采取的电子设备间物理分散布置的技术可行性、安全性以及产生的经济效益进行分析和探讨，并列出适合托电五期工程的机组DCS分散方案，以实现项目 “高质量、低造价”的目标。
一、当前主流DCS物理分散的技术发展水平
1. DCS电子设备物理分散的技术条件
1.1主要DCS通讯技术条件
随着网络和计算机技术的发展，分散控制系统DCS应用的推广普及，响应用户的普遍需求，DCS网络趋向于采用通用的网络硬件和标准协议。目前DCS的控制模件与I/O模件之间的通讯由内部通讯更改为外部通讯。另一种意义上讲，通讯模式由原始的模件之间的通讯升级为机柜之间的通讯了，从并行变成串行。而且这种通讯线不会因模件之间发生距离的改变而出现变化。无论模件分开或者聚集布置，其通讯介质、方式、速度、可靠性都是一样的，是充分利用了DCS的能力和先进技术。目前，大多数DCS的主干通讯网络支持光纤介质，DCS模件与I/O模件之间的通讯能力可达到2公里，这是采用这种分散方式的关键技术依据之一。
表1-DCS通讯网络比较
从以上几家在火电厂常用的DCS来看，DCS厂家的高速数据总线的通讯距离均能满足在主厂房内分别建立锅炉、汽机电子设备间的物理分散要求。
1.2抗干扰技术条件
由于工艺制造、网络材质、电子技术、及通讯技术的发展变化， I/O模件抗物理干扰的问题可以合理的解决。分散布置具有重大的潜在优势，靠近现场的I/O模件，在电气干扰方面，由于I/O信号到模件的电缆大大缩短，它们所耦合进来的干扰比原来方式下的干扰要减少很多。这种优势逐渐会在电厂后续的调试、维护阶段充分体现出来。
表2-常用DCS厂家现场I/O模件的技术指标和要求指标
从上述几家DCS提供的现场I/O模件看，与过去相比，系统硬件的抗干扰等级水平有了很大的提高。特别是采用冗余光纤电缆和自诊断等技术措施之后，节点之间的通讯抗干扰能力强，环境适应性大，传输速率高，实时性、安全性得到了保证。为了更好的解决火电厂内环境的差异等问题，可以考虑使用简易房加简易空调或采用密封机柜和加装空调等措施。
1.3电气DCS机柜物理分散的技术条件
目前电气进入DCS已有许多成功业绩，电气全部进入DCS（某些专有设备，例如自动励磁控制装置、自动同期装置等通过接口与DCS连接）已成共识。电气I/O点数约占DCS I/O点数的20%，因此电气用DCS机柜可置于电气配电间，电气配电间的环境基本能满足DCS机柜对环境（湿度、温度、风尘及电磁环境等）的要求。也可以通过通过DCS采用密封机柜和加装空调或改善配电间环境，来满足配电间的环境要求。另外，DCS卡件都有机柜的屏蔽，再通过良好的接地系统都能满足对电磁环境的要求。实际上，电气的一些微机控制装置都在电气配电间内运行多年，且运行良好。
2.远程I/O技术发展分析
目前，远程I/O基本上分为两类，一是DCS系统的远程I/O，其二是国产远程智能I/O。
2.1 DCS系统的远程I/O
近年来，随着DCS在火电厂应用的普及，根据现场提高质量、控制造价的要求，各DCS厂商都不同程度的在远程I/O方面进行了开发应用，下面是几家DCS远程I/O的特点和应用情况：
西屋的OVATION系统的远程I/O柜与其标准机柜尺寸相同，适用温度与抗干扰等级与其现场I/O机柜相同。FOXBORO公司I/A系统的所有FBM I/O组件都是智能的，采用全密闭的设计，使用低功耗的CMOS元件，其工作温度可达到-20℃至+70℃。ABB-BEILY的symphony系统，远程I/O与主机柜之间距离为1300m，适用温度与抗干扰等级与其现场I/O机柜相同。
由以上情况可看出，著名的DCS厂家都有远程I/O产品，技术上是成熟的，并且远程I/O的通讯总线可采用冗余通讯总线可靠性得到了保证。因此，远程I/O的应用问题仅仅是DCS厂家提供的柜体的防护等级和不同大小远程站的可选择性问题。
2.2国产远程智能I/O
近几年，国内仪表生产商成功开发出自己的分布式测控网络，比较有代表性的有无锡华东电站自动化仪表厂IDCB分布式智能数据采集网络（IDCB远程I/O），上海微程电气设备有限公司-DY系列远程I/O采集盒，无锡振华自动化仪器仪表有限公司生产的IDAS智能数据采集网络。三者在结构上有相似之处，采用智能数据采集前端，布置于生产设备附近位置，进行越限报警、工程变换等数据处理并采集过程参数，通过将置于主机内的网络适配器和串行总线与主机进行数据通讯。一个采集网络可挂50块数据采集前端，一块数据采集前端一般具有20个左右的信道，智能数据采集前端采用密封结构，可防尘防潮，环境温度要求为-20℃～60℃，真正实现了分布式测量，现在已大量应用于火电厂数据采集系统。 在大型火电机组采用DCS监控的同时，为降低DCS造价，减小DCS规模，采用国产数据采集网络对一部分参数的监视，利用其数据采集与处理功能，采集过程参数，通过一定的通讯方式把采集到的参数传给DCS进行监视，相对DCS而言，称之为远程智能I/O。
远程智能I/O与DCS之间的通讯基本上有四种方式，一是利用已开发的DCS和远程智能I/O的现成接口连接，目前只有少数可利用的产品;二是通过DCS局域网的PC机接口，增加PC机，该PC机既作为远程智能I/O的主机，也作为DCS的一个工作站;三是，当DCS系统的操作管理站采用PC总线计算机时（目前DCS的操作管理站多采用PC总线计算机），直接将智能数据采集网络的网络适配器插入DCS的操作管理站，此时操作管理站亦作为智能数据采集网络的主机;四是通过串行口的方式，也是以往工程中应用最多的一种方式，通过智能数据采集网络的串行口适配器或其主机的RS232C、RS422/485串口与DCS控制站的串口相连接，这种连接方式受串行口速率的限制，但对于辅助测点参数采集的小系统来说足以满足要求。
这种DCS+国产智能数据采集网络的方式能节省一部分投资，在物理分散方面也起到一定的作用，对主设备金属温度群的辅助测点监测采用国产智能数据采集网络与DCS通讯的方式也符合安全可靠、降低工程造价的设计原则。
2.3远程I/O的选用
DCS一体化的远程I/O和国产化的远程智能I/O各有优势，应根据所选用的DCS、工程中热控系统的投资以及应用场合而定。DCS一体化的远程I/O具有设备选型统一、便于施工管理，设备间的工作也更协调，通讯也更可靠等特点。因此对泵和风机、循环水泵房等设备的参数采集和控制，由于I/O点较为集中、数量较多、同时有输入和输出、且远程I/O布置的环境都较好的情况时可积极采用DCS一体化的远程I/O。国产远程智能I/O具有投资少、布置灵活、性能可靠等特点。因此对锅炉的金属温度，发电机的线圈、铁心温度，辅机轴承温度，锅炉、汽机疏水温度等辅助测点的监视可采用国产远程智能I/O。
二、托电五期工程控制系统物理分散的布置方案说明
托电五期工程采用侧煤仓布置方式，工程取消了常规集中控制楼布置方案的两炉之间的集控楼，使煤仓间能够布置在两炉之间的空余场地上，同时汽机房不设置除氧间，大大压缩了主厂房占地和体积，节省了投资。按照工艺系统的划分，控制系统相对集中的布置在就地被控对象附近，从而可节省大量电缆及桥架。
托电五期工程集中控制室、热控电子设备间及远程I/O具体布置如下：
1.集中控制室布置方案
集中控制室布置在主厂房固定端侧，与汽机运转层为同一标高，作为机组运行人员的主要工作区域。
2.电子设备间布置方案为
以托电五期工程#10机组为例，设置两个电子设备间，因#10机组汽机侧已无电子设备间布置空间，所以汽机电子设备间和锅炉电子设备间均布置于锅炉运转层B～K0之间，标高为15.5米。汽机电子设备间布置于14轴到16轴之间，面积约为100 m2。锅炉电子设备间布置于1/9轴到12轴之间，面积约为115m2。
3.锅炉顶部设置多台国产远程智能I/O机柜，机柜的防护等级不低于IP66。机柜接入的I/O主要是各受热面的热力参数、被控对象所涉及的I/O点。除此之外，在锅炉顶部左右两侧合适位置布置2面DCS远程I/O柜，接入的I/O主要是过再热蒸汽系统、减温水系统的设备等。
4.在锅炉房适当位置，设置DCS远程I/O柜，机柜的防护等级不低于IP66，机柜接入的I/O主要是送风机、引风机、一次风机、烟气分析等热力参数、被控对象所涉及的I/O点。
5.汽机房运转层汽轮发电机附近，设置1台DCS远程I/O机柜，机柜的防护等级不低于IP56，并考虑防震措施。机柜接入的I/O主要是汽轮机本体、发电机本体等热力参数、被控对象所涉及的I/O点。
6.锅炉吹灰控制系统采用远程I/O方式，动力柜、I/O机柜放在锅炉吹灰器平台适当位置，机柜防护等级不低于IP66。
三、托电五期工程采用控制系统物理分散方案经济效益分析
采用控制系统物理分散方案与集中布置方案比较，将带来投资变化，主要包括：
1.节省电缆
按2011年水平的限额设计标准，两台660MW燃煤机组的仪表与控制电缆，总量为1200km，主厂房内约为1050 km。托电五期工程采用物理分散方案后，取消了集中控制楼，汽机、锅炉系统分别设置就地电子设备间，电缆接入就近的电子设备间或直接接入远程I/O柜。主厂房两台机组电缆使用量合计约为850km，与限额设计量相比，节省约200km，节省近20%。
2.节省大量电缆桥架
按2011年水平的限额设计标准，两台660MW燃煤机组的仪表与控制电缆桥架，总量为600吨，主厂房内约为500吨。托电五期工程采用控制系统物理分散方案后，由于取消集中控制楼，电缆长度减少，其进入电子设备间的电缆桥架也相对减少，并且电子设备间下原电缆夹层内的电缆桥架也大大减少。经计算，采用物理分散方案后两台机组主厂房内电缆桥架用量约为400吨，可节省电缆桥架约100吨，节省约20%。
3.取消集中控制楼，电子设备间布置分散，可以降低土建包括集中空调等方面的投资和运行维护费用。
4.节省工程工作量
随着电缆、电缆桥架的减少，其配套的安装、调试、维修等工作量相应减少。费用也在一定程度上降低。随着电缆敷设工程量的减少，在压缩工期或在同样工期下，可为DCS提供更合理的调试工期。
5.有利于防火和电厂安全运行
由于进入电子设备间的电缆大幅减少，电子设备更为分散，电缆防火措施更容易完善，有效降低了电缆着火的风险，提高了托电五期工程机组运行的可靠性。
6.增加费用项目
由于采用控制网络采用光纤电缆通讯，提高了控制系统的安全性、可靠性，但同时通讯用的光缆（不超过5km）及其相关设备的费用有所提高。其光缆增加的费用与安装材料等减少的费用相比，可忽略不计。
四、结束语
托电五期工程机组分散控制控制系统（DCS）实现物理分散布置后，有利于分散控制系统（DCS）“分散”的特点更好的应用，既可有效地减少电缆和桥架用量，减少施工工作量，节省投资，缩短施工周期，取得显著的经济效益;同时有效的降低平行敷设的电缆间的相互干扰，使信号传输稳定，从而提高系统可靠性。
需要进一步完善的是采取DCS物理分散布置方案后，电缆夹层随之消失，需要很好地规划电缆通道; 各区域之间以及各电子设备间之间的DCS通讯光缆的敷设距离会加长，应采取有效的防护措施，托电五期工程DCS通讯光缆采用铠装型式，且采取保护管或专门电缆槽盒方式进行敷设，同时考虑了冗余通信的两颗光缆采用不同的敷设路径设计，进一步实现风险分散、提高设备运行可靠性。另外通过与建筑、暖通、消防专业密切配合，做好电子设备间的隔音、防尘、防振、空调、消防等工作。
总而言之，托电五期工程通过采用单元机组分散控制系统（DCS）物理分散及远程I/O优化配置的方案，能够满足工艺系统自动化的要求，能够提高设备可靠性、安全性，最终可以实现“高质量、低造价”的总体目标。
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