電廠自動(dòng)化的控制技術(shù)運(yùn)用及發(fā)展

 引言
發(fā)電廠中的自動(dòng)化控制自上世紀(jì)50年代就已經(jīng)開(kāi)始興起，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推動(dòng)一直發(fā)展到今天。很多控制已經(jīng)由最初的手工操作轉(zhuǎn)變到今天的連續(xù)全自動(dòng)控制，極大的改善了電能生產(chǎn)，提高了工作效率。由于自動(dòng)化專業(yè)涉及范圍廣泛，相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣闊，從閉環(huán)控制到自動(dòng)控制均采用分散控制系統(tǒng)（DCS）。
就電廠自動(dòng)化來(lái)說(shuō)，它是通過(guò)采用測(cè)試、通信、監(jiān)控以及保護(hù)等措施進(jìn)行相關(guān)電氣設(shè)備的掌控、檢查以及信息化管理等，DCS是應(yīng)用最為廣泛的系統(tǒng)，但其也存在弊端，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS以及無(wú)線電技術(shù)等也各有優(yōu)缺點(diǎn)，本文對(duì)此一一講述。
1 電廠自動(dòng)控制技術(shù)分析
微機(jī)保護(hù)技術(shù)的不斷發(fā)展使得電廠綜合保護(hù)測(cè)量控制裝置能夠?qū)崿F(xiàn)基于交流采樣的保護(hù)、測(cè)量、控制等。還可以方便的采用現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術(shù)組成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)ECS應(yīng)運(yùn)而生，它與電廠中其他的管理系統(tǒng)，如：MIS、DCS、NCE[1]等一樣，也是為了實(shí)現(xiàn)電廠的信息化[2]。ECS系統(tǒng)屬于分層分布式系統(tǒng)，有基站控制層、通信控制層以及間隔層。上層的設(shè)備以及通信網(wǎng)絡(luò)不會(huì)影響下層設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)ECS的不同需求，系統(tǒng)方案也會(huì)有所差別，下面介紹兩種常見(jiàn)的典型方案。
1.1 按電氣分段進(jìn)行組網(wǎng)的ECS方案。其中，在基站控制層包含有雙冗余系統(tǒng)服務(wù)器、維護(hù)工程師站以及轉(zhuǎn)發(fā)工作站等。在系統(tǒng)服務(wù)器中實(shí)現(xiàn)的主要功能是對(duì)系統(tǒng)的通信、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)；維護(hù)工程師的主要功能是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和組態(tài)；操作員站的主要功能是為運(yùn)行人員提供人機(jī)交互平臺(tái)；轉(zhuǎn)發(fā)工作站的主要功能是實(shí)現(xiàn)電廠內(nèi)各個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。這種方案的主要特點(diǎn)是簡(jiǎn)單實(shí)用、可以較容易的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線布線、其間隔十分分明、維護(hù)方便等。主要不足在于與DCS的工藝流程控制關(guān)聯(lián)度較小，與其進(jìn)行通信也較為困難。
1.2 按工藝流程進(jìn)行組網(wǎng)的ECS方案。其站控層的結(jié)構(gòu)與方案2是相同的。在通信控制層，主控單元的分配原則與DCS系統(tǒng)相同，都是按照工藝流程進(jìn)行分配的。與生產(chǎn)流程關(guān)聯(lián)較少的保護(hù)測(cè)控設(shè)備，如：進(jìn)線和低壓變壓器等進(jìn)行單獨(dú)聯(lián)網(wǎng)；同時(shí)，主控單元中還要接入：發(fā)變組、快切屏、同期屏等。
這種方案的主要特點(diǎn)是：與DCS的工藝流程控制有著密切的關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)主控單元與DCS中CPU的一對(duì)一通信，具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性，通過(guò)通信可以實(shí)現(xiàn)DCS對(duì)設(shè)備的控制，其主要不足在于系統(tǒng)較為復(fù)雜，總線在布置上存在電氣間隔的交叉。
2 DCS與可編程邏輯控制器件PLC控制系統(tǒng)技術(shù)及存在的問(wèn)題
當(dāng)前，大部分的PLC、DCS產(chǎn)品都是由制造商自家的軟硬件組成的，構(gòu)成相互獨(dú)立的體系，它們?yōu)榱藢?duì)自己的市場(chǎng)進(jìn)行保護(hù)，相互之間沒(méi)有交流，在通信上也只能通過(guò)網(wǎng)關(guān)等接口進(jìn)行，難以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的互聯(lián)。而如果需要進(jìn)行不同系統(tǒng)之間的互聯(lián)，則需要對(duì)軟件接口進(jìn)行開(kāi)放，這不僅會(huì)增大用戶的投資，一些產(chǎn)品的通訊速度也不盡人意，達(dá)不到信息化電廠的要求。
傳統(tǒng)的PLC、DCS系統(tǒng)需要將現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)全部接入到I/O卡件中，一旦增大系統(tǒng)規(guī)模，大量的檢測(cè)信號(hào)將會(huì)在PLC以及DCS的入口處匯集，導(dǎo)致瓶頸現(xiàn)象的出現(xiàn)，引起信號(hào)的堵塞，降低了系統(tǒng)的安全可靠性[3]。
3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS控制技術(shù)應(yīng)用分析
在FCS系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸?shù)姆绞绞且粚?duì)多的雙向傳輸，所采用的數(shù)字信號(hào)具有較高的精度、較強(qiáng)的可靠性，相應(yīng)的設(shè)備處于運(yùn)程監(jiān)控以及可控狀態(tài)，對(duì)于用戶而言，可以自由選擇設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。智能儀表的功能包括：實(shí)現(xiàn)通信、控制以及運(yùn)算等[4]。
當(dāng)前的FCS存在的缺陷有：沒(méi)有統(tǒng)一的通訊協(xié)議，另外，當(dāng)前的現(xiàn)場(chǎng)總線通訊速度較低，所連接的設(shè)備也較少，無(wú)法支持非智能儀表。因此，工廠需要花較大資金進(jìn)行非智能儀表的更換。雖說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)總線能夠給用戶帶來(lái)效益，但它處于企業(yè)網(wǎng)底層，有些情況下無(wú)法給企業(yè)帶來(lái)整體效益。所以，在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線的管理上，需要與其他管理系統(tǒng)相結(jié)合[5]。
4 無(wú)線電技術(shù)應(yīng)用分析
所謂無(wú)線傳輸，是指通過(guò)無(wú)線設(shè)備，在一定的頻率范圍內(nèi)將過(guò)程量通過(guò)無(wú)線裝置將電子信號(hào)轉(zhuǎn)換成為無(wú)線電波信號(hào)傳播出去，同時(shí)，在分散控制系統(tǒng)安裝無(wú)線裝置將電波接收并進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而參與到系統(tǒng)的監(jiān)視和控制中。在無(wú)線技術(shù)的選擇上，當(dāng)前能夠應(yīng)用于電廠自動(dòng)化控制的無(wú)線技術(shù)只有幾種。
4.1 自組織網(wǎng)絡(luò)。在自組織網(wǎng)絡(luò)中，每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備同時(shí)也是鄰近設(shè)備的路由器，當(dāng)一臺(tái)設(shè)備無(wú)法同網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信時(shí)，其信號(hào)將會(huì)通過(guò)其他的開(kāi)放通道進(jìn)行傳送。它相當(dāng)于給系統(tǒng)提供了更多的通信路徑，提高了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。在網(wǎng)絡(luò)及其環(huán)境發(fā)生變化的情況下，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備以及網(wǎng)管能夠進(jìn)行協(xié)調(diào)工作，保證數(shù)據(jù)的可靠，同時(shí)降低了功耗。
4.2 蜂巢網(wǎng)絡(luò)。在該模式中，信號(hào)從一個(gè)發(fā)射塔傳到另一個(gè)發(fā)射塔，實(shí)現(xiàn)信號(hào)移動(dòng)通信。可以通過(guò)增加發(fā)射塔的方式來(lái)擴(kuò)大服務(wù)面積，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)只需有網(wǎng)絡(luò)覆蓋，就能夠享受到通信服務(wù)。
4.3 無(wú)線以太網(wǎng)。無(wú)線以太網(wǎng)技術(shù)可以以有線連接的速度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。其信號(hào)可以穿越墻壁以及實(shí)體物理障礙。當(dāng)功率較低或是與設(shè)備距離較近時(shí)，無(wú)線以太網(wǎng)的工作情況良好，它在無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)、控制室以及數(shù)據(jù)的收集中應(yīng)用較多。
4.4 全球微波存取互通技術(shù)。在過(guò)程控制中，全球微波存取互通技術(shù)十分適用于長(zhǎng)距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的主干數(shù)據(jù)訪問(wèn)中。其優(yōu)點(diǎn)有：采用低頻傳輸，信號(hào)受物理障礙的影響小，覆蓋面積大。
5 自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
電廠中自動(dòng)化控制技術(shù)將監(jiān)控、測(cè)量以及保護(hù)等融為一體，最終實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的一體化。在監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)采用分層分布的方式，提高了信息收集的水平。在未來(lái)，應(yīng)該加強(qiáng)系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新，最終實(shí)現(xiàn)監(jiān)控運(yùn)行一體化。不斷發(fā)揮出機(jī)組的內(nèi)在潛力，最大程度的優(yōu)化系統(tǒng)的控制功能。就自動(dòng)化技術(shù)而言，通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的保護(hù)以及調(diào)整。機(jī)組中存在的問(wèn)題也能得到及時(shí)的解決，最終服務(wù)于電氣系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在當(dāng)前的電廠自動(dòng)化系統(tǒng)中，全通信電氣控制要求還無(wú)法得到完全滿足，自動(dòng)化系統(tǒng)之間還要通過(guò)硬接線進(jìn)行連接，對(duì)此，要對(duì)聯(lián)鎖熱工工藝進(jìn)行研究和發(fā)展，才能有效提高自動(dòng)化系統(tǒng)后臺(tái)應(yīng)用的水平。現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)在飛速發(fā)展，與此同時(shí)，發(fā)電廠運(yùn)行的安全性以及穩(wěn)定性要求也在不斷提高。對(duì)此，要對(duì)電廠自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)施有效控制以及可靠保護(hù)，提高自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)電廠運(yùn)行設(shè)備等的保護(hù)能力。
在報(bào)警以及聯(lián)鎖系統(tǒng)保護(hù)方面，要對(duì)其存在的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，如：采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等，保證報(bào)警系統(tǒng)的及時(shí)和有效。最后，在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，要對(duì)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，盡可能的減少設(shè)備的損壞以及盡量降低發(fā)生故障的概率。在指導(dǎo)發(fā)電廠自動(dòng)化研究以及發(fā)展方向的過(guò)程中，要充分利用現(xiàn)代預(yù)警理念，促進(jìn)電廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的發(fā)展。
6 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，在電廠自動(dòng)化的規(guī)劃過(guò)程中，既要與電廠的各類工藝相結(jié)合，同時(shí)也應(yīng)該與生產(chǎn)過(guò)程相結(jié)合，采用最為合適的總線標(biāo)準(zhǔn)以及檢測(cè)控制技術(shù)。本文主要對(duì)電廠自動(dòng)化控制技術(shù)的特點(diǎn)、具體控制方案以及各種控制技術(shù)進(jìn)行了分析，對(duì)PLC、DCS、FCS等進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)自動(dòng)化控制技術(shù)在電廠中的應(yīng)用進(jìn)行了預(yù)測(cè)。