DCS系统在热电厂的应用

1 引言   
   DCS（Distributed ControlSystem）系统在火电厂发电机组过程控制中的应用已有十多年的历史了，而且正在越来越多地得到应用。当今流行的DCS系统有C＆E的MOD－300，HONEYWELL的TDC－3000，FOXBORO的I／AS，日本横河的CENTUMXL，WESTINGHOUSE的WDPF，BAILEY的INFI－90，SIEMANS的TELEPERM ME／XP。就目前这几家主要DCS厂商所提供的系统来看，在应用上均不同程度地存在一些问题，例如系统可靠性，实时性，系统组态的灵活便捷性等都有待进一步突破。本文对DCS系统在实际应用中存在的一些问题加以分析探讨。

 2 DCS系统推出的初衷
     DCS系统的推出并逐步发展成为过程控制领域的主角是由于以下一些原因：
    （1）现代化的生产工艺系统日趋大型化，复杂化，需要检测和控制的参数大量增加，使得传统的仪表控制系统显得难以胜任，势必得另辟蹊径。
    （2）传统的仪表控制系统通常使用多个生产厂家提供的产品，使得工艺生产所需的备品备件品种繁多，为此而化费大量人力物力，并且工艺生产在相当程度上依赖这些仪表生产厂商。这一状况也希望有所改变。
    （3）数字电路技术的迅猛发展，尤其是大规模集成电路技术的应用，集成度以及成品率大幅度提高，使得在过程控制中大量使用微处理器在成本上成为可能。
    （4）自动化控制理论的发展，特别是连续系统离散化理论，采样理论，这些理论大大地推进了过程控制从传统的仪表控制系统向DCS系统变革的进程。
    （5）通讯理论和技术的发展，在对局域网（LAN）的大量研究过程中，通讯理论和技术得到了极大的发展和完善，这方面对DCS系统发展的影响是举足轻重的。
    （6）计算机应用技术的发展，尤其是微软公司的WINDOWS－95这样的操作系统软件的推出，为计算机在过程控制系统中的应用奠定了基础，计算机和操作人员之间有了良好的界面，使不具备计算机专门知识的操作人员乐于接受。
    （7）计算机集中控制系统存在固有的一些缺陷如故障集中，因此为了提高可靠性而需要巨大的费用，集中控制系统需要较大规模的计算机，价钱昂贵。相对来说DCS系统所用的微处理器和微机要便宜得多，故障相对分散，并且DCS系统中的微机或微处理器是并行运行的，相对于集中控制系统计算机的串行运行来说处理速度也大大提高，因此具有更高的实时性指标，这些是DCS系统优于集中控制系统而得到迅速发展的关键所在。
    以上列举了足以说明为什么DCS系统会在过程控制领域一显身手的主要原因。现在来看看最初推出DCS系统的一些初衷。
    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的研究成果，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。专家们把这样的一个网络型控制系统称之为DCS。专家们的初衷应该是，这样的控制系统至少带来以下一些好处：
    （1）故障分散。这是推出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，设备寿命计算功能。这一点是传统的仪表控制系统所望尘莫及的。
     3 目前阶段市场能提供的DCS系统的实际能力
    从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SIEMENSR的TELEPERM－ME／XP等DCS系统来考察，笔者的见解如下：
    （1）关于故障分散。相信大多数DCS系统生产厂商现阶段所提供的系统在实际应用中并非想象的那么“故障分散”。事实上，由于DCS系统在应用技术方面尚存在一些问题，1台由DCS系统控制的火电厂单元发电机组，因DCS系统的某些故障而被迫停运的情况时有发生。这一点与传统的仪表控制系统相比后者似乎要优于前者。正因为这样，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。从这一点上看，SIEMAMS的系统做得较好，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个电动机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。这些系统客观上是把过程控制的故障集中起来而不是把它们分散，似乎有悖于“DCS”这个名称。不过SIE－MANS的系统也有问题，它的ETHERNET与ME系统的通讯还有些问题需要解决。SIEMANS的TELEPERM－ME系统是一个非常成熟的系统，ME系统加上ETHERNET网络就是最新推出的TELEPERM－EM／XP系统（浙江台州发电厂四期两台330 MW机组中应用），因为是新的系统，相信许多应用软件（尤其是那些有关通讯的软件）还得经历时间的考验。如果这些问题得到了解决，则无论从故障分散这个角度还是其它方面例如制造工艺来看，它都占有一定程度的优势。DCS，故障分散，似乎SIEMANS的路子是走对了，因为他们的系统最接近传统的仪表控制系统，控制功能比较分散，要做到故障分散，一定得把控制功能分散。
    （2）关于控制室的尺寸和表盘长度。这一点所有的DCS系统都做得到。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，这一点DCS系统给我们带来的实际利益并不显著。
    （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，对现场环境的要求比较高，例如需要防尘和空调，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。所以说，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，减少仪控人员技术培训所需的费用。由于DCS系统在应用技术方面还不能尽如人意，因此，机组运行对DCS系统生产厂商的依赖不但没减少反而有所增加，尤其在机组新建成投产期间，DCS生产厂家派往工地的专家服务似乎成了机组投产调试期间必不可少的了。为了用好DCS系统需要培训的工程技术人员也有所增加，因此培训所需费用也有所增加。
    （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。系统构成的灵活性以及系统的可扩展性，这一点确实是传统的仪表控制系统无法与之相比的。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。并且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。关于这个问题，SIEMANS的系统较有特色，它不但在线组态，而且设计有仿真功能，这给调试工作带来极大的方便。
    （7）关于DCS系统提供了一些独特的控制功能，如历史数据和实时数据的管理，性能计算等等。这一点是传统的仪表控制系统所无可比拟的，正是由于DCS的这些优势，把过程控制推向一个新的更高层次的领域。
    综上所述，现阶段市场所能提供的DCS系统在应用中带来的益处远没有象我们想象的那么多。当然，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这一问题，而相对于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。
    4 应用中存在的一些问题
    现在的DCS系统在应用技术方面尚有以下一些问题：
    （1）故障分散。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卡来说仍然难以适应。如北仑电厂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。再如北仑电厂3号机在循泵房设置了远方I／O柜，电缆当然是节约一些，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，包括DCS系统本身的设计和工程设计两方面。如MOD－300系统，它的I／O太集中，I／O卡的故障会影响系统的正常工作。另外，机组的辅机控制是由可编程逻辑控制器即PLC系统完成的，它与MOD－300系统之间通讯用了一个GATEWAY，这个GATEWAY成了整个控制系统的一个瓶颈，一旦它发生故障，就会影响机组的正常运行。再如北仑电厂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卡，并且一块I／O卡16点又设计成用于不同的控制对象，即一个被控对象要用到好几块I／O卡。因此，一块I／O卡故障，要影响好几个控制对象的正常工作，一个控制对象要检修，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很高。
    文献〔1〕和文献〔3〕都谈到了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。显然，这样的系统十分接近传统的仪表控制系统。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，因此，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，现场总线的连接不是一件易事，通讯上也将面临节点太多的困难。
    （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，如早期的MOD－300系统，操作一个阀门，从操作员按键发出命令到在屏幕上看到反馈信号要十几秒时间。后来经过硬件升级，更换成新一代芯片，问题才得以解决。有些系统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系统响应的时间）恶化了控制对象的特性，使闭环控制系统的过渡过程品质指标下降。
    （3）组态的便捷性以及必要的权限保护。关于系统组态，现在的DCS系统大都采用计算机窗口技术，一般来说是方便的，但在在线组态方面仍然有需要研究的地方。多数系统在工程师站进行组态，然后下载到控制子系统或者说控制卡件中去，而一般这个过程是十分费时的，尤其在调试过程中，组态的修改是经常性的事，需要寻求一种既方便又安全的在线组态方法。
    （4）制造工艺和安装工艺。影响DCS系统正常使用的很重要的一个因素是制造工艺和安装工艺。有时就是因为一个小小的插件质量不好，接触不良而酿成了重大的故障或事故。有些系统提供的硬件制造工艺不能令人满意，提供的卡件、接插件做得不够可靠，一些卡件故障，有时去拔一下，插一下，或者摇几下故障就消失了。这方面是DCS生产厂商必须引起高度重视的一个问题。如果所提供的系统在工艺上都不能满足可靠性的要求，那么原理上再吸引人也难以令人接受。另一方面是安装工艺，这也是DCS系统应用技术要加以研究的一个方面。
    (5）应用软件的可靠性、成熟性。DCS系统由于应用的实践还处在不断的积累过程中，许多应用软件还不是很成熟，它的可靠性还有待时间的考验。这方面DCS系统生产厂商应加强研究，使已付诸使用或即将付诸使用的DCS系统软件具有足够的可靠性。
    5 结论
    以上从推出DCS的理由以及DCS为什么会成为过程控制领域的主流的原因出发，进而提出了现阶段市场能够提供的DCS系统在应用技术方面尚存在的一些问题，这些问题有：（1）有关故障分散方面的；（2）有关实时性方面；（3）有关组态的便捷性以及必要的权限保护；（4）有关制造工艺和安装工艺方面的；（5）有关应用软件的可靠性方面的。可归纳为设计的问题，元器件生产技术的问题，工艺的问题。DCS系统应从过程控制的实际需要出发，针对自身的不足，无论在结构上、所采用的器件上，还是所采用的技术上，不断地提高和发展。使DCS系统在应用技术方面有新的突破。