第1章 热工自动化概论(高1.5万字)

第1章 热工自动化概论(高1.5万字)

第1章 热工自动化概论(高1.5万字) 篇1

第一章 热工自动化概论

电力是现代生产与生活中的主要动力。它是促进工农业生产﹑推动科学技术发展﹑实现国防现代化的重要物质基础，也是提高和改善人们物质文化生活的重要条件。当今，电力的生产和耗费已成为衡量一个国家技术和经济发展水平高低的重要标志之一。因此，电力工业是先行工业，它在整个国民经济领域中占据着极其重要的地位。

在电力工业中，火力发电是现代电力生产中的一种主要生产形式，随着全球能源形势的发展，煤电的基础地位越来越重要，对煤电生产的节能、环保要求也越来越高。其中火力发电厂实行有效的控制，即是电力工业生产过程中的一项基本任务，也是节能，环保的迫切要求。

第一节

火电厂生产过程的特点与控制要求

火电厂实质上是一个能源转化工厂，它把一次能源（煤﹑油﹑天然气等）转化为通用性广﹑效率高﹑传输和使用方便的二次能源（电能）的过程工业。这一过程工业所具有的特点及其相应的过程控制要求，反映在以下几个方面：

（1）电厂的产品（电能）现阶段尚不能大量地贮存。发电厂任一时刻所发出的功率和用户所需求的功率（包括厂用电和各种功率损耗在内），始终维持着平衡。即发电﹑送电和用电的过程是同时完成的。倘若电厂生产故障或中止，将即刻影响各电力用户的正常用电，或造成设备﹑人身伤亡事故，或使产品报废，严重的会导致全电网的瓦解，给国民经济带来巨大的损失。因此，电厂的生产过程不能随意中断，且应随时适应用户的电能需求。这就要求：火电厂的生产过程必须是连续的，应对负荷的变化具有很强的适应能力。电力生产不同于其它工业，其生产的连续性和负荷的适应性要求极为严格，必须通过有效的控制手段予以保证。

（2）火电厂是一个能源转换大户。火电生产中要消耗大量的一次能源，需经化学能—→热能—→势能—→动能—→机械能—→电能的多层次能量转换，完成其生产过程。在各层次的能量转换过程中，能量的损耗是不可避免的。因此，在努力降低厂用电和电网能损的同时，尽力减少生产过程中的能损，降低单位电量的一次能源消耗，是节约能源﹑降低发电成本﹑提高电力生产经济性的根本途径，是电力生产中一项十分重要的任务。这就要求：火电厂的各生产设备必须具有较高的运行效率。实践证明，火电机组的运行效率不仅与单台机组的容量﹑参数﹑以及输电电压等级有关，而且很大程度上决定于机组运行的自动化水平。因此，在增大机组容量﹑提高机组参数﹑采用超高压输电的同时，采用先进的自动化装置，构成功能齐全的自动化系统，充分发挥计算机在机组运行监测﹑控制和管理上的作用，控制发电机组及其辅助设备在优良的状态下运行，是最大限度地发挥机组设计效率，提高电力生产经济性的必然趋势。

（3）火电厂的热力设备众多﹑热力系统庞大﹑生产过程复杂。发电机组（特别是单元制机组）的各生产环节之间有着密切的联系，各局部生产过程之间的状态相互影响较大，而且各主要生产设备的动态特性之间存在着很大的差异，它们对负荷请求指令的响应速度是不一致的，……。在如此条件下，保证各生产设备在运行中有机结合﹑协调工作、可靠运转显得尤为重要。这就要求：发电机组的运行状态控制，必须具备协调不同运行设备工作的功能。因此，现代火电厂中，协调控制是不可缺少的一项自动化内容。

（4）火电厂的大多数生产设备长期处于高温﹑高压﹑高速﹑易燃﹑易爆或易损等恶劣的工作条件或某种极限状态下运行，一旦设备运行有误，很容易引起人身﹑设备事故，同时会影响机组的发电能力﹑导致供电不足或中断，直接影响国民经济各部门的正常运转和人民群众的正常生活。因此，火电厂生产的安全性和发供电的可靠性是非常重要的。这就要求：对火电厂的各运行设备必须进行经常性的在线状态监测；而且火电厂的自动化系统应具备一定的故障预测﹑判断﹑保护﹑处理﹑追忆与分析等功能。除此之外，严格规章制度，提高操作人员的运行水平；经常对运行设备进行预防性的试验和检修，保证设备始终处于完好的运行状态；迅速分析事故原因和妥善处理已发生的事故，防止事故的扩大和再发生也是保证安全生产的必要措施。只有安全生产，才能保证可靠地发供电。

第二节 火电厂热工自动化简介

火电厂热工自动化，简称“热控”，是指在无人直接参与情况下，通过自动化仪表和自动控制装置（包括计算机和计算机网络）组成的检测与控制系统，完成火电厂热力过程参数测量、信息处理、自动控制、自动报警和自动保护等生产作业。在欧美及日本等地区和国家中也称之为“仪表与控制”（I&C,Instrument&Control）。它随着计算机技术、控制技术、通信技术和屏幕显示技术的迅速发展，不断地促使火力发电厂自动化控制水平和运行管理水平的提高。

一、火电厂热工自动化的内容

(1)自动检测 指热力过程中温度、压力、流量、液位、成分等热工参数的测量由自动化仪表来完成。自动检测的热工参数是监督火电厂机组是否正常运行的依据，是随时调整自动控制作用的根据，也是机组进行经济核算、事故分析、自动报警等的数据来源。

(2)自动控制 指应用自动控制装置实现火电厂机组中的某些生产过程和设备的自动运行和调节，确保机组运行的安全性和经济性。分为自动调节、顺序控制和远方控制。

(3)自动报警 指在自动检测的热工参数偏离正常值时，通过灯光、声响等报警信号提示运行人员注意，以便及时发现和处理异常的生产过程和设备。

(4)自动保护 指在热工参数超过限定值时或相关设备运行条件不满足要求时投入相应装置暂停或终止异常的生产过程和设备，以免事故扩大损伤人员和设备。

二、热工自动化装置的发展

（1）自动检测仪表（热工仪表）热工仪表发展经历了机械式、电子管式、晶体管式、集成电路式、微机型等阶段。随着电子技术特别是微处理机的飞速进步，微小化、集成化、智能化的热工仪表如雨后春笋般地涌现。同时随着计算机技术、通讯技术、图形显示技术和信息管理技术的发展，基于热工仪表和计算机网络的热工参数监测系统（DAS）于20世纪90 年代开始大量进入火电厂。通过软件实现了参数采集与显示，性能补偿计算，数据保存与处理，报表打印，事故分析等常规仪表所具有或不具有的功能。后来分散控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）都将DAS 纳入作为自身功能的一部分。现代火电厂都建立了全厂性能的计算机信息管理系统（MIS），容易与DAS 相连，实现生产数据的共享，此时管理人员无须到现场观看仪表就可以了解当前火电厂运行情况，并做出合理的决策。

（2）自动控制装置（热工自动调节装置）其发展也经历了电子管型、晶体管型、集成电路组装型、微机型、网络型等阶段。电子管型以20世纪50年代ВТИ型电子控制仪表和DDZ-Ⅰ型电动单元组合仪表为典型代表。晶体管型以60年代的DDZ-Ⅱ型电动单元组合仪表为典型代表。集成电路组装型以70年代我国自行设计的MZ-Ⅲ型、TF-900型组装式控制仪表和引进生产SPEC200型控制装置为典型代表。微机型以 80 年代引进生产的单回路数字调节器（即可编程控制器PLC）为典型代表。20世纪90年代以来，为了适应自动控制装置的更高要求，既要集中管理生产过程又要将控制系统的危险尽量分散，我国规定300MW 及以上火电机组必须引进基于4C 技术（计算机，网络通讯，控制，CRT显示）的DCS。迄今已有INFI-90、WDPF、TELEPERM、MAX1000、MOD-300等DCS 系统应用于我国的诸多火电，同时我国也自行开发了一些DCS产品，并成功应用于老机组的热工自动化改造。与其它自动控制装置相比 DCS具有①控制室尺寸或控制表盘长度大大缩小；②控制电量大量缩减；③控制系统所需的备品备件大量减少④控制功能完善；⑤显示操作集中，故障分散；⑥组态便利，扩展灵活；⑦可靠性高等优点。但也存在①采集和控制模块相对集中，故障危险并没有彻底分散；②现场条件恶劣仍需将测点通过大量电缆以电流信号输入控制室DCS的I/O模块；③无法监控现场仪表；④各种DCS的组件和通讯协议互不相通等缺点。

而现场总线控制系统（FCS）只有工作站，现场设备两层结构。FCS 具有以下突出优点①全数字化、全开放式通讯有利于减少大量信号电缆 ；②现场设备智能化程度提高，具有自诊断自维护和控制能力，使得故障彻底分散；③维护人员在工作站就可以有效监控现场设备，完成现场设备状态查询、控制软件下载、运行状态调整等工作；④相对统一的技术标准提高了现场设备互操作性，使不同厂家的产品可互连互换。从英特尔公司于 1984 年发表位总线以来，世界各国，各大公司纷纷开始研究制订现场总线标准。现在比较流行的现场总线标准有FF、PROFIBUS、World FIP、LONWORKS、CAN等。PROFIBUS 在我国火电厂有应用实例，主要用于连接远程I/O 和火电厂辅助生产系统中的PLC，这只是FCS 在我国火电厂中的起步，尚需继续发展。

（3）自动报警装置。自动报警装置和技术跟随计算机技术的发展已从单一的光字牌或声响报警发展到语音。多媒体报警（数字、图象、语音等）并逐步纳入DAS 或DCS 中。

（4）自动保护装置。它经历了机械式（气动或液动），继电器式，微机型等发展阶段，也逐步纳入DCS中。

三、热工自动化理论的发展

（1）热工仪表测量理论 计算机的发展和应用，实现了热工仪表测量和显示的数字化、软件化、网络化和虚拟化，也使得自动控制理论可以很方便地引入到热工仪表测量中的特性辩识和校正问题，形成新的理论和方法。

热工仪表测量的输入输出信号之间关系（热工仪表输出特性）通常是非线性函数，比如测温传感器热电偶中热电势和温度的关系。为了减小误差，必须进行非线性校正：①如果输出特性函数形式已知，或者函数形式未知但采用曲线拟合来近似输出特性，那么自动控制理论的系统辩识方法就可用来辩识函数或拟合曲线中的参数，从而完成非线性校正，最常用的系统辩识方法是最小二乘法② 如果输出特性函数形式未知，而且不采用曲线拟合方式，那么不依赖模型的智能控制理论是否可以引入进行输出特性智能辩识和非线性校正呢？答案是肯定的。因为智能控制理论对非线性函数有很强的处理能力。近年来不少学者用BP 神经网络进行了有益的尝试，取得了较好效果。

（2）热工自动调节理论

目前在火电厂中应用最多的仍然是以PID 调节器为基础的各种控制策略，包括单回路调节串级调节等。自1990年以来，随着智能控制理论研究热潮的兴起、计算机技术的飞速进步、自动控制装置性能的极大改善特别是DCS 投入运行，现代控制理论和智能控制理论的一些成果被学者和专家引进到火电厂热工自动化中，提出区分于传统单回路PID调节的大量先进控制策略，其中有些还成功应用于火电厂实践中。诸如用于过热汽温控制的Smith 预估控制、预测智能控制、单神经元控制、模糊控制等。随着DCS 和FCS的发展，已有许多公司将先进控制技术的模块加入系统，如德国西门子公司、日本横河公司都在其DCS 产品中加入了模糊控制软件模块，供用户直接调用。

四、控制方式的发展（1）就地控制阶段

在二十年代至四十年代期间，火力发电机组的容量还不是很大，生产过程对自动控制的要求以及当时所具备的技术条件有限，仅能对发电机组实现简单的自动控制。例如锅炉蒸汽压力﹑汽包水位﹑汽轮机转速等。所有控制系统基本上分散在各控制对象所在的车间就地安装，各控制系统间相互独立，没有任何联系。运行人员在就地设置的控制表盘上进行监视和操作。那时期所应用的控制设备大都是大尺寸的基地式仪表。国外四十年代以前和我国五十年代建设的火电厂基本上采用这种模式。

（2）集中控制阶段

四十年代初期，由于中间再热式机组的出现，进一步密切了锅炉与汽轮机之间的关系，为了协调机﹑炉间的运行，加强机组的操作管理和事故处理，满足负荷变化对各热力设备的要求，维持运行参数的稳定等，要求对锅炉和汽轮机实现集中控制，即把锅炉和汽轮机的控制系统的表盘相对集中安装在一起，由运行人员同时监视和控制机﹑炉的运行，保证机组的正常运行。当时所采用的控制设备主要是气动或电动单元组合仪表。国外四十年代至五十年代和我国六十年代至七十年代初期建设的火电厂大都采用这种控制方式——局部集中控制。

进入五十年代后，随着火电机组容量的增大，机组在正常运行﹑启停﹑调峰调频﹑事故处理等过程中，体现出机﹑炉﹑电三者的关系更为密切，生产迫切需要对机﹑炉﹑电三者实现集中控制与管理。同时，由于仪表和控制设备的尺寸缩小，新型巡回检测仪表和局部程控装置的出现，使得将整个机组的监视和控制表盘集中在一个控制室内的要求成为现实。此时采用的控制设备有电动单元组合仪表﹑组件组装式仪表，也有以微处理机为核心的数字式仪表。国外五十年代至六十年代以及我国七十年代至八十年代建设的火电厂大都采用的是这种控制方式——机组集中控制。

（3）计算机控制阶段

随着火力发电机组向着高参数、大容量的方向发展，生产设备走向大型化，生产系统日趋复杂。系统的耦合性﹑时变性﹑非线性等特点显得更加突出；生产过程中需要监视的内容愈来愈多，过程控制的任务愈来愈重，机组的运行与操作要求更为严格；世界范围内的能源危机和剧烈的市场竞争，对节约能源和减少燃料消耗的要求不断提高；以及环境保护和提高生产文明程度的需要等，已反映出以往的生产自动化方式逐渐不能适应时代的发展，火电厂自动化面临着实际生产发展的严重挑战。另一方面，计算机的发展与普及﹑现代控制理论的产生与应用﹑以及二者相结合的计算机控制技术的形成与工业渗透，为进一步提高工业自动化水平创造了有利条件，提供了十分重要的物质﹑理论基础和技术手段。

（一）集中型计算机控制

计算机控制技术在电厂的应用，始于五十年代末六十年代初，1958年9月，美国Sterling电厂安装了第一个电厂计算机安全监测系统。1962年，美国小吉普赛电厂进行了第一次电厂计算机控制的尝试，从那时起，火电厂开始步入了计算机应用的发展进程。

火电厂计算机控制技术应用的初始阶段，普遍采用的是集中型计算机控制方式，即用一台计算机实现几十甚至几百个控制回路和若干过程变量的控制﹑显示以及操作﹑管理等。与常规的模拟仪表控制系统相比，集中型计算机控制的优越性体现在以下几个方面：

①

功能齐全，而且可实现先进的复杂的控制规律和联锁功能；

②

可通过修改软件增删控制回路﹑改变控制方案﹑调整系统参数，应用灵活； ③

信息集中管理，便于分析和综合，为实现整个生产系统的优化控制创造了条件； ④

CRT（Cathode Ray Tube）显示替代了大量的模拟仪表，改善了人机接口，缩小了监视面。

但是，集中型计算机控制也存在着严重的不足，反映在： ①

由于当时的计算机硬体可靠性还不够高，而由一台计算机承担所有的控制和监视任务，使得危险高度集中，一旦计算机发生故障，将导致生产过程全面瞬间瘫痪，危及设备安全； ②

软件庞大复杂，开发的难度大﹑周期长；

③

一台计算机所承受的工作负荷过大，在计算机速度和容量有限的情况下，影响系统工作的实时性与正确性。若采用多台计算机，不仅要解决数据和控制信息的交换问题，而且将大大增加投资和维护费用，这是当时存在的较大的实际困难。

除此之外，由于生产过程内部机理复杂，最优控制所必需的有关数学模型难以建立，性能指标不易确定，控制策略尚不完整等等，使得现代控制理论一时难以适应于计算机过程控制。历史条件的限制和集中型计算机控制存在的缺陷，促使计算机控制系统向着分散化发展。

（二）分散型计算机控制

七十年代初，大规模集成电路的制造成功和微处理器的问世，使得计算机的可靠性和运算速度大为提高﹑功能增强﹑体积缩小，而价格大幅度下降。计算机技术的发展与日益成熟的分散化计算机控制思想相结合，促使火电厂自动化技术进入了分散型计算机控制的新时代。

所谓分散型计算机控制，是指控制过程所采用的系统，是一种控制功能分散，操作管理集中，兼顾复杂生产过程的局部自治与整体协调的新型分布式计算机控制系统（又称分散控制系统）。

自1975年，美国Honeywell公司首先向市场推出了以微处理器为基础的TDC—2000分散控制系统以来，世界各国的一些主要仪表厂家也相继研制出各具特色的各种分散控制系统。例如，美国Foxboro公司的Spectrum系统，日本横河公司的CENTUM系统，日立公司的UNITROLΣ系统，德国Siemens公司的Teleperm—C系统等等。分散控制系统一经问世，就以其功能强﹑可靠性高﹑灵活性好﹑维护和使用方便﹑以及良好的性能/价格比等优点，深受工业界的青睐。

国外八十年代初和我国八十年代中期开始在火电机组上应用分散控制系统。据不完全统计，仅“七.五”期间我国引进约三十套分散控制系统应用于电厂自动化。如今，国内已投运和正在兴建的火电厂中，全部和部分采用分散控制系统的机组已有一百多台套，而且新建的300MW以上的机组将普遍采用分散控制系统。

分散控制系统的应用及其自身的不断完善与发展，加速了火电厂自动化的进程。目前，分散控制系统的应用方兴未艾，在此基础上，火电厂正向着更加完善﹑更高层次的综合自动化方向发展。

（三）综合自动化

综合自动化是一种集控制﹑管理﹑决策为一体的全局自动化模式。它是在对各局部生产过程实现自动控制的基础上，从全局最优的观点出发，把火电厂的运作体系视为一个整体，在新的管理模式和工艺指导下，综合运用现代科学技术与手段，将各自独立的局部自动化子系统有机地综合成一个较完整的大系统，对生产过程的物质流﹑管理过程的信息流﹑决策过程的决策流等进行有效地控制和协调，实现生产系统的全局自动化，以适应生产和管理过程在社会发展的新形势下提出的高质量﹑高速度﹑高效率﹑高性能﹑高灵活性和低成本的综合要求。

开放型分散控制系统的应用，为综合自动化的实现奠定良好的基础。目前，综合自动化的研究和应用正向着纵深发展，已成为火电厂自动化的重要发展方向。

第三节 火电厂热工自动化的基本组成

一、DCS系统

（1)单元机组电气发变组和高、低压厂用电源系统纳人DCS监控。烟气脱硝系统及汽机旁路系统的监控纳入机组DCS。（2)两台机组的DCS之间设置一公用网络，分别与两台机组DCS的数据总线通过网桥联接;厂用电公用系统、空压机房、燃油泵房等公用系统接人DCS公用网络。公用网络可根据DCS供货商的经验，独立设置的操作员站(如上海外高桥电厂二期工程)，或通过单元机组操作员站对公用系统进行监控。

（3)机组操作台上设有DCS、DEH操作员站及安全停机、停炉、解列发电机等所必需的操作按钮(如:交、直流润滑油泵、真空破坏门、再热器安全门、过热器安全门及手动停机、停炉、发变组跳闸、灭磁开关、柴油发电机启动等)。当DCS发生通信故障或操作员站全部故障时，可通过上述后备控制手段实现安全停机、停炉。

DEH系统作为汽轮机设计制造密不可分的一部分，一直是由汽轮机制造厂开发配套的。以前，这些专用系统在其软硬件的开放性上较差，造成了大批电厂在集控室拥有DCS和DEH两个操作平台(通过硬接线完成必要的控制信号的传输)，给运行人员带来不便。为了做到信息共享，DCS厂商和DEH厂商在用户的要求下开始着手两者之间的整合工作。

对于一些既生产汽轮机又推出DCS设备的厂商而言，其DEH系统的控制器、人机界面本身就采用了DCS设备，并开发有既满足DEH功能，又符合DCS 系统I/O总线通信要求的专用卡件，DEH功能纳人DCS系统自然是顺理成章的，如ABB公司(PROCONTROL-P)、SIEMENS公司(TXP)、ALSTOM CEGELEC公司(P320)、日立公司(HIACS5000M)、EMERSON公司(OVATION)等均可做到。

也有DCS制造商与汽轮机厂合作，采用成熟的DCS产品共同开发DEH。如东方汽轮机厂与美国ETSI公司合作，采用ABB公司的INFI-90软硬件产品为该厂生产的汽轮机配套DEH，实现软硬件平台的一体化。

MEH与DEH的情况类似，要纳人DCS技术上不存在难以逾越的困难，但同样受到汽轮机厂所引进的技术方的影响，要实现与DCS系统的无缝连接，还有待时日的考验。

二、辅助系统集中监控网络

辅助系统的监控采用可编程控制器(PLC)+交换机(HUB)+人机接口(MMI)方式，为满足安装、调试和初期运行过渡需要，按照“水”、“煤”、“灰”三点设置调试终端兼临时操作员站，随着各辅助系统正常运行后，逐步由就地系统监控转移为集中控制室集中监控，就地将无人值班。

三、烟气脱硫系统

烟气脱硫系统的控制点，视工程的具体情况和业主管理模式的喜好，可与除灰系统合并设置在电除尘控制室或除灰控制室，或与输煤系统合并设置控制室。

烟气脱硫控制系统采用FGD-DCS或PLC实现。通过FGD-DCS/PLC的LCD及其键盘并辅以少量的就地监视和控制实现脱硫系统设备的启、停和正常运行时的监视和控制。烟气脱硫系统的重要状态、监视和报警、联锁信号通过硬接线与机组DCS系统连接，以保证机组的正常运行，并通过通信口与SIS系统进行通信，可在SIS系统的工作站上调用脱硫控制系统中的所有实时数据。

四、全厂数字视频网络系统

设置全厂数字视频网络系统，对重要设备运转状态、危险场合、无人值班的辅助系统通过摄像进行监视。全厂闭路电视监视系统监视点设置在单元控制室，采用大型等离子显示器或大屏幕显示器实时显示，以便对全厂的各个生产及辅助生产场所进行直观的监视。数字视频信息可通过通信接口与厂级管理信息系统(MlS)连接，实现全厂信息管理。

五、厂级实时监控系统

设立厂级实时监控信息系统(SIS)和厂级管理信息系统(MlS)。单元机组的分散控制系统、辅助系统控制系统等控制系统与厂级实时监控信息系统(SIS)实现数据通信。

第四节 热工自动化系统的基本类型 目前，在生产过程自动化领域中，计算机的应用已十分广泛。其应用目的和方式是多种多样的。因此，计算机控制系统的分类方法也很多，可以按系统的功能分类﹑也可以按控制规律分类，还可以按系统的结构﹑控制方式等进行分类。

一、按系统的功能分类

按照系统的功能，计算机控制系统可分为以下几种类型：

1、数据采集与处理系统

数据采集与处理系统常称DAS（Data Acquisition System）。严格地说，DAS 不属于计算机控制的范畴，其输出并不直接控制生产过程，但是，任何计算机控制系统都离不开数据的采集和处理，因此，DAS 是计算机控制系统的基础和先决条件。

应用计算机对生产过程运行参数进行采集和必要的处理，是计算机在工业生产过程中应用的一种最初级，最为普遍的形式。系统原理框图如图1—1所示。

DAS系统对生产过程中的各种参数进行巡回检测，并将所测参数经过程输入通道采入计算机。计算机根据预定的要求对输入信息进行判断﹑处理和运算，需要时，以易于接受的形式向运行人员屏幕显示或打印出各种数据和图表。当发现异常工况时，系统可发出声光报警信号，运行人员可据此对设备运行情况集中监视，并根据计算机提供的信息去调整和控制生产过程。系统还具备大量参数的存储和实时分析功能，可保存有关运行的历史资料，可对生产过程趋势进行综合分析。另外，利用该系统采集到的生产过程输入和输出数据，可用以建立和完善生产过程的数学模型。

数据采集与处理系统，对保证生产过程的安全﹑经济运行，简化仪表系统的设计与布置，减轻运行人员的劳动强度等有着重要的意义，其应用极为广泛。

2、直接数字控制系统

直接数字控制（Direct Digital Control 简称DDC）系统，是由计算机或以微处理为基础的数字控制器取代常规模拟控制器，直接对生产过程进行闭环控制的系统。如图1—2所示。

在DDC系统中，计算机通过过程输入通道对被控对象的有关参数进行巡回检测，并将所测参数按一定的控制规律进行运算处理，其结果经系统的过程输出通道作用于被控对象，使被控参数达到生产要求的性能指标。

为了充分发挥计算机的利用率，DDC系统中的计算机通常用来代替多台模拟控制器，控制几个或几十个控制回路。这是因为生产过程的变化速度相对于计算机的运算速度是很慢的，计算机在一个运算周期内已将各回路的运算工作做完后，生产过程的被控参数还不会发生显著变化，所以各控制回路都可定时地分享计算机的各种资源。但是，计算机系统一旦发生故障，将影响所有控制回路的正常工作，会给生产带来严重后果。因此，这种系统要求计算机不仅具有良好的实时性﹑适应性，而且还应有很高的可靠性。为确保安全生产，可设置备用计算机或常规仪表控制系统，这势必又会增加系统的复杂性和系统的投资。

随着微处理器技术的高速发展及其性能/价格比的大幅度提高，用一个微处理器控制一个被控回路已成为现实，这使得DDC系统的危险性得到了分散，系统的可靠性大大提高，促进了DDC系统的广泛应用。

3、操作指导控制系统

操作指导控制系统（又称计算机开环监督控制系统），该系统利用计算机实时地采集生产过程的有关数据，然后根据一定的控制规律﹑管理方法和数学模型，计算出各控制回路合适的或最优的设定值等，并通过CRT或打印输出显示出来，操作人员则根据计算机提供的信息去修正各控制回路的有关参数，把生产过程控制在合适或最优状态。操作指导控制系统原理框图如图1—3所示。

操作指导控制系统还可以将一些复杂操作过程的操作条件﹑操作步骤﹑操作方法等，预先存入计算机中，计算机则根据生产工艺流程和生产状态输出相应地操作指导信息，例如火电厂锅炉﹑汽轮机﹑发电机的启动或停止阶段的操作，可以采用这种方式进行操作指导。采用操作指导控制系统，不仅可以对操作人员进行培训指导，而且可以较安全地进行新方案﹑新模型﹑新程序﹑新设备等的试验工作，但其缺点是仍需要人工操作，操作速度受到了限制。

4、监督控制系统

监督控制系统（Supervisory Computer Control 简称SCC）是在DDC和操作指导控制系统基础上发展起来的。系统构成原理如图1—4所示。

系统中的监督计算机是根据反映生产过程工况的实时数据和数学模型，计算出各控制回路的最佳设定值，并对系统中的模拟控制器或数字控制器（一般为DDC）的设定值直接进行修改。显然，该系统与操作指导控制系统相比自动化程度更高。

监督控制系统是一个闭环控制系统，但其监督控制计算机并不直接控制生产过程，而是完成最优工况及其设定值的计算，它对生产过程的控制作用是通过改变模拟或数字控制器的设定值予以体现的。

监督控制系统实际上是一个两级控制系统，上级是以微型机或中﹑小型机为主体的监督控制级，下级是以模拟控制器或微处理器为主体的直接控制级。采用这种系统的主要控制目的在于实现生产过程的最优化。理论分析和实验证明，要使生产过程达到最优控制，常常要求某些过程变量的设定值在一定范围内改变或使生产过程在给定的约束条件下从某一状态过渡到另一新状态的时间最小，这些任务皆可由监督控制计算机来完成。监督控制的效果取决于控制算法的选择和数学模型的精确程度。

在有的系统中，监督计算机在执行监督控制的同时兼备有直接数字控制功能。这样可进一步提高系统的可靠性，即当模拟或数字控制器所在的直接控制级发生故障时，监督计算机可以代为完成控制任务。而在监督控制级发生故障时，直接控制级仍可独立完成控制操作，只不过此时的设定值不能按优化的要求自动修改而已。

5、多功能分级控制系统

随着生产的发展，被控对象不断趋于复杂化﹑大型化，生产中的过程控制﹑管理和决策任务日益繁重，且要求也越来越高，现代工业生产已不仅仅满足于生产过程自动控制的单一自动化方式，而随着科学技术的发展﹑时代进步的冲击﹑市场竞争的加剧﹑管理观点的更新，来自社会﹑技术﹑经济等环境的激励和保障生产体系优良运作的客观需求，迫切需要对一些大型的﹑复杂的生产过程的物质流﹑信息流﹑决策流进行全面有效地控制和协调。分级控制系统（Hierarchical Control System 简称HCS）正是适应这一要求，在控制﹑计算机﹑通信﹑CRT显示等技术飞速发展的基础上应运而生的多功能控制系统。HCS的基本结构如图1—5所示。

分级控制系统是一个集控制和管理为一体的工程大系统。它所要求解决的不仅是局部过程控制的优化问题，而是全局总目标和总任务的优化问题。最优化的目标函数包括产量最高﹑品质最好﹑原料和能耗最少﹑成本最低﹑设备状况最佳﹑可靠性最高﹑环境污染最小等各项指标，它体现了技术﹑经济﹑环境等多方面的要求。分级控制系统采用纵向分层﹑横向分散的处理方法，体现了系统工程中“分散”与“协调”的概念，能有效地解决大型工业生产过程的控制﹑管理及其优化的问题。

图1—6所示分级控制系统由四级计算机系统组成，各级采用不同类型﹑不同功能的计算机﹑构成具有一定相对独立性的子系统，承担指定的任务，各系统之间使用高速通讯线路向上连接，相互沟通信息，协调一致地工作。

直接控制级是分级控制系统的最低层次，一般是由DDC系统实现，也可由模拟控制器实现。它与被控生产过程直接相连（如给水泵的调速机构﹑送风档板的执行机构等）可对生产过程实现数据采集﹑过程控制（如PID﹑比值﹑前馈﹑串级等控制）﹑设备监测﹑系统测试和诊断﹑报警以及冗余切换等功能。

监督控制级除完成各生产过程的优化控制计算和最佳设定值的设定外，还负责各直接控制级工作的协调管理，以及与上位生产管理级计算机的联系。同时还可实现综合显示﹑操作指导﹑集中操作﹑历史数据存贮﹑定时报表打印﹑控制回路组态和参数修改﹑故障报告和处理等功能。在火电厂的控制中，监督控制级往往对应着某一单元机组或某一主要热力设备。

生产管理级负责全厂的生产协调，指挥和控制生产的全局。包括制定生产计划，实现生产调度，协调生产运行；安排设备检修，组织备品备件；收集生产信息，监督生产工况，调整生产策略；分析生产数据，进行生产评估等等，它还可以与上一级控制层相互传递数据，接受上级生产指令，报告全厂生产状况。

经营管理级负责企业的经营方向和决策，它全面收集来自各方面﹑各部门以及用户﹑市场和相关企业的经济信息和技术﹑管理要求，按照经济规律﹑组织原则﹑整体优化和全面协调的要求以及实际具备的能力，进行全方位大范围的综合决策，并及时将决策结果通知它的下一级管理计算机，必要时也可向上级主管部门传输有关信息。经营管理级涉及范围很广，它包括工程技术﹑生产﹑经济﹑资源﹑商务﹑质量﹑后勤﹑人事﹑教育﹑档案﹑环境等众多方面，是企业的最高管理层次。

应当指出：分级控制系统并非全是以上固定模式，它的层数以及各层的功能，是根据生产实际需要和实际条件而设置的。

二、按系统的结构分类

按照计算机控制系统的组成结构，可以将系统划分为集中型和分散型两类：

1、集中型计算机控制系统

该系统是把几十甚至几百个控制回路以及上千个过程变量的控制﹑显示﹑操作等集中在单一的计算机上实现，即在一台计算机上实现数据采集﹑数据处理﹑数据存储﹑过程监视﹑过程控制﹑参数报警﹑故障检测﹑生产调度﹑生产协调﹑生产管理等众多功能。系统基本结构如图1—6所示。

集中型计算机控制系统在计算机控制的早期阶段应用较多，鉴于它自身的优缺点（见本章第二节），大型工业生产过程已基本上不采用这类结构的控制系统了，而对于那些小型生产过程或生产设备的控制，这类系统仍可应用。

2、分散型计算机控制系统

分散型控制系统（Distributed Control System 简称DCS），又称集散型控制系统或分布式控制系统。

分散型控制系统是以计算机技术为核心，与信号处理技术﹑测量控制技术﹑通讯网络技术﹑人机接口和CRT显示技术密切结合，在不断以新技术成果充实的条件下，针对大型工业生产和日益复杂的过程控制要求，从综合自动化的角度出发，在吸收分散式仪表控制系统和集中型计算机控制系统的优点之基础上，按照控制功能分散﹑操作管理集中﹑兼顾复杂生产过程的局部自治和整体协调的设计思想，研制开发的一种处于新技术前沿的新型控制系统。

分散控制系统是由以微处理器为核心的基本控制单元﹑数据采集站﹑高速数据通道﹑上位监控和管理计算机﹑以及CRT显示操作站等组成。系统的基本组成如图1—7所示。

基本控制单元是直接控制生产过程的硬件和软件的有机结合体，是DCS的基础。基本控制单元用来实现闭环（单回路或多回路）数字控制和（或）顺序控制﹑梯形逻辑控制等，完成常规模拟仪表所能完成的一切控制功能。高速数据通道是信息交换的物理媒介，它把分散在不同物理位置上执行不同任务的各基本控制单元﹑数据采集站﹑上位计算机﹑CRT显示操作站等连接起来，形成一个信息共享的控制和管理系统。CRT显示操作站是用户与系统进行信息交换的设备，它以屏幕窗口形式或文件表格形式提供人与过程﹑人与系统的界面，可以实现操作指令输入﹑各种画面显示﹑控制系统组态﹑系统仿真等功能。上位计算机用于对生产过程的管理和监督控制，协调各基本控制单元的工作，实现生产过程的最优化控制，并在大容量存储器中建立数据库。有的DCS并没有设置上位计算机，而是把上位计算机的功能分散到系统的其它一些工作站中，建立分散的数据库，并为整个系统所共用，各个工作站可以透明地访问它。这种系统可以避免大量数据集中所造成的数据通讯阻塞和计算机潜能饱和，使得系统的功能更加分散，可靠性更高。数据采集站主要用来采集各种数据，以满足系统监测﹑控制以及生产管理与决策计算的需要。网间连接器是本系统网络与其它标准的网络系统进行通讯联系的接口，系统配备合适的网间连接器，可以通过网络联系把其它一些计算机系统纳入到本系统中来，使得本系统的通讯性能具有时代要求的开放性。

分散控制系统采用的是多微处理器分散化的控制结构，每台微处理器只控制某一局部过程，一台微处理器发生故障将不会影响整个生产过程，从而使危险性分散，整个系统的可靠性提高。同时，由于系统硬件采用了标准的模件结构，很容易根据需要扩大和缩小系统的规模，系统结构灵活，应用范围广泛。另外，该系统还具有通用性强﹑系统组态便利﹑控制功能完善﹑数据处理方便﹑显示操作集中﹑人机界面友好﹑安装简单﹑调试方便﹑运行安全可靠的特点，这也正是计算机过程控制系统的主要发展方向。

应当指出：上述分散控制系统的模式并非最终模式，因为它还处在不断发展和完善的过程中，新的思想和新兴技术将不断渗透和体现到系统的设计之中。

有关分散控制系统的详细内容，将在后续章节里重点介绍。(5)按控制规律分类

按照控制系统所采用的控制规律，可以分为：

1、比例积分微分（简称PID）控制系统

控制器的输出是输入的比例﹑积分﹑微分的函数。PID控制结构简单，参数容易调整，是一种技术成熟﹑应用最广的控制系统。

2、程序和顺序控制系统

程序控制系统是使被控量按照一定的或预先设置的时间函数变化的系统，被控量仅为时间的函数。顺序控制系统是程序控制的扩展，其特点是系统的设定值在各个时期可以是不同的物理量，且每次给出的设定值既是时间的函数，又取决于对以前控制结果的逻辑判断。顺序控制系统在火电厂的应用十分广泛，涉及到风机、给水泵、磨煤机等大型辅机的启停和输煤系统﹑吹灰系统、除灰除渣系统以及化学水处理等系统。

3、复杂规律控制系统

控制系统的性能指标除过渡过程的品质外，从生产的整体效果看，还包括能耗最小﹑时间最短﹑产量最高﹑质量最好等综合性指标。对于客观存在的随机扰动，仅采用PID控制难以同时满足各项性能指标的要求。此时，可根据生产的实际需要，引进相应的复杂控制规律来改善和提高系统的性能指标。例如前馈控制﹑纯滞后补偿控制﹑串级控制是实际应用系统中最常见的复杂控制规律，除此之外，还有多变量解耦控制﹑最少拍控制﹑最优控制﹑自适应控制﹑自学习控制等等。

4、智能控制系统 智能控制系统是人工智能﹑运筹学和控制理论的应用体现，是先进的方法学理论与解决现实技术问题的系统理论相结合的产物。它可模仿人的思维过程﹑处理方法，具有很强的综合分析和决策能力。目前，智能控制在火电厂的应用尚处于摸索﹑起步阶段，例如人工神经网络的应用研究，故障诊断专家系统的开发研究等等。可以预料，在走向火电厂全面综合自动化的道路上，智能控制的渗透将越来越深入﹑应用将更广泛。

(6)按控制方式分类

计算机控制系统按其控制方式可分为开环控制系统和闭环控制系统两大类。有关开环和闭环控制系统的定义此处无须赘述。

第五节 热工自动化系统的基本要求

由于火电生产的复杂性﹑特殊性，要求所应用的计算机控制系统除了具备卓越的数据处理能力和富有竞争的性能价格比外，对计算机控制系统还有以下几点基本要求：

一.可靠性要求高

计算机控制系统的可靠性是保证火电机组安全运行的基础。在火电生产中计算机控制系统与生产过程保持着密切的联系，计算机控制系统发生任何故障都会对生产过程产生严重影响，由于可靠性不影响机组的正常运行或造成运行事故，将对电力生产和电力用户带来严重的后果。因此，火电厂计算机控制系统应具有较高的可靠性，在数量级上应高于被控机组的可靠性，通常要求电厂计算机控制系统的可用率指标在99.6%以上。提高计算机自身的可靠性﹑采用分散结构的计算机控制系统﹑对系统的关键部件采取冗余措施﹑增强系统的容错能力和诊断能力﹑加强对系统的设计﹑选型﹑安装﹑调试﹑维护等各环节的把关，都是提高和保证计算机控制系统可靠性的有效措施。

二.实时性要求好

所谓实时性是指计算机系统完成生产过程指定任务的及时性。任一生产过程和计算机都有其自身的运动规律，火电生产严格要求计算机控制系统的采样﹑运算和操作速度必须与它所控制的生产过程的实际运行速度相适应，能对生产过程的微小变化及时察觉，及时地进行计算和控制，以保证系统良好的实时性。系统的实时性依赖于系统的硬件和软件两个方面，系统的实时时钟和时钟管理程序﹑中断优先级处理电路和中断处理程序﹑实时操作系统等，皆是实时性的基本保证。

三.适应性要求强

工业过程计算机控制系统的工作环境一般不如科学计算所用的计算机工作环境那样完善，在不同程度上处于高温﹑潮湿﹑粉尘﹑震动﹑腐蚀﹑磁场等不利条件下，因此，要求所采用的计算机控制系统，能切实适应现场环境，并能在环境条件有所恶化的情况下正常进行。另外，计算机控制系统应具备与过程设备连接的良好接口，能适应构成实用硬件系统的需要。当然，火电厂应按《火力发电厂分散控制系统运行检修导则》和其它有关规程的要求，满足分散控制系统对外部环境的要求，以确保分散控制系统的正常工作。

四.人机联系要求完善

在以CRT为中心的监控模式下，人机对话显得十分重要。火电生产要求计算机控制系统必须具备完善的人机接口和人机界面。能及时有效地进行参数监视﹑运行操作、系统组态﹑以及异常情况下的故障诊断和处理等，而且要求人机联系方式简单﹑直观﹑明确﹑方便﹑快捷﹑规范﹑安全。

五.软件配备要求齐全 计算机控制系统除应具备驱动计算机系统各组成部分正常运转的常规系统软件外，还应具备完善的实时操作系统﹑数据库管理系统﹑文件管理系统软件，以及满足大型工业生产过程控制需要的各种应用软件，例如：控制策略和控制算法软件﹑系统的组态软件﹑系统的通讯软件﹑图形显示软件﹑历史数据记录软件﹑图符库软件﹑用户操作键定义软件等等。性能优良的计算机控制系统需要功能齐全的软件系统支持，这要求计算机控制系统厂商能根据实际过程控制的需要配套提供丰富的软件，用户在系统选型时对此应予以高度重视。同时，用户也应重视有关应用软件的开发与完善。

第六节 热工自动化系统的现状与展望

一、火电厂热工自动化的现状

国内300 MW及以上火电机组已普遍采用DCS，提高了运行的安全性和经济性。DCS 和PLC 之间的界限日益模糊，大多数的PLC都带有通讯接口，可以方便地连入DCS。为实现信息化管理，可将DCS 中运行参数的实时数据和历史数据送入全厂MIS系统，实现数据共享和二次加工。

（1）机组控制方式

随着 DCS在电厂中的广泛应用，其稳定性、安全性、可靠性也逐步被人们认可，机组设备的可控性日益提升，早期电厂单元控制室所设置的常规模拟仪表盘和大量的常规监视仪表、操作设备，逐步取消或被大屏幕显示器所取代，集控室面积随之逐步缩小，运行值班人员也在逐步减少，减人增效的概念逐步建立，控制室的布置、控制点的设置和控制方式发生了根本的变化。控制方式由典型的单元控制室实现炉机电集中监控、辅助车间就地控制室就地监控，逐步发展到全厂只设一个监控点，即炉、机、电、网、辅均在单元控制室内集中监控，辅以水、煤、灰3个就地辅助监控室，以满足安装、调试、现场巡视和异常工况处理的需要。

1.1 控制室位置和布局

控制室位置和格局也日益多样化，由原来的一机一控、两机一控发展到三机一控、四机一控甚至多机一控。如广西来宾B电厂、山东莱州电厂等采用两机一控方式，控制室布置在主厂房固定端;国华宁海电厂、广东华能海门电厂均采用四机一控方式，集控室布置在A列外2号、3号机之间的集控楼上;华能玉环电厂采用四机一控方式，控制室布置在主厂房固定端的生产办公楼上，与主厂房的运转层同标高，并有天桥相连;日本矶子电厂控制室与办公室一起布置在汽机房顶部;日本橘湾电厂机组集中控制楼与生产办公楼合在一起，与主厂房脱开，布置在主厂房前，通过天桥与之相连。

1.2 采用多机一控方式的前提

(1)同期建设多台机组，集控室布置统一规划;(2)以机组设备的可靠性和可控性作为支持;(3)随着自动化水平的提高，集控室设备减少。1.3 电子设备间的布置

有典型的集中布置在两炉之间的集控楼运转层上的集控室后方或布置在集控室下方的中间层，也有在各锅炉房、汽机房分别设置其锅炉电子设备间和汽机电子设备间，如广西来宾B电厂、山东莱城电厂二期、江苏夏港电厂一期、山东华能日照电厂二期、山东华电莱州电厂一期等工程均未设置集控楼，每台机组设置锅炉、汽机两个电子设备间。两种布置方式各有优缺点:前者，DCS机柜相对集中，能有效使用电子设备间的面积，安装、调试及现场设备运行管理较为方便，站间通信电缆较短，安全性较好，电缆比较集中并设置有电缆夹层，施工比较方便;后者，机柜就地布置相对分散，不利于集中空调系统的设置，电子设备间建筑面积总和相对较大，土建装修量大，电气照明、空调容积都相对增加，但由于电缆比较分散，取消了电缆夹层，各电子设备间距离就地设备较近，可节省大量控制电缆、电缆桥架，并取消了集控楼，减小了容积比和安装工程量，降低了工程造价，对锅炉本体的安装进度也提供了有利条件。而在国外尤其是欧美则更趋于彻底分散，甚至不设电子设备间，控制机柜就地布置，大大削减了控制电缆的用量，增加了通信电缆的数量，对DCS系统的适应性和安全性也提出了更高的要求，卡件的低功耗、机柜的全密封、全天候工作，增加了设备费用而降低了安装工作量，对高人工费的欧美国家，可节省大量施工费用。

（2）机组自动化水平

目前大型火电厂普遍采用以DCS为主，配合其他热工控制系统共同构成单元机组控制系统;水、煤、灰等辅助车间的监控采用可编程序控制器(PLC)实现，并利用计算机网络技术，构建起全厂辅助车间集中监控网络，以实现在集控室集中监控。

2.1 操作员站

各系统操作员站的LCD及其键盘、鼠(球)标作为运行人员的监控中心，实现炉、机、电、网、辅全LCD监控。在机组DCS发生全局性或重大故障时，按照“故障安全”的原则，通过安装在操作台上的少数独立于DCS的硬接线手操设备实现紧急安全停机。当辅助车间集中监控网络及操作员站发生重大故障时，则通过相应的就地辅助控制室的操作员站进行现场处理。

2.2 顺序控制

机组自动化水平通常采用以子组级为基础的功能组级顺序控制。近几年又大胆地提出了采用带断点的机组级顺序控制，实现所谓的“一键启”功能。针对该问题我们进行广泛深人的调研，从国内情况看，部分由国外整岛进口的机组曾有过这方面的尝试，如:华能日照电厂一期工程采用分岛招标方式采购，锅炉岛由美国FOSTERWHEELER公司设计供货，汽机岛及仪控岛均由德国SIEMENS公司负责设计与供货，在机组调试阶段曾尝试过该功能，而更有效的是汽机自启动功能，但机组运行后再也没有使用此功能;石洞口电厂二期采用的是ABB公司的DCS系统，其机组自启动功能也只是在机组调试阶段试用过一次;上海外高桥电厂二期工程DCS采用日立公司的HIACS5000系统，其机组自启动功能设置有约15个分系统启动断点，但由于设计不完善，未实现其功能;珠江电厂一期工程由日本三菱公司承建，其机组自启动功能应用良好，二期扩建业主仍要求设置此功能，但上海FoxBORO公司的DCS并未实现其功能。华能沁北电厂采用ABB公司的DCS系统，并借鉴石洞口电厂二期的经验，SCS设计有多断点的机组级顺控，实际运行中相当于为运行人员提供操作指导。而在美洲国家则不要求“一键启”功能，在美国，没有一个火电厂设置该功能;“一键启”功能是由欧洲国家提出的，并在欧洲、亚洲个别国家有实际用户，如:德国尼德豪森电厂等。

二、火电厂热工自动化的展望

(1)在较长时间里DCS 和PLC 仍是火电厂新机组安装和老机组改造的首选，电气部分将广泛纳入DCS，实现炉机电DCS 一体化监控；

(2)现场设备继续向微型化、数字化、智能化方向发展，控制室向小型化、自动化、智能化、驾驶舱式靠近，DCS不断吸收FCS优点而不断发展前进；

(3)基于自动控制理论和计算机监控系统的热工仪表测量新理论和先进控制策略将大量涌现，并在实用化方面取得长足进展。