第二章发电厂计算机监控系统的基本分类

第二章发电厂计算机监控系统的基本分类本章主要了解电厂计算机监控系统的各种分类方法，各自的特征、适用范围，以及对计算机监控系统的基本要求。第一节发电厂计算机监控的基本类型及其特点在生产过程自动化领域中，计算机的应用已十分广泛。从计算机监控系统发展的实践情况来看，其应用目的、应用方式、实现方式是多种多样的。因此，计算机监控系统的分类方法也很多，一般可按系统的结构模式、使用计算机的种类、控制方式、控制规律、控制犀珩、耳仝各罟．磊缔的动能两拯作青卉篓不同晤刚幸圳锌且休惜柙丽妾?一1表2—1中各项自左至右，技术水平是由低级到高级，或说从当前水平到更先进的水平；同时各栏之间也可按用户的不同要求可交叉选用。一、按计算机在发电厂监控系统中执行的功能分类按照计算机在电厂监控系统中所执行的主要不同功能来分类，计算机监控系统有数据采集与处理系统、直接数字控制系统、操作指导控制系统、监督控制系统、多功能分级控制系统。(一)计算机数据采集监视系统(DAS)计算机数据采集监视系统常称DAS(DataAcquisitionSystem)。计算机在数据采集处理时，主要对电厂生产过程大量的物理参数(包括电量和非电量)进行巡回检测、数据记录、数据计算、数据统计和处理、参数的越限报警及对大量的数据进行积累和实时分析，并将结果以表格或图形形式显示在显示屏(CRT)上，定时通过打印机打印一些重要参数(如图2—1所示)。同时，还可以根据提取的事故发生前的运行数据，指出机组运行的发展趋势。此外，通过数据采集建立起来的数据库还可以进行自动操作和作为控制的依据。严格地说，DAS不属于计算机控制的范畴，这种应用方式中，计算机不直接参与电厂的生产过程控制。但是，任何计算机控制系统都离不开数据的采集和处理，它是计算机监图2—1计算机数据采集监视系统控系统的基本功能，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。DAS是计算机控制系统的基础和先决条件。如图2—1所示，DAS系统对电能生产过程中的各种参数进行收集、巡回检测，并将所测参数经过程输入通道采入计算机。然后，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积累和实时分析功能，可保存有关运行的历史资料，通过研究各种不同情况下的生产过程，还可以建立或改善电能生产过程的数学模型。例如水电厂水情测报、大坝观测、梯级水电站的经济调度等过程，可以通过DAS系统进行采集参数、集中监视、逻辑判断、分析运算、加工处理，最后显示表达和储存，计算机再根据所采集到的有关功率和频率等信息，按最优准则，实时地计划应开机组台数，提出各台机组负荷最佳分配的数据。再如报警，它可根据有事件发生前的某一瞬间对运行在一段时间的变化规律进行自动分析，来预测未来发展趋势，提出预防性措施，如安排停机检修等。计算机数据采集监视系统的一个优点是比较灵活和安全，它使运行人员能随时了解电厂生产过程的状态，并可根据自己的判断对计算机系统提供的操作信息有选择地采纳，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指导意义，其应用极为广泛。(二)直接数字控制系统(DDC)计算机直接数字控制(DirectDigitalControl，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2—2所示。直接数字控制系统是计算机在工业应用中最普遍的一种方式。它是以对生产过程的实际测量值与给定值相比较的偏差值作为计算机的输入，计算机按照规定的控制规律(inPID控制规律)所描绘的数字模型进仃运，鼻，计算出控制重后糯出作用仕帆仃7{：lq：X2。在DDC系统中，计算机不仅可完全取代模拟调节器，实现对生产过程的控制，还可以实现最优化控制和多回路的PID调节，并具有结构简单的优点，而且不需要改变硬件，只需通过改变软件就可以有效地实现较复杂的控制算法。一般的DDC系统有一个功能齐全的运行操作台，给定显示、报警等集中在此控制台上。例如水电站自动化采用DDC系统可以用来完成如下的功能：①作为调速器，对水轮发电机组进行有功和频率的调节；②作为励磁调节器，对机组无功和励磁电流进行调节；③进行同期并列操作；④对运行设备进行保护。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。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价比的大幅度提高，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DI)C系统的广泛应用。(三)操作指导控制系统操作指导控制系统(OperationalInformationSystem，简称OIS)又称计算机开环监督控制系统。该系统不仅具有数据采集和处理的功能，而且能够为操作人员提供反映生产过程工况的各种数据，并相应地给出操作指导信息，供操作人员参考。该控制系统属于开环控制结构。计算机根据一定的控制算法(数学模型)，依赖测量元件测得的信号数据，计算出供操作人员选择的最优操作条件及操作方案。操作人员根据计算机的输出信息，如CRT显示图形或数据、打印输出等去改变调节器的综合给定值或直接操作执行机构。操作指导控制系统原理框图如图2—3所示。SCC系统主要实现生产过程的最优化。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。SCC系统控制效果主要取决于数学模型的精度。若水电厂生产过程的数学模型能使其达到最优状态，则SCC控制方式就能实现最优控制。当然若数学模型不理想，控制效果则会变差。SCC系统执行的控制任务主要有以下几方面：(1)正常运行控制。如自动发电控制(AGC)、自动电压控制(AVC)，控制发电机组的启动和停机操作，以及运行方式改变的操作(如发电转调相、调相转发电等)。(2)紧急控制。当系统和设备发生异常情况时，监控计算机能做出判断，并采取相应的处理措施；当系统发生扰动时，能迅速采取校正对策，以保证运行的稳定。(3)恢复控制。当事故发生后能尽快地处理，恢复到正常运行的状态，以尽可能地缩小事故的范围和损失。如调整机组的出力、将解列的机组重新并列等。迅速和正确地恢复控制对安全和经济运行都是很必要的。在有的系统中，SCC系统在执行监督控制的同时兼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／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。【五)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、决策流进行全面而有效的控制和协调。分级控制系统(HierarchicalControlSystem，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。多功能分级控制系统的基本结构如图2—5所示。分级控制系统是一个集控制和管理为一体的工程系统。它所要求解决的不仅是局部过程控制的优化问题，而且是全局总目标和总任务的优化问题。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2-5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信线路向上连接，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、送风挡板的执行机构等)，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、报警及冗余切换等功能。集中操作监控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、历史数据存储、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。在火力发电厂的控制中，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。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上一级管理计算机，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、环境等许多方面，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。(六)现场总线控制系统现场总线控制系统(FieldbusControlSystem，简称FCS)，是新一代分布式控制结构，目前还处在发展阶段，各种不同的现场总线控制系统层出不穷，其系统结构形态各异，有的是按照现场总线体系结构的概念设计的新型控制系统，有的是在现有的DCS系统上扩充了现场总线的功能。如果重点放在监控级、控制级和现场级，而监控级之上的管理级、决策级等暂不予考虑，则可将FCS分为三类：一类是由现场设备和人一机接口组成的二层结构的FCS；一类是由现场设备、控制站和人一机接口组成的三层结构的FCS；另一类是由DGS扩充了现场总线接口模件所构成的FCS。这里以具有二层结构的FCS为例，如图2-6所示。它是由现场设备和人机接口两部(七)以太控制网络系统～一……劂卉望；：墨姜三竺奎芒掣鬯络技术的多总线集成控制系统的典型结构。目前，以太控制璧喜{兰；宴。挈化翟磬凳拦型警域得到了迅猛的发展。以太网与其他箍箱高菇箱琵翼砉箍茗竺喜：嚣篓笋：=紊用公要曹孽准和协议；平台．-无J关性——可以选蕃采高J二蒙：菜鬲奚茹荔凳名望型譬爹乎璧：!鼍二-=嬖堡供E_mail、、v、—州、F]巾等多种信息服务‘；卤菇用j募二磊=差好、规范化、易学易用；多现场总线的集成能力、多系统集成能力、多囊某藁轰晶另_矶、从二、按系统结构分类矧万!专恐箩型委至篓}譬构布局可以将系统划分为集中式计算机控制系统，分散式控制系爹，2．布式监控系统，全开放、全分布式监控系统等几种结辐丧妄-””…～““扒扎江(一)集中式计