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　　【摘要】在研究國外自動化技術發(fā)展及其在火電廠工程中應用經驗的基礎上，從工程觀點出發(fā)，對未來21世紀最初10年火電廠自動化化技術應用的發(fā)展趨勢、管理體制的改革，以及發(fā)展我國民族自動化工業(yè)等提出了看法。

　　【關鍵詞】火電廠自動化信息網絡化分散控制系統(tǒng)現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)

　　1火電廠自動化技術應用10年展望

　　在本世紀最后10年左右的時間里，我國火電廠自動化技術應用的發(fā)展，盡管經歷過挫折和重重困難，但仍以前所未有的速度發(fā)展?？梢灶A見，進入21世紀，我國火電廠自動化技術應用很可能將以更快的速度發(fā)展，這個預測是基于：(1)世界高科技飛速發(fā)展，世界進入信息時代；(2)我國社會主義市場經濟體制將日趨完善，經濟實力進一步加強，我國電力市場將真正形成。作者在1997年10月中國電機工程學會第5屆自動化學術討論會上發(fā)表的論文《邁向2000年的火電廠自動化水平》，以及電規(guī)總院向原電力工業(yè)部上報的《關于建設2000年新一代燃煤示范(試點)電廠的請示》中的附件之一：《2000年電廠儀表和控制(I&C)系統(tǒng)設計原則》中，從工程觀點出發(fā)，提出了21世紀初期火電廠自動化應用技術設想和2000年示范電廠自動化系統(tǒng)設計原則。在國家電力公司、電力規(guī)劃設計總院的領導下，在各大區(qū)設計院以及各有關工程管理和技術人員的努力下，對2000年燃煤示范電廠自動化系統(tǒng)的設計原則逐步完善和落實，也使火電廠自動化未來10年展望更具現(xiàn)實性和指導性。

　　1.1火電廠將進入信息網絡化時代

　　未來21世紀的最初10年，火電廠必將隨著不可抗拒的潮流加速進入信息網絡時代，火電廠乃至電力系統(tǒng)和電力企業(yè)集團將形成生產過程自動化和管理現(xiàn)代化的信息網絡。特別要指出，在全廠信息網絡結構優(yōu)化過程中，在技術上百家爭鳴，研討優(yōu)化方案時，還要注意克服頭腦中由于專業(yè)分工造成的偏見、局部間利益的摩擦，以及管理體制造成的束縛。經過 2 a的研究和工程審查實踐，初步形成了下圖所示的全廠信息網絡結構的方案，說明如下。

　　1.1.1廠級生產過程自動化和管理現(xiàn)代化系統(tǒng)(簡稱廠級自動化系統(tǒng))

　　由廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory information system in plant level,簡寫SIS)和廠級管理信息系統(tǒng)(Management information system in plant level,簡寫MIS)組成。SIS主要處理全廠實時數(shù)據，完成廠級生產過程的監(jiān)控和管理，廠級故障診斷和分析，廠級性能計算、分析和經濟負荷調度等；MIS主要為全廠運營、生產和行政的管理工作服務，主要完成設備和維修管理、生產經營管理(包括電力市場報價子系統(tǒng))、財務管理等。SIS和MIS可以是設置在一個網絡中的2個功能，共用計算單元和數(shù)據服務器，也可以如圖1所示，SIS網與MIS網用網關(G)或其它接口分隔成2個網，分別設置相應的計算單元和數(shù)據服務器，以提高SIS網的安全性。

　　電力集團企業(yè)MIS和電網運營系統(tǒng)與火電廠的廠級MIS相連，而電網調度系統(tǒng)則通過發(fā)電端的遠程發(fā)送單元(RTU)與網內火電廠的的廠級SIS相連，進行1級或2級調度，也可采用傳統(tǒng)方法連接到網絡站監(jiān)控系統(tǒng)。隨著光纜在各地區(qū)，乃至全國范圍內的敷設，有可能不再需要RTU，而可以由專用Intranet網實現(xiàn)上述通信。

　　廠級SIS+MIS系統(tǒng)，對內是實現(xiàn)廠級生產過程自動化和管理現(xiàn)代化的系統(tǒng)，對外是電網運營和調度系統(tǒng)，以及電力企業(yè)集團MIS在發(fā)電廠側的支持系統(tǒng)，因此，一般情況下無需獨立于廠級MIS再另搞一套發(fā)電廠報價系統(tǒng)(GBS)。

　　1.1.2輔助車間監(jiān)控系統(tǒng)

　　一個火電廠有10幾個輔助車間，國外已有通過網絡集中到1個控制室進行集中控制的做法。過去國內都是一個輔助車間內由PLC和上位機構成一個網絡，在車間控制室內控制。目前趨向于采用適度集中控制的方案，例如全廠形成煤、灰、水3個網絡、3個監(jiān)控點，待今后條件成熟時再減少控制點。輔助車間網絡通過網關連接到上層網——廠級SIS網，不推薦連接到單元機組DCS網，再將信息引到SIS網的做法，因為這樣增加了DCS負荷，降低了單元機組監(jiān)控可靠性，很難處理單元機組公用車間運行管理不同的矛盾，而且單元機組對大量輔助車間信息也沒有需要。至于2個單元機組公用的廠用電系統(tǒng)和循環(huán)水泵房，則可設置公用DCS網，按如圖1方式與單元機組DCS相連接，實現(xiàn)每臺單元機組DCS對它的監(jiān)控。

　　1.1.3網絡站監(jiān)控系統(tǒng)

　　網絡站監(jiān)控計算機系統(tǒng)本質上是廠級SIS網下一級的一個車間級監(jiān)控系統(tǒng)，有人建議把網絡站監(jiān)控計算機系統(tǒng)和SIS合用一個信息網絡，這是不妥的，因為它們是2個不同性質的網絡，合用會降低網絡站控制的可靠性和實時性，并使不同任務的值班人員(全廠總工和網絡站值班員)在同一網絡的終端上工作而帶來一系列問題。必須說明，圖示的網絡結構還有待在今后的工程實踐中進一步完善，或根據情況作必要的修正。

　　中國火電廠自動化發(fā)展趨勢及對策(2)

　　1.2單元機組自動化將展現(xiàn)新的特點

　　火電廠單元機組的自動化水平，無論國外和國內，都是比較高的，因此未來21世紀的最初10年期間，單元機組自動化水平要不要和會不會再提高，答案應該是肯定的。當前，國際上電力市場的競爭愈演愈烈，電網為了自身的安全和經濟效益，對火電廠單元機組提出了一系列嚴格的調頻和調峰的范圍和速度的要求；競價上網的市場原則迫使火電廠必須最大限度地挖掘機組潛力，提高效率，減少人員，降低成本；國家法律對環(huán)保日益嚴格的要求，并采取相應的經濟調控手段，也將迫使電廠采取對策。在我國，隨著改革的深入，電力市場正在逐步發(fā)展和完善，只要到全國走一走，就會看到火電廠內正蘊動著與國外類似的需求。

　　未來10年左右時間里，可以斷定，單元機組自動化必將在下列幾個方面進一步向前發(fā)展：

　　1.2.1控制系統(tǒng)全計算機化，控制室緊湊小型化

　　單元機組實現(xiàn)全CRT監(jiān)控，傳統(tǒng)監(jiān)控盤臺將取消，控制室(2臺單元機組)面積由目前的350～4 000 m2，降到150 m2以下。

　　1.2.2監(jiān)控系統(tǒng)的功能配置和物理配置原則將重新安排

　　a.物理配置原則

　　隨著計算機技術的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)將由以前的全部集中到一個控制樓里的配置方式，逐步趨向于采用適度物理分散配置的原則。龐大的控制樓將取消，變成若干個小型的電子設備間，分別布置在鍋爐、汽輪機房或其它主設備附近。節(jié)省電纜，并為主廠房模塊化設計、安裝、縮短工期，以及主廠房合理布局創(chuàng)造條件。對現(xiàn)場來的信號，將大量采用遠程I/O，其中驅動器控制用的I/O，經過實踐，也將廣泛采取現(xiàn)場配置，這種配置方式必將為大量節(jié)約監(jiān)控電纜，降低基建費用，縮短工期作出貢獻。

　　b.功能配置原則

　　分散控制系統(tǒng)問世時，當時開發(fā)者有2大派，一派以歐洲的公司為主，他們根據過去集中計算機控制故障集中的弊病，提出DCS應按控制功能徹底分散的原則開發(fā)，因此推出DCS中的控制器容量很小，往往控制1～2個回路，與傳統(tǒng)單回路控制器類似；另一派以美國和日本的公司為主，他們走中間道路，采取適度分散原則。起初歐洲派由于符合原先人們的習慣，受到一定程度歡迎。但是隨著時間推移，這種方案最終被淘汰了?，F(xiàn)在連當時創(chuàng)導這種思想的DCS公司也紛紛拋棄原來那種型式的所謂控制功能徹底分散思想，而推出適度分散的DCS產品。

　　縱觀這一段DCS發(fā)展史，結合火電廠單元機組控制系統(tǒng)的特點，DCS功能配置將與物理配置走正好相反的方向，正在趨向再適度集中一點的方向發(fā)展。因為：首先，單元機組各個控制系統(tǒng)間有著千絲萬縷的信號聯(lián)系，一對控制器故障，往往會導致另一對控制器因沒有正確的聯(lián)系信號而不能正常工作，甚至誤動；其次，由于目前大多沒有常規(guī)后備監(jiān)控制設備，因此，對于大部分重要控制器，只要其中一對控制器故障，可能就要被迫停機，而過多的控制器實際上反而增加了故障停機的概率；再次，目前控制器容量和速度均大大提高，多個相互聯(lián)系密切的控制系統(tǒng)集中在一對控制器中，反而因內部信息交換方便而提高可靠性。目前有的公司推出的DCS，CPU采用2×2冗余(由于計算機技術發(fā)展，成本增加很小)，可靠性進一步提高。

　　綜上所述，根據電廠特點，應當在提高每一組控制器的可靠性上下功夫，例如采用按照IEC61508功能安全原則設計的控制器；CPU采用2×2冗余或三重冗余；必要時甚至對部分I/O采取冗余等。而在控制器容量和速度允許情況下，可以合理地配置控制器(按工藝功能區(qū)配置；關系密切的控制系統(tǒng)納入同一控制器等)，適當提高功能配置的集中度。

　　c.現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)若干問題的思考

　　(1)“FCS將取代DCS，DCS將消亡”的論點。DCS的本質是監(jiān)控集中，控制分散，故又稱集散控制系統(tǒng)(TDCS)，從來沒有人聲稱DCS的“監(jiān)控集中”原則也過時了；相反，F(xiàn)CS系統(tǒng)開發(fā)商也企圖仿照DCS開發(fā)上層監(jiān)控網絡，不同在于，他們開始時想搞一個唯一的國際標準的上層通信網而已，實施的困難已迫使他們放棄這種想法而宣布擬采用現(xiàn)存的工業(yè)以太網。因此，至少從這一點上說，這種提法是很值得討論的。

　　(2)DCS和FCS如何對待“控制分散”。有人說，F(xiàn)CS將控制和處理功能徹底分散到智能現(xiàn)場儀表(智能變送器、智能執(zhí)行機構、智能開關柜等)中，不再需要傳統(tǒng)的放在控制室中的控制器了，這也是不全面的。從火電廠單元機組用DCS的經驗看，在對待“控制分散”問題上必需因地制宜。

　　對于單元機組的大部分非常復雜的控制功能，“徹底分散”同由于故障點增多，反而會降低系統(tǒng)的可靠性(即使將來開發(fā)出冗余的FF-HI或PROFIBUS-PA過程控制總線)，并使一個控制系統(tǒng)功能必須以很高的處理周期，頻繁在2層通信網絡內交換信息，因此，至少在相當長時期內，技術上是不可行的。對于這部分系統(tǒng)的控制功能反而有趨向適度集中的趨勢。

　　控制和處理功能中的單個驅動器的邏輯控制功能正在靠近，甚至嵌入驅動器中倒是一個非常明顯的發(fā)展趨勢，這本質實際上是將DCS的驅動邏輯模件放在現(xiàn)場驅動器附近，或者開發(fā)內嵌驅動邏輯功能的智能驅動器，通過DCS的I/O總線或現(xiàn)場總線，與控制室內控制器相連，從而大大減少電纜和提高可靠性。因此，這不是FCS的獨創(chuàng)。對于簡單的功能相對集中的控制系統(tǒng)，采用FCS的控制和處理功能徹底分散到現(xiàn)場智能儀表中，而后納入DCS的方案，預計經過一段時間發(fā)展后，將會受到歡迎。

　　FCS的全數(shù)字化通信將引起真正的革命。傳統(tǒng)DCS的一個致命弱點是，它可以控制和監(jiān)視工藝過程，對自身進行診斷、維護和組態(tài)。但是，由于其I/O信號采用傳統(tǒng)的模擬量信號，因此，它無法在DCS的工程師站上對現(xiàn)場儀表(變送器、執(zhí)行機構等)進行遠方診斷、維護和組態(tài)。FCS的現(xiàn)場總線和全數(shù)字的現(xiàn)場總線智能化儀表熔入DCS后，將徹底解決這個問題。DCS公司也意識到了這點，目前已有一些DCS可以在控制器下層的現(xiàn)場總線上連接現(xiàn)場總線智能化儀表，實現(xiàn)全數(shù)字化通信。但是，在DCS工程師站上對現(xiàn)場儀表進行診斷、維護和組態(tài)的功能目前都只處于開發(fā)階段。因此，不贊成FCS取代DCS的提法，更確切的提法是，未來現(xiàn)場總線智能化儀表和FCS概念將熔入DCS中，推動DCS功能進一步發(fā)展，使用戶的配置方式更加靈活。

　　1.2.3單元機組自動化系統(tǒng)進一步智能化

　　單元機組DCS的應用使機組的監(jiān)控面貌發(fā)生了質的飛躍，但是應當說，它的監(jiān)控手法大多還是比較傳統(tǒng)的，智能化程度不太高。當前情況開始有了變化。從國外看，許多智能化的監(jiān)視和控制軟件已日趨成熟和商品化，并在火電廠實踐中取得明顯的效益，單元機組自動化系統(tǒng)進一步智能的趨勢十分明顯。因此，應當精心研究和設計DCS應用軟件，進一步提高顯示、報警、事故記錄等功能的智能化程度，實現(xiàn)數(shù)據存檔和檢索無紙化。要進一步提高模擬量控制系統(tǒng)的控制范圍，研究實現(xiàn)根據機組負荷自動啟停燃燒器(制粉系統(tǒng))和機組自啟停功能，使控制中心進一步智能化、自動化，使值班人員控制機組運行，好似人們照相使用“傻瓜機”那樣，以提高機組運行安全性。同時，要積極采用已取得成功應用經驗，安全、經濟效益明顯的優(yōu)化控制軟件、性能計算和分析軟件、機組壽命管理軟件、故障診斷以及狀態(tài)維修軟件等，進一步提高機組運行的安全性和經濟效益，以較少投入，最大限度地挖掘機組潛力。

　　1.3輔助車間高度集中控制

　　一個電廠有10幾個輔助車間，過去在每個車間都設一個控制室，采用PLC實現(xiàn)順序控制，值班人員多達100～200人，不少電廠輔助車間實際達到的自動化水平不高。隨著大中型國營企業(yè)改革逐步到位，許多企業(yè)已經意識到，1 a就可以減少近千萬元的支出。目前新建工程已迅速向這個方向發(fā)展。對于老電廠，他們在自動化改造時，除少數(shù)電廠外，目前大多還只在提高單元機組自動化水平上下功夫，輔助車間自動化改造還沒有提到議事日程上來，這主要是因為它將引起更大規(guī)模的下崗壓力。相信我國大中型國營企業(yè)改革基本完成之日，必將是老廠輔助車間進行上述自動化改造之時。

　　輔助車間實現(xiàn)高度集中控制要抓好2件事：(1)提高可控性，并集中解決好某些特殊檢測問題，使設計的順序控制得以可靠運行，實現(xiàn)在當?shù)鼗緹o人值班；(2)配置好輔助車間的計算機監(jiān)控網絡，實現(xiàn)若干輔助車間遠方集中監(jiān)控。