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顺序控制技术在火电厂的应用

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 10:18:58

韩忠旭
中国电力科学研究院，北京100085 1 引言
　　随着计算机技术的发展，分散控制系统（DCS）在火电厂热工自动化领域得到了广泛的应用，其功能的划分也逐渐合理。通常将辅机顺序控制功能称为顺控（SCS）。
　　本文通过回顾我国火电厂顺控技术的发展历史和多年来火电厂顺序控制技术的实践,特别是在对引进型机组配置的各种顺控系统进行剖析和综合的基础上，按不同的发展层次，结合各个时期的历史背景，从应用软件的角度澄清一些事实，对于计算机顺序控制系统本身有待改进的一些问题进行深入探讨，籍以说明如何应用好计算机顺序控制技术，进而提高我国火电厂顺序控制系统的应用水平。
2 组件式顺序自动控制装置——TM
　　TM是瑞士BBC公司于70年代制造的TUR－BOMAT的简称，是一套基于晶体管分立元件的组件式顺序自动控制装置，用于汽轮机组的自启停。我国最早引进的300 MW再热式汽轮发电机组——元宝山发电厂1号机就应用TM实现汽轮机的自启停^［1］。
　　TM是一台控制整套汽轮发电机组自动启、停机的程序控制装置，它按设计好的程序控制汽轮机功频电调和汽轮机辅机设备，从汽轮发电机组启动直到并网带负荷的全部操作完全自动进行，停机时的操作也是自动完成的。
　　用TM控制汽轮发电机组的启停，若从控制过程来看，它严格遵守运行规程，与手动操作无差异，TM在手动方式下运行时，它的启停程序就是作为手动操作规程使用的。但是TM的自启停程序，并不是手动操作规程的简单排列，而是综合考虑机组的启停特性、信息的变化规律和故障的处理方法等因素后，进行分析排列，从而整理出自动操作的逻辑关系。
　　法国CEM公司的300 MW再热式汽轮发电机组，其启动过程从静止状态到带负荷运行分为5个阶段，每个阶段中又分为若干程序步骤。程序阶段的划分考虑到启动时可以停留在各个阶段进行设备检查，发生故障时也可以根据故障情况退回到适当的程序阶段。
　　TM中每个程序步骤发操作指令所应具备的条件称作一次判据，一次判据满足之后，步骤单元就发出操作指令，指令时间是2 s。指令发出后，检查被操作设备的运行情况称作二次判据。从指令发出到完成操作，例如启动某台泵运行正常或开关某个阀门直到全开或全关，需要一定的时间，这段时间称作“允许时间”。如果在允许时间内完成了操作，则向下一个程序步骤前进，否则发出报警并停止程序前进。在一个程序步骤的最后一个二次判据完成后，到执行下一个程序步骤之前，TM又安排了一段时间间隔，以使各个生产过程达到执行下一个程序步骤的条件，这段时间叫做“等待时间”。
　　300 MW汽轮发电机组的5个程序阶段及14个程序步骤为：①不带旁路的盘车阶段，包含3个程序步骤，即启动电动润滑油泵，投盘车装置，盘车；②带旁路的盘车阶段，包含5个程序步骤，即投冷却水系统，投凝结水系统及控制油供油装置，凝汽器抽真空，向汽轮机轴封送汽，投入旁路；③汽轮机空载运行阶段，包含3个程序步骤，即建立安全油压,汽轮机升速，空载运行（转速大于2 900 r/min）；④励磁阶段只有1个程序步骤，即投入发电机励磁；⑤带负荷运行阶段，包含2个程序步骤，即同期并网，升负荷。
　　在每个程序步骤上，如果一次判据满足（判据灯熄灭），TM就发出一个或几个指令给DEH和汽轮机辅助设备的控制功能组，并由它们去操作有关设备。如果某个一次判据不满足，判据灯闪光，TM自动停步，发出闭锁指令。当判据满足，“停止复归”后，可重新发指令。二次判据在“允许时间”内不满足时，判据灯持续发光，不影响程序步骤，如果过了“允许时间”尚未满足时，判据灯由持续发光变为闪光，在发出信号报警的同时程序停步。
　　运行过程中一旦出现故障，TM可根据机组状态和事故类型，自动反向到安全运行状态或停止汽轮发电机组。通过监视润滑油压、主汽温度、安全油压等危及汽机安全的各种参数，并将它们作为引起程序反向的一次判据，可以使TM根据事故类型按事先安排好的反向程序自动地退回到反向目标。此外，停机程序也可由运行员操作阶段按钮来执行。
　　TM设置了5个反向目标，当发生事故时，机组究竟反向到哪一步骤，则根据具体的反向判据来判断。
　　反向判据对应的反向目标是固定的，但机组启停程序进行状态的作用区间（通称有效区间）是不同的，即每个判据都对若干程序步骤有影响。
　　在作为反向判据的一次判据不满足或手动操作阶段按钮引导机组反向时，正向程序立即停止，程序停止指示灯亮，同时引起程序反向的一次判据指示灯闪光并发出音响报警。执行反向程序时反向指示灯亮，由反向程序所确定的反向单元指示灯亮，反向指令完成情况由反向校核（反向程序的二次判据）指示灯显示。如果反向指令未能完成，则反向校核指示灯闪光。如果有中间反向步骤，则反向到中间步骤，再依次反向到规定步骤。在程序反向时，反向以前的程序步骤指示灯和引起反向的一次判据指示灯仍保持灯光信号不熄灭，以便于进行事故分析。当故障消失后，方可操作“复归”按钮，清除“停止”和“反向”信号后，程序重新由此步骤按启动程序作好准备。
    TM有3个运行方式：“手动”、“自动”和“模拟”。　　
    TM上电后处于“手动”运行方式，此时，不能向所控设备发出操作指令，但能够接受机组的各种状态信号，并通过步骤指示灯、判据指示灯使运行员了解机组启停状态，进而手动控制机组的启停。“手动”时，二次判据的“允许时间”为无穷大。当机组运行状态有新的变化时，必须通过“程序试验”使程序“定位”在与机组状态同步的步骤单元上，否则控制装置显示的状态不一定是机组当前的运行状态。
　　将TM由“手动”切到“自动”，首先引发一个程序试验过程，“自动”按钮灯闪光，“程序试验”结束时，触发一个“定位”脉冲，使TM与机组运行状态同步，不管TM原来处于什么步骤和阶段，必须把它所在的步单元改为与汽轮发电机组实际状态相对应的步骤。TM还根据定位过程的不同对一次判据进行分组。
　　“模拟”运行方式的目的是为了维护设备和培训运行员。
　　TM是一个以一次判据为条件和以二次判据为反馈的闭环的顺序控制系统。它也是将由印刷电路插件构成的功能单元用逻辑连接起来的顺控装置。这些由印刷电路板组成的功能单元由阶段单元SU、步骤单元PU、反向单元RU、信号单元AU和中央控制单元组成。这种模块化的设计便于修改和维护。
　　图1是步骤单元的逻辑电路图。

端子5：Σ指令的输出端；端子7：步指示灯；端子9：连接在灯试验按钮上；端子11：步骤单元的程序停止信号输入端；端子13：定位存储器的信号输入端；端子15：指令输出端；端子17：接受一个紧接其后的步骤单元PUX＋1送来的复位信号；端子19：指令时间控制端；端子21：定位系统的置位信号输入端；端子23：被反向单元置位的信号输入端；端子5:被反向单元复归的信号输入端；端子27：接受从PUX＋1来的定位信号；端子29：定位记忆闭锁信号的输入端；端子31：被阶段单元释放的信号输入端；端子33：被低一级的PUX－1来的信号而置位步骤单元PUX存储器的信号输入端；端子35：启动脉冲信号输出端；端子37 ：寻址信号及PUX－1复位信号输出端；端子39：被信号单元AU闭锁的信号输入端；端子41 ：输出选择“允许时间”的信号；端子43：输出选择“等待时间”的信号；端子45：进位信号输出端
图1 步骤单元的逻辑电路图

3 计算机顺序控制技术的早期应用
　　继TM之后，我国在80年代中期引进的第一台600 MW汽轮发电机组——元宝山发电厂2号机，配备了一套基于微处理机的顺序控制装置（TURBO－DEM），这是法国CGEE－ALSTHOM公司为其600MW汽轮发电机组配备的自启停装置，用以实现整个汽轮发电机组及其汽动给水泵的自启停。
　　TURBODEM继承了TM的全部功能（根据计算机控制技术略有改变），但其使用的控制设备更换为微处理机，是应用计算机实现单元制大容量汽轮发电机组自启停控制的一个早期装置，它采用MC6800汇编语言编制系统软件，采用表格式的程序设计方法开发应用软件，是一个初级的应用软件开发工具的工程应用实例。其程序设计思想对于了解和掌握计算机控制系统应用软件的自动开发工具与环境的初期状态和发展历程，是很有用的。文［2］通过对TURBODEM的机器码进行反汇编，剖析了其软件体系，给出了各种服务请求及其调度方法的详细描述。
　　600 MW汽轮发电机组的自启停程序由5个阶段16个步骤组成。
　　TURBODEM继承了TM设计思想上的精华，其软件的设计思想也有特色，但毕竟因为它是计算机顺序控制技术的一个早期装置，在应用方面缺乏经验，致使应用效果不如TM好。
4 与DCS融为一体的顺序控制技术
　　随着计算机控制技术的发展，顺序控制系统的控制装置不再单独设计和制造，而是将其与DCS系统融为一体。华能大连电厂和华能福州电厂于80年代后期从日本三菱公司引进的4台350 MW单元机组的自启停顺序控制技术（APS）采用了这种技术^［3］。
　　MIDAS－8000计算机控制系统采用15台PDP－11/73小型计算机构成单总线的小型以太局域网，9套C2000可编程控制器按不同的控制功能通过转接器分别连接到相应的小型机的串行口上，DAPS计算机通过以太网通信指挥其它计算机完成单元机组的自启停，其结构见图2。

　
DATLA/B执行数据的集中监视和显示、报警、报表等功能；CMPC执行燃烧管理和性能计算；与其相连的C2000可编程控制器为锅炉吹灰器顺控器SOOT，DAPS执行电站单元机组自启停的任务；IOPRO处理过程量输入输出((仅用于DAS功能)；DAP－CA/B为电站自动控制系统(包括协调控制系统)；DABSA/B为燃烧器自动控制与管理系统，与其相连的六套C2000可编程控制器分别为五台磨煤机的顺序控制器DMLA、DMLB、DMLC、DMLD、DMLE和重油燃烧器的顺序控制器FOIL、DEHA/B/C为汽轮机功频电/液调节系统；DFWCA/B为锅炉给水及汽动泵调速自动控制系统；DSEQC为单元机组辅机顺序控制系统，与其相连的二台C2000可编程控制器分别为锅炉辅机顺控器SEQB和汽机辅机顺控器SEQT；PC9801为工程师工作站
                        图2 MIDAS-8000计算机控制系统的配置

　　APS是最早应用计算机控制系统对大容量单元制火力发电机组进行自启停控制的系统之一。借助于网络通信技术，DAPS计算机可以方便地与图2中其它功能的计算机交换信息^［4］，还可以间接地与每台C2000可编程控制器通信^［5］。
　　当机组要用APS方式启动/停止时，APS的ON/OFF键必须在投入位置。DAPC、DABS、DDE－H、DFWC、DSEQC等运行方式键，当它们在自动方式时，相应的控制系统将接受APS的控制指令。　　
    APS将整个单元机组的启停分为11个步骤，依次为：点火准备，锅炉点火，汽机冲转，同期，升负荷1（发电机负荷＞30%），升负荷2（发电机负荷＞50%），减负荷（发电机负荷＜5%），解列，停机，停炉，停辅机。
　　SEQC是一套完整的单元机组辅助设备的顺控及单控（或称单操）系统（即SCS）。为适应大型机组的经济性和快速性等特点，确保单元机组的安全启停，可将辅机设备分为17个功能组。其设计思想是，根据设备特性和运行规程，把完成某种特定功能的辅机设备组成一个辅机设备单元，并按控制要求设计这些辅机的启停逻辑，以满足电厂整体工艺流程的需要。
　　SEQC下辖2台C2000，其中SEQT是汽机辅机顺控系统的驱动级控制逻辑，SEQB是锅炉辅机顺控系统的驱动级控制逻辑。SEQC根据运行规程预先设计好启停逻辑，进而对每个功能组中的辅机设备进行顺序控制，SEQB和SEQT则把具体的一台辅机或阀门作为被控对象，根据联锁条件控制设备的启停和开关。显然，SEQC为控制的指挥层，SEQT和SEQB为控制的执行层。在功能组投自动的情况下，SEQC、SEQB、SEQT能自动控制该功能组内各辅机设备的启停和运行。在功能组切除或DSEQC计算机发生故障的情况下，SEQB、SEQT可单独工作，根据联锁条件控制设备的启停。SEQC执行顺控和群控，SEQB、SEQT执行联锁和单操。
　　当DAPS和DSEQC计算机均在自动方式时，辅机顺控功能组SEQC的投入与切除由APS指令控制；当DSEQC方式键不在自动方式或DAPS计算机发生故障的情况下，可手动投入或切除SEQC的17个顺控功能组。
　　APS的显著特点是其结构的层次化，利用计算机网络通信技术，充分考虑小型机和PLC可编程控制器各自的特点，在结构上实行分散控制，在逻辑上实行层次控制，从而最大限度地保证系统的安全性和可用率。此外，应用软件的开发方法也发生了极大的变化，图形化软件开发工具成为自动控制技术人员编程的得力工具。
　　APS的不足之处是其显示系统的功能不完善，缺少强有力的运行操作指导，面对大容量单元机组全程启停自动化这一复杂的综合性技术，完善的操作指导和丰富的画面显示系统是不可缺少的。此外，将整个单元机组的启停分为11个步骤也显得粗糙，远不如TM中程序阶段和步划分得合理。这是APS难以投入自动运行的根本原因。
5 综合评述
　　回顾这些年来顺控系统的发展历程，下述几点是值得借鉴的。
　 (1)要重视对电厂顺控系统被控对象工艺流程的研究
　　近年来，顺控设备发生了很大的变化，从微处理器、可编程控制器到分散控制系统,各种控制设备都得到了迅猛发展，人们对控制设备的研究也比较多，而对顺控系统被控对象的研究相对较少。一个顺控系统的应用效果，很大程度上取决于设计者对被控对象工艺流程的了解和掌握程度。TM能得到成功应用的一个重要原因，就是其应用程序设计得周密而合理，如什么工况下汽轮机要反向运行，反向到哪个步骤既安全又经济，一个判据对汽轮机启停全过程有哪些影响，它的有效区是多少个程序步骤，对程序的重定位有无影响等等，这些都需要对汽轮机启停的工艺流程有深入的了解，才能设计出妥善的控制方案。对于其它各种辅机功能组的顺序控制系统的设计也是同样道理。对控制设备(仪表与计算机)的研究和掌握，不能取代对被控对象工艺流程的研究，也就是说，再好的硬件也只有在高水平软件的管理下，才能发挥出强大的功效。
　　(2)完整而实用的总体设计思想是顺控技术的精髓
　　软件的水平决取于其总体设计思想，这里，软件的概念已经有了更深层意义的外延。虽然早期采用的控制设备是由分立元件印刷电路插件板构成的，但其完整而实用的总体设计思想却使得顺序控制的应用获得了显著的效果。主要体现在以下方面。
　　1)逻辑模块化。根据阶段单元、步骤单元、信号单元、反向单元等各种完成特定功能的控制逻辑设计出标准的电路插件板，然后根据被控对象的工艺流程将这些模块用二极管矩阵（相当于逻辑“或”运算）连接起来，这样既便于应用和修改，也使设计人员能够更多地去关注应用程序的宏观设计。
　　2)步骤阶段化。大型汽轮发电机组的启停自动化是一个综合性很强的复杂的顺序控制系统，通过合理而有效地设置控制程序的阶段和步骤，以及对危及机组安全的反向判据的连续监视，使汽轮机的启停程序综合考虑了安全性和经济性，从而使顺控装置不仅是启停装置，同时又是安全装置（因此而受到运行人员的重视，其自动投入率很高）。
　　3)判据条理化。一次判据、二次判据、反向判据、指令时间、允许时间、等待时间、判据的有效区及其对程序重定位的影响，都是顺控系统的基本概念，正确地理解它们，并妥善地将它们应用于顺控程序，对提高程序的设计质量影响极大。同时判据的条理化也有利于提高编程效率，例如在编制顺控系统的功能说明书时，只要指明判据的类型（一次判据、二次判据或反向判据）、有效区间（对哪些步骤起作用）、对程序重定位的影响以及二次判据的允许时间等信息，在实现时只要将各种逻辑模块链接起来即可。
　　4)程序试验和顺控装置投自动所引发的程序重定位功能，可使顺控装置跟踪机组的实际工况，使控制装置在任何工况下投自动均能适应机组当前状态，不会误发指令。
　　5)注重操作指导的功能。尽管在当时的历史条件下，不具备可由计算机提供的丰富的操作画面，但利用各类判据灯及按钮灯的不同灯光信号的组合，其操作指导也别具特色。
　　在计算机技术获得广泛应用的今天，早期顺控装置必然面临退役，它们所采用的设计思想，有些已为计算机顺控系统所接受（如逻辑模块化），有些还得到了发展（如操作指导），但因各种原因，仍有许多长处未能继承和发扬，致使控制设备的更新未能提高整个顺控技术的控制水准。
　　(3)应用软件的开发方法和环境是应用计算机的必要条件，但要正确对待和认识
　　与软件设计水平密切相关的另一问题是应用软件的开发方法和环境。随着计算机不断涌入过程控制领域，大批自动化工程技术人员必须使用计算机，他们渴望能有一种使用简单、灵活友好的应用程序开发工具。较早的计算机控制装置，由于未能建立合适的应用软件开发环境，使计算机的应用水平受到很大的限制。现在，许多DCS已采用了图形化软件开发工具，这标志着控制系统软件的开发环境已进入了一个较高级的层次，自动化工程技术人员已不必关心程序是如何设计的，只需专心于控制逻辑的优化。
　　然而，高级编程方法也伴随着另一个潜在的问题，即在为控制工程师提供方便和灵活性的同时，使得他们多少也产生了一些侥幸的心理，表现为逻辑设计具有某种程度的随意性，不规范，甚至过于依赖于计算机控制的灵活性，认为许多搞不清楚的事情可以在生产现场随时修改和变更，从而忽视了初设阶段的重要性，致使有些应用软件无论怎样修改也无法掩盖其先天不足。这与基于印刷逻辑电路板的顺控装置的设计形成了鲜明的对照，因为印刷电路板一经制造出来，修改就非常麻烦，因此设计者格外谨慎和小心，考虑问题就比较全面和细致。
　 (4)健全的操作指导是顺控系统的重要组成部分
　　操作指导是运行员的得力参谋和重要工具，如果没有操作指导，即使顺控系统的控制逻辑设计得再好，运行员也不敢用，因为他不知道程序运行到了哪里，也不知道程序为什么运行到了那里，下一步该启停哪些设备，需要多长时间等等。APS应用效果不理想的一个重要原因就是缺少强有力的操作指导支持，一台350 MW单元机组的全程自启停的11个步骤中，每个步骤都要执行许多操作，离开操作指导，运行员实在难以记清楚每一步要作些什么以及操作指令执行的结果。因此他们宁愿根据运行规程一项一项地去操作，以便及时得到每项操作的反馈信息。
　　(5)需要有一批既精通电厂热工自动控制技术，又能熟练掌握计算机控制技术的专业技术人员　
　任何先进的技术，能否有使用价值和经济效益，归根到底在于应用以及应用这些技术的人。原先的顺序控制装置是基于电子技术的面向自动控制工程师的技术。采用计算机控制系统之后，控制装置改成为计算机，控制方案变成了计算机软件，使得早期的计算机控制系统在某种程度上是面向计算机程序员的技术。当代的计算机控制系统，其软件的开发方法和环境已进入较高的层次，人机界面十分友好，控制程序的开发可以称得上是面向自动控制工程师的技术，为计算机的应用铺平了道路。然而在高层次的设计和应用水准上，仍然离不开对计算机控制技术的理解和掌握，如计算机控制原理、采样定理、网络通信、实时操作系统等等。因此，需要有一批既精通电厂热工自动控制技术，又能熟练掌握计算机控制技术的工程师，不懈地努力钻研电厂自动控制的高新技术，进而提高计算机控制系统在热工自动控制领域的应用水准。
6 结语
　　不论顺控设备怎样更新换代，真正掌握顺控对象的工艺流程始终是顺控系统的首要任务。同时也应看到，在自动控制领域越来越多地融入计算机技术的今天，单一的知识结构已经不能胜任，从事自动控制的工程师必须精通控制技术与计算机技术。
    计算机的应用不应满足于漂亮的操作指导画面和停留在辅机的顺控功能子组，而应该根据机组的运行工况，能自动引导机组及其各种辅机设备安全经济地运行。
　　既然组件式顺控装置能实现高水平的顺序控制，那么采用当今具有高级的软件开发环境的计算机控制系统，也必然能够达到高水平的顺序控制。

参考文献

［1］东北电管局元宝山发电厂.总工程师新技术研究班讲义[Z].30万千瓦机组设备特点汇编,1982,4.
［2］韩忠旭．表格式程序设计方法在600 MW汽轮发电机组顺序控制装置中的应用［J］．电网技术，2000，24(3)．
［3］华能国际电力开发公司培训教材．计算机网络控制系统［M］．上册，1992，10．
［4］韩忠旭．ETHERNET及其网络软件在计算机控制系统中的应用［J］．电网技术，1998 ，22(12)．
［5］韩忠旭

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