火電廠在脫硫脫硝改造中的控制系統的選型分析
【摘要】 隨著社會的發展，人們對環境的要求越來越高，火電廠煙氣脫硫及脫硝系統正在不斷增加。對于現有機組的改造除了主系統需要選型外，其控制系統也要綜合考慮。針對目前較流行的幾個控制系統，本文分別進行了介紹，并分析了他們的優缺點及其發展趨勢，并針對在增加脫硫及脫硝裝置進行改造機組的控制系統選型提出一些建議。
【關鍵詞】 脫硫 PLC DCS FCS 模擬信號 數字信號
1. 前言
隨著控制技術的不斷發展，燃煤電站的控制系統大都已經實現了自動化控制。新建設機組全部采用先進的控制技術，老機組的控制系統也相繼進行了改造，大部分機組已經改造完畢。燃煤電站的控制系統基本都采用了目前較流行的分散控制系統即DCS系統，保證發電生產系統的安全穩定運行。目前由于人類環保意識的增強及人類生存發展的需要，國內外都在積極注重環境保護技術的發展及環保工程的實施，新建大型燃煤機組都設計有脫硫及脫硝系統。以前的老機組都沒有脫硫（SO2、SO3）及脫硝（NO、NO2等）裝置，以及未來的CO2的減排控制等，根據國家對環保的要求必須對現有的發電機組進行污染物的排放控制，達到國家環保要求。火電廠鍋爐在增加脫硫及脫硝裝置進行改造時，其控制系統要根據具體電廠及具體機組的特殊情況進行設計。現在隨著控制技術的不斷發展，在控制領域出現了幾大主要控制系統。那末在改造設計當中采用什么樣的控制系統是目前我們設計人員要認真面對的。即要保證系統的安全穩定，又要考慮客觀實際又要節約資金。本文簡單介紹了現場脫硫及脫硝改造機組現狀，介紹一下幾個控制系統各自的特點，根據不同的機組及現場實際情況，為控制系統設計提供一些參考。
2. 火電廠改造機組現狀
由于目前改造機組增加脫硫、脫硝系統的工藝大都趨于簡單化，尤其是200MW及以下機組，主要考慮成本及系統占地面積等因素。目前在改造機組中脫硫系統的技術一般采用簡易濕法脫硫技術、干法和半干法脫硫技術。脫硝技術有采用SCR、SNCR和燃燒調整方式等，其中在改造機組中主要采用降低氮氧化物的生成技術，采用低氮燃燒器及調整二次風等方法降低氮氧化物。從目前國內應用的脫硫及脫硝技術上看，其工藝系統相對比較簡單，控制回路也比較少。根據目前對改造機組的設計情況來看，對控制系統的要求大致分為以下兩種情況。一種情況是將脫硫、脫硝的控制系統并入到電廠相應機組的主控制系統當中，與原主系統實現集中控制。另一種情況是將脫硫、脫硝的控制系統獨立設計，使脫硫、脫硝的操作控制在主系統之外。在系統停運及檢修時，不影響主系統的正常運行。根據以上不同種情況，控制系統可以有不同的設計原則及不同的控制實現方式。第一種情況設計可以選用與主系統一致的DCS系統設備，使之與其實現方便的通訊連接。如考慮價格及其它因素亦可設計采用PLC及FCS總線技術，通過其它通訊方式與主系統實現連接。在該方案設計時必須考慮主系統的兼容性，調研原系統的設計容余及備用空間情況。更重要的是原主系統與新設計系統的通訊協議是否兼容等。第二種情況控制系統的設計比第一種情況要靈活得多，可選的控制系統與原主控制系統沒有聯系，是一個獨立的控制系統。該獨立的控制系統可以根據用戶的要求設計為DCS、PLC、FCS任意一種形式，也可以設計成三個系統技術的綜合控制系統。選型主要根據以下幾種情況而定：該系統的運行方式；控制系統的資金投入；現場與控制室的距離；系統中模擬控制回路的數量；系統中開關量的數量；現場一次儀表智能化的程度等。三個控制系統各具有優缺點，如條件許可也可以設計成綜合的控制系統。它們都在許多電廠中得到了廣泛的應用。
3. PLC控制系統
可編程控制器即簡稱PLC(PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER)，雖然現在仍然稱PLC，但已經與原來的實際意義不相符合，并不是最初簡單的可編程控制器。PLC的最初定義是一種數字控制專用電子計算機，它使用了可編程序存儲器儲存指令，執行諸如邏輯、順序、計時、計數與演算等功能，并通過模擬和數字輸入、輸出等組件，控制各種機械或工作程序。經過30多年的發展，PLC已十分成熟與完善，并開發了模擬量閉環控制功能。長期以來，PLC始終在各行各業自動化控制領域得到廣泛的使用，為各種各樣的自動化設備提供了非常可靠的控制應用。主要原因在于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合當前工業企業對自動化的需要。目前的PLC已經不僅具有早期的邏輯運算功能，而且已經向綜合控制方向發展。新型PLC也在不斷完善PID閉環控制功能，其他各種功能也在不斷得到改進。PLC已被廣泛應用于連續過程的控制領域，而且基于連續過程控制技術的發展趨勢正在進一步得到增長。通訊是PLC廣泛應用的關鍵技術，這種技術在PLC領域已經得到擴展。同系統一樣，對PLC進行分散化處理已經成為可能，更容易進行管理，以便能夠更好地集成在一起。
PLC系統的價格也在逐漸降低。由于PLC系統最小模件單元的價格只在千元左右，甚至更低所以大部分用戶已經不再對已損壞的模件修理而是直接更換新的模件，因為修理這樣的故障模件也許會花費同樣甚至更多的費用。現在一些小型甚至超小型PLC系統已經向工業用戶提供了模擬量I/O、PID控制回路、通訊接口，甚至與企業網絡系統相連接的現場總線。具有14個通道的I/O和4個PID控制回路的PLC系統，其價格也只有千元左右，這種產品非常適合小系統控制應用的需要。一些PLC供應商依托強大的應用市場發展小型PLC產品，甚至大量的工業用戶已經將其看作是低端應用市場上的日用品。
在PLC硬件不斷發展的同時，PLC的編程軟件也在向前發展。因為作為整個系統不但要充分考慮硬件產品的性能，還必須采取相應的措施為工業用戶解決工程師可用的組態軟件工具、故障診斷技術、網絡通訊能力以及除基本自動化硬件以外的附加軟件包的適用性能。目前不但PLC廠家在不斷努力開發適合于PLC系統的編程軟件，其他軟件開發商也在不斷推出與之相配套的組態軟件，而且每種軟件都適合于多種品牌的PLC產品，為用戶編程提供了極大的方便。
PLC的基本特點是構成系統比較靈活。在一些小型的系統中即控制和監視點數較少時，可以采用小型PLC控制系統來實現工藝過程的監視及控制。小型系統采用一臺PC機為主站，多臺同型號PLC為從站，實現系統的監視及控制。現在隨著PLC網絡技術的發展，多臺PLC組成的大型控制系統也不斷被采用，功能已經越來越接近于DCS系統。系統可由多臺PLC組成，通過網絡將多臺PLC相連接，PLC可作為底層數據采集和實現就地控制。比較大的控制系統可以用一臺PLC為主站，多臺同型號PLC為從站，構成PLC網絡，實現比較復雜系統的綜合監視及控制功能。PLC也可以作為DCS的一個子系統存在于DCS系統之中。
4. DCS控制系統
分散控制系統DCS（DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM）含義是控制危險分散集中顯示。分散控制系統DCS是集4C（COMMUNICATION，COMPUTER，CONTROL，CRT）技術于一身的監控技術。他的特點是從上到下的樹狀拓撲大系統，其中通訊是其關鍵技術。DCS由四部份組成：I/O板、控制器、操作站、通訊網絡。I/O板和控制器國際上各DCS廠家的技術水平都相差不遠，如果說有些差別的話是控制器內的算法有多有少，算法的組合有些不一樣，I/O板的差別在于有的有智能，有些沒有，但是控制器讀取所有I/O數據必須在一秒鐘內完成一個循環；操作站差別比較大，主要差別是選用PC機還是選用小型機、采用UNIX還是采用NT操作系統、采用專用的還是通用的監視軟件,操作系統和監視軟件配合比較好時可以減少死機現象；差別最大的是通訊網絡，最差的是輪詢方式，最好的是例外報告方式，其速度要相差很多。控制器I/O部件和生產過程相聯接，操作站和人相聯系，通訊網絡把這兩部分聯成系統。所以操作站是DCS的重要組成部分，工程師站給控制站和操作站組態，歷史站記錄生產過程的歷史數據。
DCS系統的數據主要來自現場的信號和各種變量，在控制站中表現為與工位號對應的相關測量值（PV）、設定值（SV）、操作輸出值（MV）及回路狀態等。這些數據被采集到DCS控制站相應的存儲器里，構成實時數據。其他屬于與工位號有關的組態信息，如量程、工程單位、回路連接信息、順序控制信息等，也在控制站中存儲，但同時必須在操作站或工程師站中存儲，而且有映像關系。中小型DCS控制站，以控制16-32回路為限、分散性較易為人們所接受。目前小型DCS所占有的市場，已逐步與PLC、FCS共享，今后小型DCS可能首先與這2種系統融合，而且“軟DCS”技術將首先在小型DCS中得到發展。控制站是整個DCS的基礎，它的可靠性和安全性最為重要，死機和控制失靈的現象是絕對不允許的，而且冗余、掉電保護、抗干擾、構成防爆系統等方面都應很有效而可靠，才能滿足用戶要求。多年的實踐經驗證明，絕大多數廠家的DCS控制站是能夠勝任用戶要求的。
DCS系統價格相對PLC系統較高，當然應從性能價格比、產品生命周期及用戶根據實際生產裝置的自控要求對DCS進行選型、工程費用、維修費用等方面綜合考慮。更重要的是目前PLC系統、工控機系統（IPC）的價格都是以廉價著稱，所以DCS廠商在這方面面臨的形勢很嚴峻，今后５年雖然DCS可以生存，但應在降低成本、減少維修費用、發展遠程診斷和維護及完善服務體系等方面多下功夫，應對以直銷為主的方式進行修正，即讓更多的同行能參加到DCS應用的行列中來。
DCS的發展初衷主要是解決系統中的控制回路的控制算法。70年代中期，過程工業發展很快，但由于設備大型化、工藝流程連續性要求高、要控制的工藝參數增多，而且條件苛刻，要求顯示操作集中等，使已經普及的電動單元組合儀表不能完全滿足要求，在此情況下，業內廠商經過市場調查，確定開發的DCS產品應以模擬量反饋控制為主，輔以開關量的順序控制和模擬量開關量混合型的批量控制。所以今天DCS的優勢仍然是實現模擬量控制，模擬量控制及其算法是DCS的核心技術。
從目前的DCS來看，一個控制器完成幾十個回路的運算和幾百點的采集、再加適量的邏輯運算，經現場使用，效果是比較好的。這就產生控制器升級的問題了。有時控制器和檢測元件的距離還是比較遠，這就促進現場總線的發展。
5. FCS控制系統
現場總線控制技術（FIELDBUS CONTROL SYSTEM）是最近幾年發展起來的一種新興控制系統。FCS系統的核心是總線協議，即總線標準。一種類型的總線，只要其總線協議一經確定，相關的關鍵技術與有關的設備也就被確定。就其總線協議的基本原理而言，各類總線都是一樣的，都以解決雙向串行數字化通訊傳輸為基本依據。但由于各種原因，各類總線的總線協議存在很大的差異。為了使現場總線滿足可互操作性要求，使其成為真正的開放系統，在IEC國際標準，現場總線通訊協議模型的用戶層中，就明確規定用戶層具有裝置描述功能。數字化通信取代4-20mA模擬信號：傳統技術，現場層設備與控制器之間的連接是一對一（一個I/O點對設備的一個測控點）所謂I/O接線方式，信號傳遞4-20mA（傳送模擬量信息）或24VDC（傳送開關量信息）信號。應用現場總線技術可用一條通信電纜將控制器與現場設備（智能化、帶有通信接口）連接，使用數字化通信完成底層設備通信及控制要求。
現場總線主要技術特點之一是要求現場設備智能化；即應用現場總線技術，要求現場設備（傳感器、驅動器、執行機構等設備）是帶有串行通信接口的智能化（可編程或可參數化）設備。因此，現場總線技術以計算機大規模集成電路的發展為基礎。特點之二是集現場設備的遠程控制、參數化及故障診斷為一體；現場總線采用計算機數字化通信技術連接智能化現場設備，因此，控制器可從現場設備獲取大量豐富信息，可實現設備狀態、故障、參數信息傳送，可完成設備遠程控制、參數化及故障診斷工作。
基于現場總線的自動化監控系統主要優點:（1）基于現場總線的自動化監控系統增強了現場級信息集成能力。現場總線可從現場設備獲取大量豐富信息，能夠更好的滿足工廠自動化及CIMS系統的信息集成要求。現場總線是數字化通信網絡，它不單純取代4-20mA信號，還可實現設備狀態、故障、參數信息傳送。系統除完成遠程控制，還可完成遠程參數化工作。（2）開放式、互操作性、互換性、可集成性。不同廠家產品只要使用同一總線標準，就具有互操作性、互換性，因此設備具有很好的可集成性。系統為開放式，允許其它廠商將自己專長的控制技術，如控制算法、工藝流程、配方等集成到通用系統中去，因此，市場上將有許多面向行業特點的監控系統。（3）系統可靠性高、可維護性好。基于現場總線的自動化監控系統采用總線連接方式替代一對一的I/O連線，對于大規模I/O系統來說，減少了由接線點造成的不可靠因素。同時，系統具有現場級設備的在線故障診斷、報警、記錄功能，可完成現場設備的遠程參數設定、修改等參數化工作，也增強了系統的可維護性。（4）節省成本：對大范圍、大規模I/O的分布式系統來說，省去了大量的電纜、I/O模塊及電纜敷設工程費用，降低了系統及工程成本。
數字智能現場裝置是FCS系統的硬件支撐是基礎，道理很簡單，FCS系統執行的是自動控制裝置與現場裝置之間的雙向數字通信現場總線信號制。如果現場裝置不遵循統一的總線協議，即相關的通訊規約，不具備數字通信功能，那么所謂雙向數字通信只是一句空話，也不能稱之為現場總線控制系統。再一點，現場總線的一大特點就是要增加現場一級控制功能。如果現場裝置不是多功能智能化的產品，那么現場總線控制系統的特點也就不存在了，所謂簡化系統、方便設計、利于維護等優越性也是虛的。對于一個控制系統，無論是采用DCS或PLC還是采用現場總線，系統需要處理的信息量至少是一樣多的。實際上，采用現場總線后，可以從現場得到更多的信息。現場總線系統的信息量沒有減少，甚至增加了，而傳輸信息的線纜卻大大減少了。這就是FCS系統的一大優點。
6. PCBCS控制系統
除上述三大控制系統以外，近來出現一種控制系統稱為PCBCS，在此只簡單介紹一下該系統，不與以上三個系統比較。PCBCS是將經過加固的PC機硬件與控制軟件相結合，實施通常由專用PLC、 DCS執行的控制功能，或者說將PLC的控制功能"封裝在"軟件內，運行在PC的環境中。PCBCS控制系統主要由以下三部分組成：PC機；I/O組件及其連接件；操作系統軟件和應用軟件。PC機將以往PLC、DCS控制系統中的操作站、控制站溶為一體，同時具備實施控制、通信及操作顯示等多項功能。快速發展的計算機技術使PC機可提供一個真正開放的平臺，使系統所有的功能集成于PC這個統一開放的平臺上，以減少安裝空間、節省電纜，將復雜的通信連接簡單化，還可通過國際互聯網Internet或企業內部網Intranet 得到重要的生產信息，實現生產過程優化。由以上三個組成部分就可以看出PCBCS系統的開放性是全面的，因此它現在的和未來的發展速度都將是非常快的，決不會象以往的PLC 、DCS控制系統那樣因封閉性、專一性而造成長期發展滯后，而會隨計算機技術、通信技術、I/O組件制造技術、現場總線技術及軟件技術的發展與時俱進，迅速提升。
7. 系統比較
（1） DCS系統是個大系統，其閉環控制功能強。PLC系統適合中型及小型
系統，其邏輯控制功能強。FCS適合各種控制系統，但必須有數字智能化的現場裝置為前提，才能顯示其智能化的優勢。
（2） DCS系統一次性投資較大，PLC系統投資相對要小。FCS系統要求一次儀表智能化程度高，一次儀表投資要大些。
（3） DCS系統是封閉式系統，各公司產品基本不兼容，事后擴容難度較大。
PLC系統可以通過網絡擴充同型號PLC單元，而且它可以作為DCS、FCS系統的前端處理現場I/O。FCS系統是開放式系統，用戶可以選擇不同廠商、不同品牌的各種設備連入現場總線，達到最佳的系統集成。
（4） DCS、PLC系統的信息全都是二進制或模擬信號形成的，必須有D/A與A/D轉換。FCS系統是全數字化，采用數字信號傳遞，就免去了D/A與A/D變換，高集成化高性能，使精度可以從±0.5%提高到±0.1%。
（5） FCS系統可以將PID閉環控制功能裝入變送器或執行器中，縮短了控制周期，目前可以從DCS的每秒2~5次，提高到FCS的每秒10~20次，從而改善調節性能。
（6） DCS、PLC可以控制和監視工藝全過程，對自身進行診斷、維護和組態。但是，由于其I/O信號采用傳統的模擬量信號，因此，它無法在DCS工程師站上對現場儀表（含變送器、執行器等）進行遠方診斷、維護和組態。FCS采用全數字化技術，數字智能現場裝置發送多變量信息，而不僅僅是單變量信息，并且還具備檢測信息差錯的功能。FCS采用的是雙向數字通信現場總線信號制。因此，它可以對現場裝置（含變送器、執行機構等）進行遠方診斷、維護和組態。FCS的這點優越性是DCS、PLC無法比擬的。
（7） FCS由于信息處理現場化，與DCS、PLC相比可以省去相當數量的隔離器、端子柜、I/O終端、I/O卡件、I/O文件及I/O柜，同時也節省了I/O裝置及裝置室的空間與占地面積。FCS可以減少大量電纜與敷設電纜用的橋架等，同時也節省了設計、安裝和維護費用。但它是以數字智能現場裝置為前提的。
目前的DCS與新型的PLC，由于多年的開發研究，在各自保留自身原有的特點外，又相互補充，形成新的系統，現在的DCS已不是當初的DCS，同樣如此，新型的PLC也不是開發初期的PLC。我們能夠說是DCS取代了PLC或者說是PLC取代了DCS，顯然都是不合適的。目前PLC系統由于網絡技術的發展，也可以組成大型的DCS系統。而DCS為適應市場需要，也在開發小型的DCS系統。FCS是由DCS以及PLC發展而來，它保留了DCS的特點，或者說FCS吸收了DCS多年開發研究以及現場實踐的經驗，當然也包括教訓。隨著FCS技術的發展，FCS在不遠的將來是有可能占據控制系統的主流。
隨著各種技術的不斷發展，幾個系統相互融合組成更先進的控制系統網絡。在DCS中可以利用PLC作為控制的底層，完成基本的控制任務。其實多臺PLC也可以組成控制網絡，從其構成形式及分散危險的方面理解，可以被稱其為DCS控制系統。作為FCS系統也同樣共存與其它系統當中使用，遠距離數據采集和連接智能化就地設備利用FCS系統更會使整個控制系統錦上添花。而PCBCS控制系統也正在悄悄興起，從性能和技術支持來看也具有很強的發展勢頭。
8. 結語
根據控制系統的特點及電廠改造的具體情況，改造機組增加脫硫、脫硝裝置
時，控制系統的設計選型應該考慮如下一些情況。從目前控制系統的實用觀點來看，應該首選PLC控制系統。該系統造價遠比DCS低，并且改造中的脫硫及脫硝系統一般控制點數在500點左右，適合選用PLC系統。另外系統中模擬量控制較少，開關量邏輯控制較多，所以選用PLC為控制系統更能發揮其特長。FCS系統是比較先進的控制系統，隨著一次智能化儀表的發展和普及，FCS將是未來控制系統的主流。由于目前現場條件的限制在改造機組中選用FCS系統還不能發揮其優勢。當然如果現場要求控制系統先進，一次儀表大多采用智能化儀表，選用FCS控制系統是最為理想的。該系統可以通過網絡技術使數據能夠方便地上傳給主系統DCS，實現集中監視。在改造系統中也可以采用DCS系統，其控制系統的穩定可靠是經過長期證明的，主要是價格昂貴，由于DCS很強大的控制功能在改造系統中沒有多少用武之地，造成資源浪費。目前小型DCS系統發展很快，除首選PLC系統外也可以考慮選用小型DCS系統。由于PCBCS系統剛剛起步，其可靠性還要進一步驗證，可能是未來控制系統的發展趨勢。具體的選型設計當中還要根據用戶的實際情況，綜合各種因素選擇針對改造機組及用戶認可的控制系統。
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