1前言
首钢从1986年开始在自备电站大规模应用以N-90为代表的IX万集散型过程控制装置，对机炉生产操作实行全面控制管理，在国产5万kW火电机组的自动控制上取得重要突破，是国内中小机组中全面应用微机控制取得成功的第一家。从第一台机组投产至今，3台机组陆续发电104亿度，不仅早就收回投资，而且创造利润20多亿元，为首钢的改革发展创造了巨大效益。借鉴国内外先进技术，认真总结分析首钢在5万kW火电机组应用微机网络控制装置方面的经验教训，探讨在国产中小机组的控制中如何深人开发利用新一代DCS的高级功能，对于进一步完善改进首钢自备电站的自控系统，获取更大的经济效益，有十分重要的现实意义。
2火电厂热工自动化技术的新发展
近年来，发展高参数、大容量单元机组以加快电力建设速度，降低煤耗是国内外一种趋势。而80年代以来，由于能源供应紧张，使国内许多冶金、轻纺、化工企业包括首钢在内纷纷建立厂内单机容量为5-10万kW的自备电站，成为电力建设的一股新潮流。首钢过去只有几台工业供热锅炉，但在19$6年也建成自己的两台220t锅炉、5万kW机组。而近十几年来，新建机组在20万kW以上的只占35.796, 10万kW以下以及5万kW左右的机组占39.596，使煤耗居高不下。因此，在今后新增机组中，进一步完善自动化控制系统，在旧机组特别是大量中小机组改造中，借鉴国内外经验，因地制宜地增加一些关键性监控项目，以提高其经济性和可靠性是十分必要的。
火电厂是较之其他工业过程更为复杂的控制对象。其特点是连续生产，强调安全经济运行。发电厂机、炉、电三大主机加上无数辅机，运行中相互关联、相互制约，任何一台设备的故瘴或停用都会引起平衡的破坏而导致工况的重新调整。例如，锅炉气包亏水8s就会引起爆炸。火电机组设备的整体性和生产的连续性决定了它的运行监视和操作只能由少数1-- 2人集中负责。但是运行的复杂，系统的庞大又远远超出人们体力、脑力允许范围。因此，一座现代化电厂不得不借助于高度发展的自动化设备来保持运行的安全性和经济性。这就导致了对热工自动化系统的可靠性的严格要求。
DCS(集散控制系统)的出现是工业控制的一个里程碑。自本世纪70年代以来，微电子技术的飞速发展，使过程控制领域发生重大突破。DCS(集散型或分布式控制系统)自20年前在美国Honeywell公司问世以来，其技术发展、应用推广、推陈出新的速度惊人，已走向成熟的第三代产品。DCS分散控制、集中操作管理的高度可靠、高性能，替代传统的控制结构和方法，为实现先进的控制功能和高级的自动化系统提供了可靠的保证。目前，世界已推出上百种型号的DCS。从发达国家的电力工业看，美国、西欧、日本新建的火电厂已全部采用12。而且在老设备的改造中，也大量考虑采用〔〔S。原来生产常规仪表的厂商也转向生产DC`S，常规仪表生产也越来越小。计算机的功能也不再局限于开环监视，而具备了包括各种控制功能在内的可能性。功能范围正在扩大。已逐渐取代常规设备。DCS的功能除DAS(数据采集、处理)，CCS(大型单元机组的协调控制系统)、SCS(顺控系统)和BMS(燃烧器管理系统)以外，有时还把DEH(汽轮机数字电液控制系统)，BPC(汽轮机旁路控制系统)MEH(给水泵汽轮机控制系统)等包括在内组成一体化控制系统。火电机组自动化监控系统的发展已成为机组运行经济性和可靠性的必要条件。目前，国外火电机组除广泛应用〔X_'.S微机集散型控制系统外正在应用人工智能技术大力开发多种专家系统.如运行支援、故障诊断、事故分析处理等。我国火电机组的自动化程度，除近几年引进和国产的30 --- 60万kW机组外。其余都处于相当低的水平。
我国电力系统自70年代后期，在宝钢电厂成套引进的日本3 x35万kW机组上首先使用DCS获得成功.到1993年12月投人运行和新建的大型火电机组已有上百套，都采用DCS集散型控制系统。到1995年初，仅美国Bailey公司就在中国36家电厂设计投运212套N-90和[nfi-9C1系统。其中，除首钢是3台5万kW小型机组，辽宁是两台10万kW机组外，其余全是20万kW以上且大多是30 —60万kW大型机组。这些数字说明，DCS在我国热控中的应用已日益普遍。在过程控制中，为满足生产工艺的需要。火电厂自动化发展趋势是，广泛采用微机处理器为基础的DCS集散控制系统，以功能复杂程度不同组合一定量的微机群去解决各自的控制要求，经通讯网络和其他微机进行信息交换。实现机、电、炉的分散控制。集中监视操作管理。
纵观已投运的DCS，绝大多数都取得了较好的经济效益，为单元机组的安全、经济运行，减少事故，提高设备效率，降低煤耗和厂用电起到促进作用，且显著减轻了运行人员的劳动强度。有的电厂还充分发挥DCS信息采集功能、通信功能和运算功能的强大优势，开发了许多高质量的数学模型和优化控制软件，对系统精度和水平的提高作出了贡献。
3首钢自备电站机炉控制系统现状
3.1主要工艺设备
主要工艺设备:}1)煤粉锅炉3台，燃气锅炉1台(烧高炉煤气)，每台锅炉产汽2.20t/h蒸气压力9. $1MPa,温度24202。附带磨煤制粉系统3套、高压除氧器3台、电动给水泵2台及公用汽水管网;(2)单抽凝汽式双水内冷汽轮发电机组3台，额定功率5万kW,额定转速3OOD转lmin，总装机容量15万kW。每台机组含3台低压加热器、2台高压加热器外围系统包括水处理系统、输煤系统、除尘系统。
3.2机炉控制系统规模及投产时间
机炉控制系统规模及投产时间见表l。
3 .3系统构成及主要特点
按原设计和投产后不久的布局，主厂房内主体工艺设备的控制主要分为两种模式:
第一种模式是以1号、2号、3号炉和1号、2号机为对象的N-90自控系统，代表了电站机炉控制系统的主体、主流和主要水平。整个系统I!O检测控制点3 927点，分三级对热电生产过程进行管理控制:}1)上面一级是以一台小型机和多台终端组成的厂级上位管理机系统，负责对各类生产工艺数据报警、趋势进行记录、分析、处理和报表打印.对全厂生产集中监督管理;(2}中间一级是以主控室6台带有彩色动态流程图显示的人机操作接口单元组成，可以对热电生产的主要过程进行集中实时操作监视和手、自动控制，并设有声光报警和趋势显示打印及紧急启停手段.(3}下面一级是现场过程级，在主厂房内三个过程站里设有15个过程控制单元(PCU}，每个单元内按需要设有儿十个微处理器.直接与现场工艺设备和一次检测、执行部件分别对应连接，按预先组态的控制编程和设定、指令，各自独立完成热电生产过程的调节、控制和数据采集、处理。对于重要的调节回路和工艺参数、逻辑控制，还设有相当一批数量的N-90数字操作站，可甩掉上面两级就地操作控制。对于特别重要的设备，还增设了少量常规电气按钮和仪表，作为紧急事故处理手段。
第二种模式是以3号机、4号炉为对象的DGS或PLC加数采的混合控制系统。如3号机是以较早占领中国市场的 PLC产品MODIGON-984用于低压电气设备(水泵、油泵电机及电动阀等)的控制连锁，而以MIGQN的X32双回路调节器和IAA数采系统组成小型的DGS简易混合系统。4号炉则是MIG}N X32双回路调节器加上OPTQ-22数采组成另一类小型DGS简易混合系统。且3号机、4号炉也都有一台工业微机用做上位管理机。这种模式一方面反映了人们对机炉庞大的N-90系统某些局部问题的担心，另一方面也不乏关部门专业技术人员及领导层对多元化、小型化及经济型控制模式的探索和尝试。
上述两种模式其实没有本质的区别，只是具体控制策略不同。整个电站机炉控制系统的共同特点仍同第一台机组投产后人们所总结的那样: {1)集中遥控操作显示使人们尝试到什么是生产过程的信息化监督和管理;(2)以微处理器网络为基础的Pcu，使对局部独立设备的控制真正分散到每一控制器模块，显著提高了生产的安全可靠性;c})每个控制器模块所存储的大容量的先进功能库以及软硬件组态方式和在线修改PID参数的灵活性。使人们可方便地使用自适应、矩阵控制等高级控制功能，而不用大量进行硬件设备更新即不断提高系统水平成为可能。
3.4系统存在的主要问题
首钢自备电站投产12年为首钢发展作出了巨大贡献，但是人们对现代控制技术与主体工艺设备在可控性和施工质量方面的磨合配套估计不足，也逐渐暴露出一些问题，主要是:(1) N-90控制范围过大、过全、过于集中，大量电器设备甚至液压传动的信号也都进人N-90。有些与主工艺流程无关的局部系统如冲渣、吹灰，很长时间才用一次，也进入N-90。还有些工艺设备可控性差，经常需人工现场干预.如磨煤机系统也全部进人N-90。使N-90集中操作监视、分散控制、分散危险的优点发挥不够，整个系统投资也降不下来。3号机改上PLC指M-984 )和数采.就是对这个问题的反思和探索。}2)过程站选址不理想，1号、3号站均处于煤粉仓下部.房间密封条件差.长期漏粉、漏水。尤其是过程站电缆人口，靠近磨煤机爆发口上方，多次被磨煤机爆燃引燃电缆。2号炉投产时铺设的电缆已烧坏80%以上。现1号、3号站地板下电缆层内已积满煤粉，一旦因爆燃引燃电缆则会酿成重大事故。(3作为事故处理手段和应急措施，机、炉投产后陆续增加了部分电气、仪表盘。包括N-90的OIU,数字站也一起放在汽机间的} . 2m层偏跨和锅炉加药间，环境极差，进出不便，也不安全，且把整个系统搞得支离破碎，不伦不类，易产生新的隐患。N_90的OIU操作接口，经10年长期使用后部件已严重老化，触摸式智能键盘都已严重破损。原制造商早已升级换代不再生产。而且原oIu由于系统环路通讯过于拥挤则经常出现死机现象，影响正常生产监视操作。其上位机v}xl lasso小型机因其内存和速度都不适应现场要求和环境条件，在投产后s}-}年就遭淘汰。(})用于3号机的MIGO:}1的X32和IAA数采系统，故障不断，经8年运行已有50 9}0信号不能输人，也无法购置备件。这种情况随时间推移还会与日俱增。4号炉的X32在承担重要参数的监视及重要回路的调节方面也难如人意，总之，对上述间题的改进和完善已迫在眉睫。
4对系统改进完善的意见
笔者经认真调研，反复思考，在多方听取生产、维护和管理部门人员的各方面意见后，站在设计人员角度，认为从保首钢生产用电的大局出发，从电站的实际效益出发，利用每年一次大修机会，对控制系统进行有计划有步骤的改造、完善，直至最终消除隐患是十分必要的。
总体改造的内容，按照轻重缓急的原则依次是:
(1)分步拆迁1号3号站和机、炉临时值班室内的N-9i1和仪表、电气盘，机炉分开控制，在锅炉$m平台南端汽水分析室改建1号,2号炉控制室，楼上为过程站，楼下($m层)为控制室。在汽机$m平台北端副跨外改建1号、2号机控制室及过程站。
(2)对N-ga消肿减肥，精简控制范围，提高控制质量和可靠性，改变大而全、过分集中的情况:一是对绝大部分水泵、电机、电动阀门交由电气或PLC控制;二是对一些无需自动调节或工艺根本就不具备条件的回路，交由仪表盘上手操器操作;三是工艺设备自成系统的保护设备，不再经过N-90，如汽轮机5台保护柜全部从N-90中摘出，独立工作。
(3)对现有N-9U的OIU操作接口单元和上位系统改造升级有两种做法:一是去掉OIU，上位监视管理采用通用工业微机装载FIX}emacs为上位软件。UIU在投产之初继续与工业微机并存，然后待操作工熟悉后逐步去掉QIU。利用通用微机的丰富工控软件，还可以使人机界面更加友好，实现中文显示操作;二是将PCU的通讯模块和上位系统向I:VF`I-9i?升级。INFI-90与t}_}a在模件级兼容，PCU可利用原有设备，只需更换原有的LIM和BIM为NIS和NPM，将环路接口CIU03更换为ICI，然后去掉QIU，更换为以通用工业微机为载体的~ducoor-NT操作员站。
本方法充分利用N-90旧有设备，只在上位部分更换必要设备及软件就可实现整个系统的升级换代，且可先升级一台QIU，待消化吸收其技术后，再考虑全面的升级。
两种方法都是采用通用工业微机和WindowsNT操作系统及TCPlIP开放型通讯协议，传输速率可高达lOMHz，每秒可传送几万个IIO数据，不会再出现死机，备品备件也不成问题。
(4)3号机的数采和4号炉的调节，因机型与整个系统机型不统一，可考虑以下意见。一是3号机的数采可向:}1-9U靠拢，并可以上述方式向INFI-90升级，也可以向M-9S4靠拢，选用Modi~的984或quantum，上位都可选用通用微机，如用Fixdernacs，还可与3号机原已在用的984通讯。有人建议用Freelance-2000(小型PLC)系统替换X32和IAA数采，如能与M-984通讯，工作稳定，也是可以的，但最好是机型统一并面向将来系统的整齐划一。或是机炉都往N-90靠拢，或是汽轮机都用M-584或quantum，形成机炉控制系统的整体合理构造。二是4号炉的调节回路，如给水三冲量控制，因X32横向通讯的不可靠而受影响，那就只有考虑将其少量必要的调节回路和重要参数进人就近的3号炉N-90中去，由:V-90监视控制。鉴于4号炉刚投产不久，不易做较大变动，而应在1号、2号、3号炉的改造方向确定后，向1号,2号、3号炉靠拢。
(5)操作和维护人员经十几年工作，对'.}1-90软硬件较熟悉，且有较强维修服务能力，而:}1-90又与INFI-90在模件级兼容，鉴于;}1-90设备的老化和破损，通过从上位升级开始，逐步实现向IN-FI-90的局部和全部升级，在目前首钢资金紧张的情况下确是可行的。
5系统改进及实施效果
对首钢自备电站机炉控制系统的改进，关系到首钢热电生产经营的稳定发展。1997年，由电力厂、计控部配合电子公司成功进行了2号炉自控系统改造，又于1998年10月(上接第24页)着手对3号机的M ICON数采系
统进行改造。4号炉的重要调节回路和参数也选择一批必要的点进人3号炉N-90PCU,实现了可靠的自动调节和监控。
控制系统的可靠带来设备生产运行的稳定，产生的效益是十分明显的:由于2号炉改造，是在不动一次表，N-90充分利旧的情况下进行的，整个投资只有300万元，4号炉更是充分利旧.只花十几万元.但取得的效益都是十分惊人的。
据电力厂有关部门介绍，2号炉改造和4号炉的局部调整见效很快。199H年1一9月，2号炉生产蒸气92.5万t，比1997年同期多生产蒸气16 . 952.5万t.多创效益1017万元。4号炉1998年1---9月比1997年同期相比多生产蒸气1.86万t，多创效益111.6万元。同样，锅炉的良好工况也给发电生产带来可观的效益，由于2号炉故障率显著降低，1998年1一9月，电力厂发电7.4146亿度，比1997年同期多发电7 700多万度，多创效益1 540万元。
综上所述，本文认为.总公司在生产经营允许的条件下.应及早平衡安排资金，对电站机炉系统进行全面的改造和完善，以使机炉自动化控制水平提高到一个新的水平.为总公司多发电、多产汽，为全公司发展作出应有的贡献。
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