热工联锁保护系统配置优化方案(五章)

第五章保护用控制设备与测量元件

第一节概述

随着我国电力工业的迅速发展，火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，运行参数越来越高，发电机组的安全可靠性对本机组、对电网乃至对国民经济来说更显得极为重要，热工保护系统的规模也大幅度上升，对热工保护系统的控制方式、运行水平的要求也越来越高，保护控制系统的安全可靠性，对保障机组的安全稳定运行显得十分关键。

热工保护系统肩负着保护主、辅设备，保证机组安全运行和防止事故扩大的重任，它是机组自动化控制的重要组成部分，热工保护是通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视，发生异常情况时，及时发出报警信号，必要时自动启动或切除某些设备或系统，使机组维持原负荷运行或减负荷运行。机组在启停和运行过程中，当发生重大故障而危及机组设备和人身安全的故障时，及时采取相应的措施或加以保护，软化故障，停止机组（或某一部分）运行，避免事故进一步扩大，保证机组的正常启停和安全运行，从而避免发生重大的设备损坏和人员伤亡事故。

为了实现机组热工保护的任务，其核心是热工保护控制设备，以及具有向热工保护控制设备提供信息的热工保护测量元件，合理地选用可靠的热工保护控制设备与测量元件，对提高机组自动控制水平，减轻运行人员的负担，增加机组运行的可靠性具有重大意义。

在我国火力发电厂应用DCS和PLC的初期，人们对采用可编程序软逻辑实现保护功能，在动作速度和可靠性上存在疑虑，因此与机组安全有关的功能（如汽轮机危急跳闸系统ETS，主燃料跳闸MFT、汽机防进水保护、主要辅机的联锁保护等）大多数情况下采用电磁继电器或固态集成电路组成的硬接线逻辑。

由于采用电磁继电器或固态集成电路组成的硬接线逻辑对于较复杂的控制是相当困难和不可能的，并且电磁继电器或固态集成电路本身具有不足之处，影响控制系统的各项性能。上个世纪80年代未国内,火力发电厂DCS应用范围开始扩大到炉膛安全监控系统FSSS和SCS(包括了辅机联锁保护和汽机防进水保护), 于是形成了DCS完成四大功能(DAS、MCS、SCS、FSSS) 的模式.

机组运行的安全可靠，不仅依赖于各设备的安全可靠性能，而且同各类保护控制装置的准确性和可靠性密切相关。电厂早期热工保护装置由继电器组成控制回路，回路硬接线多，加上继电器长期带电工作，继电器触点易老化，导致接触不良，易产生拒动或误动的情况。而且随着运行时间的越来越长，故障点相应增多，维护工作量越来越大，严重影响着机组的安全运行。

另外，保护装置在机组正常运行时是长期不动作的，而一旦出现异常情况却要求必须可靠的立即动作，因此对于热工保护装置应有必要的监视和试验手段，以确保热工保护装置本身动作的正确和可靠。

随着计算机技术和现代控制技术的飞速发展，PLC和DCS在电厂应用经验的积累，以及性能、可靠性的提高，PLC和DCS对机组监控覆盖面日趋完善，其渗透深度也随之增强。近年来，无论是新建的大型机组还是老机组进行热工自动化改造，其所设计的PLC和DCS系统控制功能已不仅仅局限于热机系统的监视、控制及大联锁等，机组热工保护系统的控制也纳入DCS中，甚至像MFT（主燃料跳闸）、ETS（汽轮机危急跳闸系统）可靠性要求很高的专用设备，也有人尝试用DCS(设计专用智能板件)来实现其功能。2000年修订的《火力发电厂设计技术规程》已明确规定"对于300MW及以上机组，当响应速度允许并有成功的应用经验时，也可将汽轮机保护纳入DCS"，但对采用何种类型的控制器并未做出规定。而且目前机组控制室人机界面的设计也已经发生了深刻变化，常规仪表加硬手操的监控模式已基本被取消，取而代之的是大屏幕、CRT操作员站加软手操。因此，机组安全、经济运行对DCS的依赖性也越来越大。

第二节热工保护控制设备

1、可编程控制器（PCL）

1、1 PLC系统概述

可编程控制器(Programmable?Logical?Controller)简称为PLC，是60年代末发明的工业控制器件。国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：一种数字运算操作的电子系统、专为在工业环境下应用而设计。它参用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，时序、计数和算术运算等操作的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。?

PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微机计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，可编程控制器由于抗干扰能力强、可靠性高、编程简单、、控制灵活、操作维护简单和性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。

可编控制器PLC进入国内工业控制领域己近十年了，早期的PLC由于受硬件的构成及软件环境的局限，其应用范围受到二定的限制。近几年来，随着微电子技术及计算机技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业最新进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能上指标上得以大大的丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大的扩展了其应用范围。在特定的范围内，高性能价格比己成为新型PLC的最突出的特点。

PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。

从原理上说，可编程控制器和计算机是一致的，为了和工业控制相适应，PLC采用扫描原理来工作，也就是对整个程序进行一遍又一遍的扫描，直到停机为止。之所以采用这样的工作方式，是因为PLC是由继电器控制发展而来的，而CPU的扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间，只要采用循环扫描的办法就可以解决其中的矛盾。循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。

目前，由于PLC把专用的数据高速公路改成通用的网络，并逐步将PLC之间的通信规约靠拢，使得PLC 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统，这使得PLC 系统具备了DCS的形态，这样，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用。

1、2 PLC主要特点

1、2、1抗干扰能力强，可靠性高

PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。实验表明一般的PLC产品可抗1000V、1μS的窄脉冲干扰，其平均无故障时间（MTBF）一般在40000～50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。

1、2、2 模块化组合灵活

可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合，使系统构成十分灵活。I/O从8～8192点，有不同档次的多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。

1、2、3功能强，范围广

PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能; 基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等; 复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、多处理器和高速数据处理能力。

1、2、4 编程简单易学

PLC编程方法采用面向控制过程容易理解的编程语言，例如梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)，简单直观、易学易记，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。

1、2、5 安装、维修简单

与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。

一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率(RF高频)电磁干扰、防火等。

1、2、6 运行速度快

随着微处理器的不断发展和增强，PLC的运行速度不断提高，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。

1、2、7 性能价格比高

PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC有相当一部分工作可通过编程设备在实验中进行，可以节省了大量的时间、人力和资金，较大缩短设计、编程和投产周期，随着电子技术的不断发展，PLC的功能在不断增强，使总价格不断的进一步降低。

1、3 PLC的构成

虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备(I/O) 、电源模块、底板或机架，和其他可选部件组成。其他的可选部件包括编程器，外存储器，模拟I/O盘，通信接口，扩展接口等。

1、3、1 CPU的构成

CPU是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的存储器中，同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。它用于输入各种指令，完成预定的任务，起到了大脑的作用，自整定、预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用；

CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。

在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。

CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

1、3、2存储器

存储器主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元，存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器，存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM。

PLC常用的存储器类型：1）RAM （Random Assess Memory）这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，由锂电池支持。2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中。

1、3、3 I/O模块

PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，

其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入输出系统（I/O）使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO），脉冲量输入（PI）等模块。

开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：

开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。

模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等，位数和精度可以根据用户要求选择。

除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。

按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。

1、3、4 电源模块

PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220V AC或110V AC），直流电源（常用的为24VAC）。

1、3、5 底板或机架

大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。

1、3、6 PLC系统的其它设备

1）、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。

2）、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。

3）、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

1、3、7 PLC的通信联网

依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。

通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。如西门子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。

在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。

1、4 可编程控制器基本原理

PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。

PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。

1、4、1 扫描技术

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始

步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。扫描周期的长短取决于系统的配置、I/O通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图5-1所示。

图5-1 扫描周期过程

1）输入采样阶段

在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。

2）用户程序执行阶段

在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。

3）输出刷新阶段

当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图5-2所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

输入刷新--运行用户程序--输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新……永不停止地循环反复地进行着。有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。

图5-2所示的过程是简化的过程，实际的 PLC工作过程还要复杂些。除了 I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。

外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.

网络服务是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。

图5-2 PLC工作过程

1、4、2 PLC的I/O响应时间

用PLC设计一个控制系统时，必须知道有了一个输入信号后，PLC经过多长时间才能有一个对应的输出信号，否则，就不能正确和精确地解决系统各部件之间的配合问题。

为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术。

为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。

以上两个主要原因，使得PLC得I/O响应比一般微型计算机构成的工业控制系统满的多，其响应时间至少等于一个扫描周期，一般均大于一个扫描周期甚至更长。

所谓I/O响应时间指从PLC收到的一个输入信号变化开始，到PLC向输出端输出一个控制信号所需的时间。其最小的I/O响应时间如图5-3所示与最大的I/O响应时间如图5-4所示。

图5-3最小I/O响应时间

图5-4最大I/O响应时间

以上是一般的PLC的工作原理，但在现代出现的比较先进的PLC中，输入映像刷新循环、程序执行循环和输出映像刷新循环已经各自独立的工作，提高了PLC的执行效率。在实际的工控应用之中，编程人员应当知道以上的工作原理，才能编写出质量好、效率高的工艺程序。1、5 PLC的应用早期的PLC仅是替代传统的继电器逻辑控制系统，主要用于顺序控制上。所谓顺序控制，就是按照工艺流程的顺序，在控制信号的作用下，使得生产过程的各个执行机构自动地按照顺序动作，PLC 的应用大大促进了流水线技术的发展。?

现在通过的PLC编制程序、执行简单的逻辑控制指令就能实现方便、灵活的控制。，已经开始用于闭环控制，不仅如此，随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。

1、5 PLC的应用

PLC是应用面很广的工业自动化装置，PLC具有以下基本功能:

1、5、1控制功能

1）逻辑控制：PLC具有与、或、非、异或和触发器等逻辑运算功能。

2）定时控制：它为用户提供了若干个电子定时器，用户可自行设定。

3）计数控制：用脉冲控制可以实现加、减计数模式，可以连接码盘进行位置检测。

顺序控制：在前道工序完成之后，就转入下一道工序，使一台PLC可作为多部步进控制器使用。

1、5、2 数据采集、存储与处理功能

1、5、3 数学运算功能：基本算术、扩展算术、比较、数据处理和拟数据处理。

1、5、4输入/输出接口调理功能：具有A/D、D/A转换功能，通过I/O模块完成对模拟量的控制和调节。位数和精度可以根据用户要求选择。

1、5、5通信、联网功能：通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。

1、5、6人机界面功能：提供操作者以监视机器/过程工作必需的信息。允许操作者和PC系统与其应用程序相互作用，以便作决策和调整。

1、5、7编程、调试功能：使用复杂程度不同的手持、便携和桌面式编程器、工作站和操作屏，进行编程、调试、监视、试验和记录，并通过打印机打印出程序文件。

1．6 提高PLC控制系统的可靠性

1、6、1安全隔离

PLC系统所有数字量I/0信号通道与现场之间均采取继电器隔离措施，以排除现场恶劣工况的影响。如果没有采取继电器隔离措施，感应电以及现场高等级电压的误接，可能会干扰正常的信号采集甚至直接烧毁I/0模块。

系统中分布在不同位置的I/0站分别负责不同区域设备的数据采集和控制，个别I/0站或者个别设备的故障不会影响其余站点和设备的正常控制和运行，从而将局部故障造成的不良后果降到最小。

控制系统的电源也采取了隔离措施。控制系统配有一套在线UPS电源，上位机、PLC主机、各I/0站的电源集中由UPS电源供电。当外部供电电源消失时，UPS电源的蓄电池装置能维持30 min的供电，操作员此时可进行应急操作，比如可以将所有设备按照流程顺序切换到跳闸位置。另外，UPS 电源装置还具备滤波整流和稳压功能，可以减少或避免控制系统设备受到外部供电电源质量的影响。控制系统中每套设备的电源供电均通过相应容量的空气开关实现，从而可以减少或避免系统不同设备电源之间的相互影响。

1、6、2 热备冗余

PCL控制系应采用双机双缆热备冗余。下位机PLC主机站内配备双CPU热备冗余系统，2台CPU 中的控制程序在工作中保持同步运行，当一台CPU出现故障时，备用CPU能自动投入，保证整个PLC 程控系统的正常运行，并且可以随意选择一台进行控制操作。

PLC主机与各I/0站的通讯网络采用双通道、双缆热备冗余配置。

PCL控制系统接受外部两路独立的220 V AC电源，当一路电源失去时，另一路电源能通过无扰切换装置瞬间自动投入，不会影响控制系统的运行。即使外部两路电源同时消失，UPS电源的蓄电池装置也能维持30 min供电，起到短时备用的作用。

1、6、3 正确选择接地点

良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。接地的目的通常有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地，一定要避免多点接地。

1、6、4 正确使用和维护

控制系统的安装要按照相关标准进行，不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敖设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，控制电缆要与动力电缆分开敷设等，避免信号线与动力电缆靠近平行敖设，以减少电磁干扰。。

对PLC程序编辑修改并进行上载或下载的操作须由许可的专业人员进行。

1、7 PLC发展趋势

现代PLC的发展有两个主要趋势：其一是向体积更小、速度更快、功能更强和价格更低的微小型方面发展；其二是向大型网络化、高可靠性、好的兼容性和多功能方面发展。

1、7、1 大型网络化主要是朝DCS方向发展，使其具有DCS系统的一些功能。网络化和通信能力强是PLC发展的一个重要方面，向下可将多个PLC、I/O框架相连；向上与工业计算机、以太网、MAP网等相连构成整个工厂的自动化控制系统，随着其扩展能力和通信能力的发展，它也越来越多地应用到了复杂的分布式控制系统中。。

1、7、2 多功能随着自调整、步进电机控制、位置控制、伺服控制等模块的出现，充分应用了模件技术，能够被完全集成到工厂底层现场过程控制设备中去，为现场设备级提供了低价格过程控制应用，使PLC控制领域更加宽广。

如西门子公司早在80年代就研制出了多回路闭环控制模块、步进电机控制模块、仿真模块和通信处理模块等。在S7200、S7300系列具有TD 200和COROS OPS操作模板(OPS)为用户提供了方便人机界面，用户程序三级口令保护，极强的计算性能，完善的指令集，MPI接口和通过工业现场总线PROFIBUS以及以太网联网的网络能力，全面的故障诊断功能；模块式结构可用于各处性能的扩展；快速的指令处理大大缩短了循环周期，并采用了高速计数器，高速中断处理可以分别响应过程事件，大幅度降低了成本。

1、7、3 高可靠性由于控制系统的可靠性日益受到人们的重视，一些公司已将自诊断技术、冗余技术、容错技术广泛应用到现有产品中，推出了高可靠性的冗余系统，并采用热备用或并行工作、多数表决的工作方式。在一个临界事件中，该控制器进入一个用户定义的安全状态为一个有序的停止，同时提供诊断数据。在操作运行过程中模板还可热插拔。

2、分散控制系统（DCS）

2、1 DCS概述

DCS是继1969年PLC问世后，1975年Honewell 公司首先推出的TDC2000 集散控制系统，它是一个具有许多微处理器的分级控制系统，以分散的控制设备来适应分散的过程对象，并将它们通过数据高速公路与基于CRT的操作站相连接，互相协调，实现了控制系统的功能分散，从而危险性也分散。20世纪80年代，望亭电厂选用美国西屋公司WDPF进行DCS(Distributed Control System)的应用试点，实现数据采集（DAS）和模拟量控制（MCS）功能；DCS系统进入大型燃煤电厂，最初只用于DAS(数据采集处理系统)和MCS(模拟量调节系统)，而后逐步用于SCS(顺序控制系统)。经过数年的安装调试，这些电厂的DCS均随机组同时投产，能满足大机组的运行要求，解决了用户所担心的可靠性问题，接着在300MW机组上开始推广应用，但功能还只限于DAS、MCS和SCS（顺序控制系统），同时还保留了较多的模拟仪表和硬手操设备。在二十世纪最后20年里，DCS承包商在承接DCS控制系统的施工及应用调试中，积累了丰富的火电厂运行经验，熟悉了FSSS的任务及功能，

在消化吸收的基础上，成功的将FSSS纳入DCS，由DCS完成锅炉的各项保护，以及燃烧和负荷管理任务，称其为锅炉燃烧管理系统—BMS(BURNER MANAGER SYSYTEM)。火力发电厂DCS应用范围开始扩大到炉膛安全监控系统FSSS和SCS(包括了辅机联锁保护和汽机防进水保护), 于是形成了DCS完成四大功能(DAS, MCS,SCS,FSSS) 的模式。

过去因担心DCS是否可靠问题而采取的保险措施——配备部分常规仪表和硬手操设备，通过实践证明，DCS是可靠的，只要软件设计完善，完全可以保证机组的安全运行，所以近几年设计和投运的机组，除少数紧急停机按钮外，几乎全部取消了硬手操和模拟仪表，使自动化系统大大简化，用CRT操作台，配以大屏幕显示屏代替原来庞大的机组控制盘，因而所占用的空间大大减少，为减少运行人员创造了条件。其功能和应用范围不断深入和扩大，目前已应用到电气的发电机组的发电、配电、供电过程。多数国内DCS成套商也已掌握了过去由专业公司设计供货的炉膛安全保护系统（FSSS）、汽轮机数字电液控制系统（DEH）等技术，使DCS的功能做到能覆盖整个发供电过程的全部，即所谓的一体化。

世界上各知名的DCS生产厂，如FoxBoRo、ABB、Honeywell，为了提高自己的竞争能力，保持在工业控制领域中的份额，通过购买安全产品的专业生产厂家或者同专业生产厂结成联盟，把DCS 同安全型控制器紧密的综合在一起，实现了无缝连接。为过程工业领域中有关安全的控制系统采用独立的安全型控制器，而采用统一的DCS人机接口创造了条件。随着工业控制要求的不断提高和智能化设备的大量使用，DCS系统的应用很好地解决了用户对系统大容量、高可靠、智能化、开放性等方面的要求。2000年修订的《火力发电厂设计技术规程》已明确规定"对于300MW及以上机组，当响应速度允许并有成功的应用经验时，也可将汽轮机保护纳入DCS"，但对采用何种类型的控制器并未做出规定。

2、2 DCS系统的应用

作为十分重要的热工联锁保护系统目前主要存在着两种设计方式：一种是由DCS系统覆盖，热工联锁保护与DCS从硬件到软件均融合成一个整体，实现了控制系统的一体化，另一种则是由主设备厂成套提供，为了使运行人员通过DCS便能够更加全面地掌握全厂信息，从而将热工联锁保护通过串行口与DCS相连。

从炉机电单元集中控制并实现正常运行时只有一人操作的运行水平考虑，DCS覆盖热工联锁保护无疑在简化系统、减少监视操作面和便于管理维护等方面具有明显的优越性。经过多年的工程实践，目前国内工程中大型国产燃煤机组已成功地由DCS厂商实现热工联锁保护的控制，而且贝利公司、西屋公司、ABB公司、西门子公司、日立公司和新华公司等均已具备这一能力和经验，故而可以说，具有条件的项目，由DCS实现热工联锁保护的硬件一体化应是首选方案。

关于ETS纳入DCS问题，已有一些工程成功的将ETS纳入DCS，但必须注意ETS的控制器处理周期不应大于50ms，最好在20-30ms间，应采用独立的冗余控制器，以尽可能提高可靠性。当然，为了充分保证系统的可靠性．在不具备条件的情况下，不应强求DCS覆盖热工联锁保护功能，但是有一点大家应该可以达成共识，即热工联锁保护若不能与DCS实现硬件一体化，也应以DCS 为主体的操作员站，通过网络通信接口实现信息共享和人—机界面共用，在操作运行层面上实现DCS 的一体化，这就需要DCS厂商和热工联锁保护厂商共同来开发合适的通信接口，以实现通过DCS操作员站对热工联锁保护监视的串行通信接口模式。

即可实现功能分散，又可实现物理分散的DCS系统，在目前电厂中的应用却只实施了功能分散而未实施物理分散，究其原因，一方面无外乎是早期DCS系统硬件本身的环境适应能力较弱，另一方面则是出于管理维护的方便，用户更愿意接受DCS控制机柜集中布置的方案。随着DCS系统本身的技术发展和用户运行水平的不断提高，在电厂尚未广泛采用现场总线控制系统(FCS)之前的这段时间里，有效设计和采纳物理分散则是有效发挥DCS潜能的最重要课题。

机组侧的重要工艺系统尽量采用同样的DCS冗余设备，例如DEH、FSSS、循环水、热网、脱硫，只要增加相应的DCS的控制站和上网节点。一些辅助工艺设备，如化水、输煤、除灰，可采用非冗余(冗余)DCS远程站，DCS的程控能力比PLC更优越。

??? 在工程实践中，国产的DCS价格和PLC相当，冗余的DCS反而更可靠，很多中小电厂已经接收全部采用DCS的配置方案。这样规划的网络拓扑，不需要网关设备，实时数据流十分通畅，全厂实时生产数据自然可以在DCS一个数据库中获得，DCS可以作为小型SIS使用。

单元机组DCS按照功能分散和物理分散相结合的原则设计，完成主厂房单元机组生产过程的控制，包括锅炉、汽机、发电机及其辅助系统与设备、发变组及厂用电电源系统、锅炉吹灰和定排系统、FSSS、主厂房空压机房、循环水泵房、汽机控制系统(DEH)、旁路控制系统(BPC)。

汽机紧急跳闸装置(ETS)将采用与DCS相同的软硬件来实现其功能，这样DCS将包括ETS。从DCS设计思路可看出，单元机组大部分控制对象均纳入DCS中进行控制，实现了单元机组控制的一体化。

综上所述，DCS已实现了锅炉岛的一体化(FSSS、吹灰、定排)，电气控制的一体化(ECS)，正在实现与汽机岛的一体化(DEH、ETS、BPC)，DCS的功能覆盖面已由早期的仅包含MCS、DAS、SCS到实现单元机组的全部监控和保护功能(MCS、DAS、FSSS、BPC、ETS、ECS、DEH)，辅助控制系统也由原来独立的单元向整个辅助控制网络系统的DCS一体化过渡。随着技术的进步和观念的更新，DCS 完全可扩展至整个辅助系统，1台机组仅用1套DCS就可实现全部控制功能，DCS将覆盖发电厂各个自动化系统，实现控制功能的一体化。

2、3 DCS主要特点

2、3、１自主性：工作站通过网络接口连接起来，独自完成合理分配的规定任务。各工作站相对独立和自主地完成自己的任务，保证局部故障时不危急整个系统。并且控制功能齐全、算法丰富，连续控制、顺序控制和批量控制集于一体。

2、3、2 协调性：由于采用先进可靠的通讯网络和微处理器技术，可实现系统信息共享，相互进行协调，统一调度。

2、3、3 友好性：软硬件的先进技术使得人机界面友善简捷。利用CRT图形技术及信息输入技术，可以设计出画面清晰、操作简便的人机界面，有利于操作人员对生产过程的全面了解与控制;

2、3、4 开放性：软硬件采用开放式、标准化和模块化设计，具有灵活的配置，可适应不同用户的需要。

2、3、5 在线性：通过人机接口和I/O接口，对过程对象的数据进行实时采集、分析、记录、监视、操作控制，并包括对系统结构、组态回路的在线修改、局部故障的在线维护等。

2、3、6 可靠性：系统结构采用容错设计，在任一单元失效的情况下，仍然保持系统的完整性。所有硬件都采用双重化结构，软件采用程序分段与模块化设计。系统各单元具有自诊断、自检查、故障报警和隔离功能。

2、4、DCS硬件组成

DCS的硬件设备概括起来由：控制站、操作站和通讯网络组成。典型的DCS系统总体结构如图5-5所示。

图5-5 典型DCS总体结构图

2、4、1 DCS控制站

控制站是DCS的核心部件，在实际运行中可以不与操作站及网络相连的情况下，完成过程控制策略，保证生产装置正常运行。从计算机系统结构来说，控制站属于过程控制专用计算机，其特点是第一代采用8位微处理器，第二代采用16位微处理器，第三代采用32位微处理器，这对于中小型DCS 控制器来说比较确切。大型DCS控制站对中央处理器要求较高，必须为专用的处理器，准16位和准32位运算方式；DCS控制站采用多CPU分别用于控制运算、冗余切换、通信等操作。

控制站作为个完整的计算机，它的主要I/O设备为现场的输入、输出处理设备，包括信号变换与信号调理，A/D、D/A转换。目前已大量采用单片嵌入式技术，并采用单片机等完成量程调整、远程I/O数据传输、小型化、减少硬件规格等功能，直到连接智能的现场变送器或接受采用现场总线技术的数字信号。大量采用单片嵌入式技术后，使得：1）DCS的智能模件必须具备自我诊断、数据交换等功能；2）DCS将控制、采集任务下达给远端绝大部分的模件或模块，以让其分散系统任务，模件或模块具备状态或数据采集、或者进行PID控制功能；3）通讯功能的增强了通讯协议的认可、

总线设备地址的辨识、误码的智能判断及相应错误的纠正功能。在信号变换过程中采用隔离技术以防止来自现场的干扰信号，这是至关重要的。

关于DCS控制站的系统软件，原则上也有实时操作系统、编程语言及编译系统、数据库系统、自诊断系统等，只是完善程度不同而己。第一代DCS控制站的功能更近似于多回路调节器，而且每个控制站都可以配置人机界面和备用操作器；第二代DCS控制站的实时操作系统及程序编译系统比较完整，编程语言有面向过程语言和高级语言，控制策略的组态由操作站或工作站在与控制站联机的情况下，完成编译和下装；第三代DCS控制站的系统软件齐全，操作站或工程师站可以完成离线组态及在线修改控制策略。

DCS系统的数据主要来自现场的信号和各种变量，在控制站中表现为与工位号对应的相关测量值（PV）、设定值（SV）、操作输出值（MV）及回路状态等。这些数据被采集到DCS控制站相应的存储器里，构成实时数据。其他属于与工位号有关的组态信息，如量程、工程单位、回路连接信息、顺序控制信息等，也在控制站中存储，但同时必须在操作站或工程师站中存储，而且有映像关系。至于历史数据存储，一般不是在DCS控制站完成。

在完善DDC直接数字控制技术中，对A/D、D/A转换及控制算法，分别引入扫描周期和控制周期概念，在第二代、第三代DCS控制站中，扫描周期可以比缺省值的1s更短，如可以选用0.2~05s，以满足少数快速反应的控制对象的要求。

DCS的一台控制站可以完成上百个回路的控制，其容错技术完善，可靠性、安全性强，只是对控制站的可靠性要求更高了。

控制站是整个DCS的基础，它的可靠性和安全性最为重要，死机和控制失灵的现象是绝对不允许的，而且冗余、掉电保护、抗干扰、构成防爆系统等方面都应很有效而可靠，才能满足用户要求。

控制站的电源分模件电源和I/O电源。模件电源输入AC 220V，输出DC 5V和15V，供给模件或模块上的芯片用; I/O电源输入AC 220V，输出DC 24V或125V，供给现场变送器用。从两处不同地方来的交流电源送到DCS的两台电源上,两台电源同时供电，其中一台发生故障时，完全由另外一台电源供电。

2、4、2 DCS操作站

DCS操作站具有操作员站功能、工程师站功能、通信功能和高级语言功能等，其中工程师站负责系统的管理、控制组态、系统生成与下装功能。

实际的DCS操作站是典型的计算机，它与控制站不同，有着丰富的外围设备和人机界面。70年代中期，CRT显示器技术已成熟，以外部存储器温氏硬盘为特征，第二代DCS操作站还具有如下特点：操作站和工程师站分开，也有公司将操作站的历史数据存储用硬盘和高级语言应用站分别独立挂在通信网络上；操作系统除采用DOS系统以外的产品，采用Unix等操作系统；实时数据库储存性能逐渐完善；在人机界面方面，逐渐过渡为以GUI图形用户界面为平台并采用鼠标、组态时制作流程图和控制回路图等采用菜单、窗口、CAD技术等，使人机界面友好。第三代DCS操作站是在个人计算机（PC）及Windows操作系统普及和通用监控图形软件已商品化的基础上诞生的，面对用户要求的DCS系统应具有开放性、便于系统集成和操作、与Windows一致等。目前大多数DCS操作站已采用高档PC机或工控机，Windows NT(或Windows 2000)操作系统，客户机/服务器（C/S）结构，DDE（动态数据交换）或OPC（用于过程控制对象链接嵌入）接口技术，以太网接口与管理网络相连。其他还有系统配置、操作标记、趋势记录、历史数据管理、总貌画面组态、控制站组态、工艺单元或区域组态等，这些均组织成文件，最终形成数据库，存储在硬盘相应区域，使数据具有独立性和共享性，保证数据的完整性和安全性。

DCS系统组态、操作站组态、控制站组态均有相应软件，为DCS用户的工程设计人员提供人机界面。在工程设计中，逐步向无纸化和PC机上完成工程设计的方式过渡。

操作员的操作主要依靠流程图画面和标准的总貌画面、分组画面等，采用标准键盘、鼠标和操作员专用键盘，用于生产工艺的控制操作、过程状态显示、报警状态显示以及实时数据和历史数据显示打印等。在多屏幕的情况下，操作的最后有效原则、各屏幕画面等同化显示及按工位号调

用或按专用键调出画面的速度或画面定时刷新问题，报警按时序显示记录问题，都陆续得到解决。

2、4、3 通信网络

通信网络部分负责各种功能站之间的数据通信和联络DCS采用过程数据公路的方式进行数据通信，为了提高网络通信的可靠性过程数据公路采用通信的双重化措施。一条网络发生故障，另一条备用网络立即投入运行。另外，网络正在逐步走向开放和通用标准网络，以便于不同厂家的产品相互连接和通信。

在实际应用中，DCS多用在一个生产装置范围内的多机通信系统中，而且控制站和操作站均集中放置在控制室内。电力行业则将控制站分散放在生产线上或分散的域处，与集中放置操作站的控制室总距离一般也多在1km以内。由于计算机网络系统技术的发展，DCS通信功能的发展是与全厂管理网络（以太网）技术相融合，逐渐实现通信网络由多重结构向扁平化过渡，DCS的通信系统特点是具有开放性，DCS对数据通信的基本要求是可靠性和高速率。

2、5 DCS软件组成

DCS软件一般由实时多任务操作系统、工程师站组态软件、操作员站实时监控软件、网络数据库的数据管理软件和过程控制单元的实时控制软件组成。各部份互相配合，彼此协调，共同完成整个系统的各种功能。实时多任务操作系统多采用UNIX或WINDOS NT。

2、5、1 工程师站组态软件

??? 为工程师站提供灵活方便、全面的工程组态软件，用户只要在窗口中通过简单的绘图填表、文本输入等操作即可完成各种组态，并通过通讯网络，将组态生成的文件下装至操作员站和过程控制站。

2、5、2 操作员站实时监控软件

??? 在操作员站实时多任务操作系统上，运行着一套完整的实时监控软件，操作员通过专用键盘和鼠标，可以完成对整个电厂热工自动化的全部监视、控制的功能。

2、5、3 网络及数据管理软件

??? 系统采用双总线结构形成冗余网络，两条总线可以从主从模式工作，或以并行模式工作。当检测某条总线发生通讯故障时，通讯软件将故障的总线切掉，而不对系统工作有丝毫影响。

2、5、4 过程控制站实时控制软件

??? 实时控制软件可提供各种自动调节方式，如单级PID调节、串级PID调节、比值控制和前馈及滞后补偿的PID调节。对于像锅炉这样的死区大、非线性、多变量耦合的复杂对象，实时控制软件还能提供现代的控制方式，如模糊控制、变参量控制、自寻优控制等，从而可使调节过程的动态品质良好，精态的偏差更小。

2、6 提高DCS控制系统的可靠性

目前，我国火力发电厂的自动化水平有了很大的提高，分散控制系统（DCS）已经得到广泛应用，由于DCS一体化可以统一和简化了操作员接口，减少备品备件品种，降低仪表控制的维修费用和总投资，为确保机组电厂安全、经济运行作出了贡献。随着发电设备日趋大型化，在提高电厂经济性的同时，也将对DCS系统的可靠性和安全性提出更高的要求。因此，对DCS控制系统的安全性、可靠性和有效性应采取的以下措施。

2、6、1 对DCS控制系统，要严格按照《火力发电厂设计技术规程》、《二十五项反事故措施》和《火力发电厂安全性评价》的要求排查影响系统安全的各种因素，制定反事故措施，制定事故预防方案，禁止控制系统存在缺陷运行。

2、6、2 DCS系统的供电电源是DCS可靠工作的重要保障，DCS控制系统的电源应符合冗余原则，保证电源供应的绝对可靠。在解决系统供电电源安全可靠的同时，仔细检查计算机控制系统对外供电的可靠性，特别是涉及热工保护回路电源的可靠性。《火力发电厂安全性评价》已经把DCS系统是否拥有双路UPS冗余方式作为考核标准。

2、6、3 DCS控制系统及附属运行设备的运行环境应符合标准要求。重视计算机系统接地，控制系统区域应考虑防止干扰措施，如I／O通道的隔离、良好的电缆屏蔽和电缆走向等。

2、6、4 一次元件及就地设备要定期校验，运行过程中要定期检查，保证设备正常运行。注意解决三冗余测量回路的检查，易堵测量导管的检查，如炉膛压力导管的检查。注意仪表管路的防寒防冻。2、6、5 对保护信号电缆定期进行检查，防止接线端子长时间运行后老化、松动以及电缆接头接触不良。室外接线箱密封要完好。

2、6、6 保护系统的逻辑组态应由专人管理，防止因误操作引起机组停运。组态修改要避免下载时代码传递出现缺陷。保护回路要定期检查，确保保护回路运行正常。同时要确保保护投人率100％，不能因保护动作频繁而随意解除保护。

2、6、7合理优化控制器的资源，无论DCS系统采用的是总线网还是环型网，控制的运算基本在控制器内完成，而且涉及通信接口模件、通信网络接口等。因此，在设计时要合理分配系统，相关子系统应尽量在同一处理机内，尽量减少控制器间的信号通讯，对于重要的保护信号应采用硬接线传递信号。

2、6、8对电子间内的设备要保证其温度和湿度，对布置在现场的控制机柜要特别注意避开高温、强磁、火源、强烈振动和冲击的设备、有害气源、易产生尘埃的区域和其他不利的场所。

2、6、9建立完善的管理制度，对运行设备的检修要严格执行工作票制度，做好隔离和各项安全措施，带电插拔卡件时要有安全防范措施，在确定安全性得到保障后方可进行工作。

2、7 DCS与PLC区别

2、7、1PLC是由摸仿原继电器控制原理发展起来的，70年代的PLC只有开关量逻辑控制。它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令。用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。程序计数器这样的循环操作，这是DCS所没有的。DCS是在运算放大器的基础上得以发展的，把所有的函数、各过程变量之间的关系都作成功能块。系统可以实现任何装置的功能与协调,PLC装置只实现本单元所具备的功能. 80年代以后，PLC除逻辑运算外，也有一些控制回路用的算法，但要完成一些复杂运算还是比较困难，PLC用梯形图编程，模拟量的运算在编程时不太直观，编程比较麻烦。所以，DCS和PLC的主要差别是在开关量的逻辑解算和模拟量的运算上，即使后来两者相互有些渗透，但是还是有区别。2、7、2在网络方面。DCS网络是整个系统的中枢神经，一般DCS系统中的系统网采用的是双冗余的工业以太网，采用的国际标准协议TCP/IP。它是安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好.而PLC因为基本上都为个体工作，其在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。

2、7、3系统性方面。DCS整体考虑方案,操作员站都具备工程师站功能,站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控制, 协调控制;而单用PLC互相连接构成的系统，其站与站（PLC与PLC）之间的联系则是一种松散连接方式，做不出协调控制的功能。DCS强调连续过程控制的精度，可实现PID、前馈、串级、多级、模糊、自适应等复杂控制，一般PLC仅具有PID功能，控制精度不如DCS高。

2、7、4扩展性方面。DCS在整个设计上留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，PLC所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。

2、7、5 DCS安全性方面。为保证DCS控制的设备的安全可靠，DCS采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换维护并需重新编程。

2、7、6系统软件。DCS的控制程序编译以后的代码是采用程序调用运行的，而PLC的程序是采用编译后对语句的代码的顺续扫描实现的。对各种工艺控制方案更新是DCS的一项最基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。系统各种控制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高。而对于PLC构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器（读写器）专门一对一的

将程序传送给这个PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且极其不利于日后的维护。

2、7、7模块方面。DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质判断与标量变换，故障带电插拔，随机更换。而PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。

2、7、8在接地电阻方面，对PLC也许要求不高，但对DCS一定要在几欧姆以下（通常在4欧姆以下）。

但是，随着计算机技术和通讯技术的飞速发展，PLC的功能迅速提高，不断完善对网络技术、分布数据库和运算功能，使高端PLC（如Modicon高端产品）也一应用到机组的模拟量控制系统中，由于PLC把专用的数据高速公路（HIG HWAY）改成通用的网络，并逐步将PLC之间的通信规约靠拢使得PLC 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统，这使得PLC 系统具备了DCS的形态。这样，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用。个别火力发电厂新建工程已开始逐渐应用到整个机组的热工控制系统，如酒泉钢铁公司自备热电厂2×125MW机组，其整个机组协调控制系统CCS及模拟量控制系统MCS均由Modicon高端PLC产品完成，也就是说现在高端的PLC与DCS的功能已经差不多，在某些过程控制领域，特别是批量控制功能要求较强的领域，PLC 得到广泛的应用.但DCS对网络和分布式数据库定时扫描有较强的功能，同时对运算和模拟量的处理量比较拿手, 循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。

2、8 DCS系统的发展

进入21世纪，给予DCS在电厂应用经验的积累和DCS性能和可靠性的提高，人们期望进一步扩大DCS的应用范围，赋予DCS更多的功能，实现所谓的一体化，发电机-主变组和厂用电源系统的控制、汽轮机电液控制系统（DEH和MEH），都将纳入DCS。新世纪火力发电厂自动化的发展将着重于以下几个方面：

2、8、1信息化和集成化

?????? 信息化体现在各DCS系统已经不是一个以控制功能为主的控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。DCS提供了从现场到设备，从设备到车间，从车间到工厂，从工厂到企业集团整个信息通道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。

??? DCS的集成性则体现在两个方面：功能的集成(如上面所述)和产品的集成。DCS实现的过程控制功能之外，更强调系统的集成性和解决方案能力，还集成了PLC(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)，RTU(Remote Terminal Unit，远程终端设备)，FCS(Fieldbus Control System，现场总线)，各种多回路调节器，各种智能采集或控制单元等。此外各DCS厂商不再把开发组态软件或制造各种硬件单元视为核心技术，而是纷纷把DCS的各个组成部分采用第三方集成方式或OEM方式。例如，多数DCS厂商自己不再开发组态软件平台，而转入采用兄弟公司(如Wonderware软件为基础)的通用组态软件平台。此外，许多DCS厂家甚至I／O组件也采用OEM方式作为现场控制站。

2、8、2 ?真正的混合控制系统

???DCS都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现了混合控制。这也是为了适应用户的真正控制需求。实现整个生产过程的优化，提高整个工厂的效率，就必须把整个生产过程纳入统一的分布式集成信息系统。DCS系统几乎全部采用IEC61131-3标准进行组态软件设计。

2、8、3 功能进一步分散化

??? DCS都包含了各种形式的现场总线接口，可以支持多种标准的现场总线仪表、执行机构等。此外，各DCS还改变了原来机柜架式安装I／O模件、相对集中的控制站结构，取而代之的是进一步分散的I／O模块(导轨安装)，或小型化的I／O组件(可以现场安装)或中小型的PLC。分布式控制的一个重要优点是逻辑分割，工程师可以方便地把不同设备的控制功能按设备分配到不同的合适控制单元上，这样，操作工可以根据需要对单个控制单元进行模块化的功能修改，下装和调试。另外的优点是各个控制单元分布安装在被控设备附近，既节省电缆，又可以提高该设备的控制速度。

??? DCS可以适应多种现场安装模式：或用现场总线智能仪表、或采用现场I/O智能模块就地安

装(既节省信号电缆，又不用昂贵的智能仪表)或采用柜式集中安装(特别适合改造现场)。一切由户的现场条件决定，充分体现为用户设想的理念。

2、8、4 成本低，配置灵活

??? DCS的一个显着特征就是各系统纷纷采用现成的软件技术和硬件（I／O处理）技术，采用灵活的规模配置，大大降低系统的成本与价格。可以说现在采用先进的DCS实现工业自动化控制比原来采用常规的仪器仪表进行简单控制，用户投资增加不多，但是实现的功能确大大加强。DCS采用灵活的配置，不仅经济地应用于大中型系统，而且应用于小系统也很合适。

2、8、5 ?平台开放性与应用服务专业化

DCS可以从三个不同层面与第三方产品相互连接：在企业管理层支持各种管理软件平台连接：在工厂车间层支持第三方先进控制产品和处理软件，同时支持多种网络协议(以以太网为主)；在装置控制层可以支持多种DCS单元(系统)、PLC、各种智能控制单元等以及各种标准的现场总线仪表与执行机构。

?????? 随着开放系统和平台技术的发展，产品的选择更加灵活，软件组态功能越来越强大并灵活，但是，每一个特定的应用都需要一个独特的解决方案，所以专业化的应用知识和经验是当今工业自动化厂商或系统集成商成功的关键因素。

3、现场总线控制系统(FCS)?????

现场总线控制系统的出现使监控系统彻底实现物理分散成为可能，它的应用已超出节省电缆及由此带来的好处了。现场总线控制系统离不开现场总线和智能化现场设备，智能化设备的功能全部发挥也离不开通过现场总线构成控制系统，但是，智能化现场设备本身的发展并不仅仅是为了构成现场总线控制系统，它还有许多独立的发展方面，例如，远方维护、调整、管理等功能，甚至这些功能先于控制功能的出现。因而从智能现场设备在火电厂的应用前景这个角度出发，看问题的思路可能会更广阔些。

3．1 现场总线模拟量控制系统。现场总线模拟量控制系统无疑是智能化现场设备的第一个用武之地，它实现了控制系统的彻底物理分散和功能分散。当前在火电厂的一些简单模拟量控制系统中（包括远方控制）中有实用意义和广阔的应用前景，它集数据采集、自治控制以及现场设备维护、调整、管理于一身，还有节省电缆和减少工程量等优点。因此，实际工程中可以积极稳妥地逐步推广应用。但是，对于复杂的控制系统，"彻底分散"由于故障点增多，反而会降低系统的可靠性（即使将来开发出冗余的FF--HI或PROFIBUS--PA过程自动化总线），并使一个控制系统的功能必须以很高的处理周期，频繁在二层通讯网络内交换信息，因此，至少在相当长时期内，技术上是不可行的。对于这部分系统的控制功能反而有适度集中的趋势。

3．2 现场总线开关量控制系统。采用智能化的驱动器、开关柜，通过现场总线接入DCS系统，这是智能化现场设备的又一方面应用，它解决了现场驱动系统的维护、调整和管理等功能，目前，技术上已经成熟，有不少产品可以选择，问题是，经济上是否合理，这是一个需从发展来分析的问题。当前电市场体制改革正加速进行，厂网分开，竞价上网，很快要推开，提高运行安全性、经济性、减人增效，以提高电厂效益直接关系到投资者和职工利益，受到日益关注，采用这种系统不仅可以通过智能化诊断和远方维护提高运行安全性，而且也为现场设备管理电子化、现代化，减少维护调整人员创造了条件，从国外看，这也是一个发展趋势。

3．3现场总线数据采集系统。

采用智能化变送器通过现场总线接入DCS系统，这又是智能化现场设备的另一种应用。它与前面讲到的现场总线开关量控制系统的应用很类似。试设想一下，如果大型火电厂中，广泛应用智能化现场设备通过现场总线接入DCS系统，虽然仅仅是一小部分实现闭环自治控制。这样，热工自动化系统不仅为火电厂自动化作出贡献，而且也为自动化系统本身的运行、维护、调试和管理现代化奠定了基础，因此，比较前瞻一点去看，可以在具体工程中逐步进行适当的探索。

3.4 现场总线控制系统的优势

现场总线被称为21世纪工业过程测控网络标准。它能够提供智能化、简单化、标准化的现场总

线设备接口，将使过程控制用户在低成本、易移植、易扩展这样一种友好的环境中进行系统设计、安装和运行，给自动化领域带来了新的革命，有着广泛的应用领域和市场。

现场总线产品是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络产品，是现场通信网络与控制系统的集成。其关键不单单是一种通信技术，而是用现场总线控制系统（FCS）代替分布式控制系统（DCS）。

自20世纪80年代末以来，有几种现场总线技术已经逐渐发展成熟，并在一些特定的应用领域显示了影响力和优势，它们是可寻址远程变换器数据链路HART(Highway Addressable Remote Transducer)、控制器局部网CAN(Controller Area Network)、局部操作网络LON(Local Operating Network)、过程现场总线PROFIBUS(Process Fieldbus)和基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)，这些现场总线各具特色，对于现场总线技术的发展发挥着重要作用。

第三节保护测量元件

1、压力开关

1.１概述

压力控制开关是现代电厂锅炉实现自动化控制不可缺少的仪表设备，它为控制系统提供开关量信号，也可实现压力高/低限报警，压力开关在它所测的压力达到设定值时，能输出“ＯＮ—ＯＦＦ”信号，而且它具有以下特点：设定点保持设定能有效防止环境振动引起的触点误动作,以及温度变化或其他环境条件影响。

1.2压力开关种类：

1.2.１波纹管式液位开关

1.2.2膜片式液位开关

1.3 604系列压力开关

美国CCS公司生产的压力开关采用了独特的SNAP弹簧膜片:该膜片材质特殊,性能稳定,开关动作果断,无任何中间态,克服了老式压力保护元件如压力继电器,电接点压力计的固有缺点,从而保证了元件的高精度与高可靠性.

该产品主要适用于大型蒸汽锅炉的压力保护.如果过热蒸汽压力保护、汽包压力保护、再热蒸汽压力保护等.其作用是当蒸汽压力升高后达到危险值,压力保护元件(此处为压力开关)动作,通过控制回路驱动安全门动作,排出蒸汽,泄压,达到保护锅炉安全的目的。

1.3.1型号编制说明

量程代号

S单刀双掷（S通常省略）

M双刀双掷

X双切断

E防爆型

Z不锈钢外壳

C不锈钢膜盒

K微型

B黄铜压力接口

U毛细管式

G/P压力/活塞型

D差压

V真空

T温度（探头式）

F流量

系列号

此外，还应注明开关点的大小及其为递增压力↑或递减压力↓。

举例：

型号：606GZEM--7011，表示通用加强型压力开关，接口材料为不锈钢，带防爆功能，DPDT 开关， 隔膜材料为不锈钢。

1.3.2 技术参数见表5-1

接点容量见表5-2： 电气接线图见图5-6:

表5-2

图5-6 1.3.3 参数选择 1) 保护调节范围的选择： 保护调节范围的选择与压力开关的设定值(动作值)有关. 要求的动作值在设定范围内，选择的

原则是应使设定值大于压力开关调节范围上限的30%,并尽量接近调节范围的上限.因为压力开关的动作精度(复现精度)与定值点的高低有关,一般只要超过调节范围上限的30%,其动作精度就可以优于1%,如果低于30%,动作精度将急剧变差.

2) 工作压力的选择：

最大工作压力小于最大允许压力,CCS 压力开关的最大压力都有足够的裕度来满足用户工作压力的要求.有一点应该注意,最大压力(最大工作压力)与最大调节范围应是前者要远远大于后者.

3)死区的选择：

保护的死区就是压力开关的死区,CCS 压力开关的死区范围是不可以人为调整的.因此有必要仔细地选择不同型号的产品,因为型号不同往往死区也不同.在必须严格要求死区可调节的场合,

可应用两只压力开关来满足用户的要求.一般说来,对于"活塞型"的压力开关,死区会随着设定值的高低而对应变化.选择死区过小会造成保护动作的不稳定;死区过大会造成保护动作后无法及时返回.

4）电气触点的容量：

从原文说明书中给出的交流参数可知,压力开关中电气触点容量是很大的. 但是由于技术标准等方面的原因,关于直流参数,美国公司仅给出最大为125VDC的指标,对于其他情况,用户可根据国内普遍的设计原则,按容量判断原则来应用.

1.3.4 工作原理：

一个完全可调整的螺旋弹簧支撑盘式弹簧，附加一个柔软的隔膜去接收和密封系统压力，构成一个开关去操作电器系统，隔膜不是传感元件，它简单地密封介质和传输压力到盘式弹簧，当系统压力达到设定点时，它瞬间做出反应。

1.3.5安装

同一般的压力测量元件一样,压力开关本身不能直接安装于高温管道上,可通过压力导管将压力传至压力开关,但是在压力开关与压力导管之间必须接入有2-3圈的弹簧圈,以保证冷凝后的水进入压力开关.

压力开关可安装于任何位置,只要使用起来方便即可.设计和安装者应避免通过电缆管将水导入压力开关的可能.建议电缆管的敷设坡度应向压力开关本身升高,并在电缆管的最低点设置"Y"型接头,使接头下方空置,以利偶尔进入电缆管中液体的排出.

1.3.6 校验

１) 调校步骤：

a）选标准表：依据被调校开关的耐压值和动作值选取合格的精密压力表。

b）耐压试验：所谓压力开关的耐压值是指此开关所允许的最大工作压力。将标准表和被校开关分别垂直安装于合格的压力校验器的相应位置上，在做好压力校验器的排气以及其它准备工作后，进行加压，将压力升到耐压值，保持５分钟，记下前后读数。计算出耐压变化值，如此值不超差，则证明此开关耐压性良好。

c）校验动作点：如此点高值动作，则将压力由低向高缓慢上升；当开关动作时，记下动作值Ｐ上，然后将压力缓慢下降，并记下开关恢复点值Ｐ下；反之，如此点低值动作，则将压力由高向低缓慢下降，记下动作值Ｐ下，然后将压力上升并记下恢复值Ｐ上，如此反复两次，并据此算出切换差=Ｐ上-Ｐ下

示值重复性=Ｐ上１-Ｐ上２和Ｐ下１-Ｐ下２

以及定值误差。

如上述三值均不超差，则此压力开关不需调整，反之，则需调整。

如开关需进行动作值的整定，则只需用螺丝刀旋转设定值调整轴即可，逆时针变小顺时针增大，然后再重新对动作点进行校验，直至符合要求。

d）绝缘检查：使用５００Ｖ的兆欧表，测量接点与接点电阻≥２０ＭΩ，地与接点间电阻≥２０ＭΩ，同时还要测量出开关动作时接点接触电阻应≤１Ω。

２) 调校指标应在以下范围内：

切换差：测量范围上限×５％

示值重复性：±（测量范围上限×１.５％）/２

定值误差：±（测量范围上限×１.５％）/２

耐压变化值：±（测量范围上限×１.５％）/２

2.差压开关

2.1概述

差压开关是利用空气压差在预定动作点使得电子开关产生动作，差压可能是两个正压之差、两个负压之差、正负压之差，正压与大气压之差或负压与大气压之差。广泛应用于压力容器及过程压力、

差压控制，燃烧炉气体压力及烟道负压控制，炉体排气量及各种过程的泵控制等。本文主要介绍Dwyer 1900系列差压开关。

2.2 工作原理：

被测介质由正压侧和负压侧进入压力测量室，产生的差压由弹性敏感元件（弹簧管或波纹管）转换成位移，这个位移改变微动开关状态，通过外路送出开关量信号，实现所需功能。

图5-7 Dwyer差压开关的剖面图

图5-7中所示的是典型的Dwyer差压开关的剖面图，还有一些是利用其它方法将膜片的运动传送到电子开关键上。当膜片两边的差压发生改变时，定位在膜片上的弹簧将一作用力传送到瞬动开关上，这一开关可以设计成差压上升、或者下降时动作。膜片运动受一校准弹簧限制，这一弹簧确定要使膜片运动并使电子开关动作的差压范围，开关的动点是利用调节弹簧的压缩或拉伸来改变。

2.3死区

当空气压（或差压）发生变化时，就会使膜片移动并使开关动作。在另一动作周期开关复位前部分压力必须卸压，死区是这样一种压力，即达到设定点开关动作以后，开关另一周期复位之前，必须除去的压力。在一种瞬动开关中，死区是固有的。它是由下面两个因素引起的，就是在所选定的设定点处量程弹簧的弹性率和开关杠杆退动的行程（有一段时间），因此每个设定点的死区是不同的。当设定点在压力开关量程最低端时，死区最小，反之当设定点在压力开关量程最高端时死区最大。

例如：某一差压开关设定在89mm 水柱差压，当系统中的差压上升到89mm 水柱进行监控，开关就要在这一设定点上准确动作。而后差压就开始降下来，然而在差压降到61mm 水柱之前，开关保持原来的动作。两者之差28mm水柱就是“死区”。当压力上升使开关动作的设定点和当压力下降而使开关复位的这一点之间是重叠的或压力差。

Dwyer差压开关以其特有的低量程和很低量程（25Pa? 350KPa）而着称。在这一量程内，有很多精密压力开关型号可供选用,设定点从17.5-5000Pa，重复精度在3%以内优良性能。?并具有坚实的外壳。铝制外壳有三部分组成，移去开关盖板，可很方使的找到用于电气连接的SPDT开关.调整开关的设定点时，无需拆开开关的外壳，所有压力、电气连接和设定点调整都在一侧完成。由于灭弧器的限制，在实际压力接近检定点时，其响应时间可达到10--15秒。

2..4 技术指标:

a)适用介质：仅用于空气或相容气体

b)工作温度：0-82.2℃（干空气为-34.4-82.2℃）

c)最大爆破压力：70Kpa

d)额定压力：11.25Kpa

e)压力接口：1/8″NPT(美国标准管螺纹)

f)接点容量：15A，120-480V，60Hz AC；

g)线路连接：3个螺丝端子（公共，常开，常闭）

h)外壳材质：压膜铸铝，外部防腐化学涂层；冲压镀锌钢板

i)膜片材质：膜铸硅橡胶，加铝衬

j)调整簧片：不锈钢

k)安装方式：膜片垂直

2.5压差开关选用

) 量程选择

建议选择的量程有一个设定点（动作点）尽可能靠近总调节范围的中点。

?b) 死区

对于OEM应用，有特种的开关可用，这种开关死区特别宽。Photohelic型是Dwyer开关死区最窄的开关，但可以联锁，以提供可调死区控制。

c) 最大压力额定值

Dwyer 1910系列开关都标称在68.94 KPa(表压)或更大冲击压，这两种有密封膜，其额定压力为

13.78 KPa(表压)，他们不可用于高静压。

d) 温度额定值

Dwyer开关是在21℃温度下进行装配、校准和测试的。建议使用温度在0℃（干空气-35 F）至54℃，若降低电气额定值，上限温度可扩展到82℃。温度比较高的地方，通常加上盘绕铜管或铝管来散热。

e)安装

开关安装必须选择在无油或水喷溅，气温尽可能接近21℃和没有过分振动的地方来安装。一般规则是差压开关膜片必须按垂直设置安装，本质上说是用安装位置中的膜片来调节设定点。

2.6 校验

根据差压开关选择合适及合格的标准表和校验台，校验的过程和压力开关基本相同，在接近设定值时要慢，如动作值不准，则要重新调整差压开关的设定值。

调校指标应在以下范围内：

切换差：测量范围上限×５％

示值重复性：±（测量范围上限×１.５％）/２

定值误差：±（测量范围上限×１.５％）/２

耐压变化值：±（测量范围上限×１.５％）/２

3 液位开关

3.1 概述：

液位开关主要用于各种容器的水位控制能够输出高低水位接点信号，当液位上升至高限时或下降至低限时，控制器开关动作并发出报警信号或控制泵、阀的开闭。例如：高、低压加热器的保护以及除氧器的保护都是由液位开关来实现的，另外凝汽器热井水位保护等。

3.2 液位开关种类：

3.2.１浮球式液位开关

3.2.2音叉式液位开关

3.2.3电容式液位开关

3.2.4电接点式液位开关

目前液位开关的主导产品还是浮球式液位开关，其次是音叉式和电容式液位开关，这个趋势在未来相当长的一段时间不会有很大变化。因此本章只介绍使用较多安装简单，可靠性高，维护量小的浮球式液位开关。

3.３侧装式内浮球式液位开关

3.３.1液位开关组成

侧装式内浮球式液位开关主要由外套筒、平衡浮球、平衡弹簧、浮杆、

磁铁、压力管和开关机构，平衡浮球通过一弹簧被悬挂于一不锈钢丝上，平

衡浮球本身的重量应比所排出之被测量液体的等效体积重，因而钢丝上始终

有一张力。悬挂于空气中时，弹簧被拉伸至一已知的长度处，在采用一机械

止动机构控制，以防止弹簧过拉伸。弹簧的一端固定至浮杆和磁铁，当弹簧

收缩和拉伸时浮杆和磁铁作上、下移动，压力管外侧就是普通的开关机构。

结构如图5-8所示。

3.3 .2 工作原理

侧装式浮球液位计采用连通器的原理，使容器内液体等高引入到液位计

主体内。在主体内的漂浮的浮球组件，根据浮力原理和磁性藕合原理。当被

测液体上升浸没平衡浮球时，在平衡浮球上产生了相当于所排出测量液体重

量的力，液体对平衡浮球所产生的浮力增大，该力由弹簧感受到，从而使弹

簧收缩，同时压力管内的浮杆和磁铁向上运动，运动最终触发开关机构(见图

5-9a)。当被测液体下降时，平衡浮球受到的浮力下降，使弹簧由于重力的作