热工仪表与控制装置基本知识

null热工仪表及控制装置热工仪表及控制装置null我国著名科学家（三钱：钱学森；钱伟长；钱三强）钱伟长曾经讲过：飞机要上天，离开了航空仪表就飞不起来。 同样：火电机组要发电，离开了热控装置就转不起来。nullnullnull试根据汽轮机直接转速调节示意图绘出方框图，并说明调节器、传感器（或测速装置）、执行器、控制对象、被控量、给定值、偏差、操纵变量、内扰和外扰都指的是哪些设备和物理量？ null调节器为杠杆；传感器（或测速装置）为离心调速器；执行器为调节阀；控制对象为汽轮发电机；被控量为汽轮发电机转速；给定值为3000r/min；偏差为汽轮转速与给定转速（3000r/min）之差；操纵变量为经调节阀进入汽轮机的蒸汽量；内扰为进汽压力和温度；外扰为负荷；null锅炉水位浮球调节系统如图所示，试画出系统的方框图，并说明被控量、给定值、偏差、控制对象、内扰、外扰、操纵变量、调节器、执行器和测量装置指的是什么物理量和设备。 null被控量：水位;给定值：水位希望值;偏差：水位希望值与水位之差;控制对象：锅炉;内扰：进水压力变化;外扰：水蒸汽量变化;操纵变量：进水量;调节器：杠杆;执行器：阀门;测量装置：浮球热控专业的工作目标和要求热控专业的工作目标和要求null热控专业的工作目标： “数据准确、策略合理，控制有效”。 热工专业的工作要求： 不能由于热工专业的问引发机组的非停； 不能由于热工专业的问题影响电厂节能减排任务的完成； 不能由于热工专业的问题引发设备损坏事故。 热工监督热工监督null热工技术监督工作面对的是一个系统工作，从客体上涉及到热控测量、信号取样、控制设备与逻辑的可靠性，主体上涉及到热控系统、安装调试、检修运行维护质量和人员的素质。 随着机组的快速扩展，热工监督和计量人员队伍不断扩大，但一直缺少专业的培训。null随着DCS技术的广泛应用， DCS在火电厂的中枢神经的作用越来越明显，热工已从原来的配角成为了主角，热工控制系统的任何环节出现问题，都会引发机组跳闸，甚至损害火力发电主设备，严重的情况下还可能造成人员伤亡。 通过专业的培训，能有效地提高热工人员的技术工作水平和专业管理技能，为热工技术监督和计量监督工作卓有成效地进行打好基础。null 为了加强热工技术监督工作，适应电力工业发展的需要，原电力部、国家电力公司组织有关人员对原《火力发电厂热工仪表及控制装置监督条例》进行了全面修改补充，更名为《火力发电厂热工仪表及控制装置技术监督规定》，现颁布执行。 《火力发电厂热工仪表及控制装置技术监督规定》指出：对发电设备及系统的热工参数进行检测的仪表称为热工仪表；对热力设备及其系统的工艺过程进行调节、控制、保护与联锁的装置称为热工控制装置。本规定对热工仪表及热工控制装置统称为热工仪表及控制装置，简称为热控装置。 null热工监督的任务是： 通过对热工仪表及控制装置进行正确的系统设计、设备选型、安装调试以及周期性的日常检定、校验、维修和技术改进等工作，使之经常处于完好、准确、可靠状态，以满足生产的要求。 null热工监督的范围： 1．热工参数检测、显示、记录系统 2．自动控制系统 3． 保护联锁及工艺信号系统 4 ．顺序控制系统 5 ．计量器具和装置 null热工仪表及控制装置的 1．检测元件（温度、压力、流量、转速、振动、物位、 火焰等物理量及其他的一次传感器） 2．脉冲管路（一次阀门后的管路及阀门等） 3．二次线路（补偿导线、补偿盒、热工仪表及控制装置的电缆、电缆槽架、支架、二次接线盒及端子排等） 4．二次仪表及控制设备（指示、记录、累计仪表、数据采集装置、调节器、操作器、调节执行器、运算单元及辅助单元等） 5． 保护联锁及工艺信号设备（保护或联锁设备、信号灯及音响装置等） 6． 顺序控制装置（顺序装置器、顺序控制用电磁阀、气动装置及开关信号装置等） 7． 过程控制计算机系统 8． 计量标准器具及装置null热工仪表及控制装置“三率”统计： 完好率 合格率 投入率null完好率 nullD2．1．1 一类 D2．1．1．1 仪表测量系统综合误差符合评级原则D1.3规定。（D1．3 仪表测量系统各点校验误差不应大于系统综合误差；主蒸汽温度表、压力常用点的校验误差，应小于系统综合误差的1/2。 ） D1．1．1．2 二次仪表的指示和记录清晰，带信号仪表的信号动作正确、可靠。 D2．1．1．3 仪表及其附属设备安装牢固，绝缘良好，必要时有防震及抗干扰措施。nullD2．1．1．4 管路、阀门不堵不漏，排列整齐，有明显的标志牌。 D2．1．1．5 仪表内外清洁，接线正确、整齐，铭牌齐全。 D2．1．1．6 带切换开关的多点仪表，其开关接触电阻符合制造厂规定，切换灵活，对位指示准确可靠。 D2．1．1．7 仪表技术说明书、原理图、接线图及校验记录齐全，并与实际情况符合。nullD2．1．2 二类 D2．1．2．1 仪表测量系统综合误差有个别点超出评级原则D1.3规定，经调校后能符合规定要求。 D2．1．2．2 二次仪表的指示和记录正确，清晰，若有个别点发生超差，稍加调整即能正确指示、记录。 D2．1．2．3 仪表内个别零部件有一般缺陷，但仪表性能仍能满足正常使用下的要求。 D2．1．2．4 其它均能符合一类设备标准。 null计算机数据采集系统测点合格率=（抽检合格点总数/抽检点总数）×100% 合格率null计算机数据采集系统测点投入率= （实际使用数据采集系统测点数/设计数据采集系统测点数）×100% 投入率点检定修点检定修null设备点检定修 点检定修制作为一种设备预防维修方式，符合现代大工业设备大型化、连续化、复杂化的需要，以这种方式支持设备维修，可以大大减少设备事故故障、降低设备运行成本和提高运转效率。 点检定修制仅仅是一种设备维修管理方式，是企业设备管理的组成部分之一，不应将其理解为企业设备管理的全部。 null设备点检 设备点检是借助人的感官和检测工具按照预先制定的技术标准，定人、定点、定期地对设备进行检查的一种设备管理方法。 设备定修 设备定修是在推行设备点检管理的基础上根据预防检修的原则和设备点检结果确定检修内容、检修周期和工期，并严格按计划实施设备检修的一种检修方式。其目的是合理地延长设备检修周期，缩短检修工期，降低检修成本，提高检修质量，并使日常检修和定期检修负荷达到最均衡状态。发电厂标识系统发电厂标识系统null电厂标识系统(power plant identification system)对电厂系统及设备分类与编码的统称，适用于电厂的规划、设计、建设、运行、维护等全生命周期的信息管理。 美国电力研究院的研究报告指出：“在电力工业中，54%的错误是由于标识不完整或遗失标识所导致的。” KKS编码就是根据任务、类型和位置来标识电厂中的各个装置、装置的各个部分及各个设备。null与我国早期设备编码相比，KKS编码具有如下优点：     (1)KKS编码与计算机数据库联系紧密，更适合于计算机应用处理。     (2)符合国际标准，有足够的容量和细节来标识所有系统、设备和建筑物。     (3)具有良好的相互适应性，便于机械、土建工程、电气工程及控制和仪表（仪控）各专业间以及采用KKS编码的电厂之间的沟通。     (4) KKS编码使得设备台帐管理更加规范便捷。 null可以形象地说，采用了电厂标识系统后，就像给电厂的每个设备颁发了一张“身份证”，每个设备都拥有一个唯一的身份号码，在需要的地方，可以唯一地进行识别。采用电厂标识系统相当于从事电厂各领域的人员都放弃了不同的“方言”，而采用了统一易懂的“普通话”来进行技术交流。 nullnullnullnull第五章SAMA图 第五章SAMA图 null “Scientific Apparatus Makers Association ”翻译为中文是美国科学仪器制造协会，英文缩写为SAMA。 SAMA图是美国科学仪器制造协会颁布的图例，是目前世界上广泛使用的控制工程图例之一。nullSAMA图是包括所有控制仪表的控制系统结构图，SAMA图例易于理解，能清楚地表示系统功能，它反映控制系统的全部控制功能和信号处理功能，也反应设计者的设计思想（控制策略）。 在设计火电厂的热工控制系统时，首先要根据控制过程的要求，按照SAMA图例绘制过程控制系统的SAMA图，然后根据该SAMA图，再进行DCS组态图的设计。nullSAMA图是特别重要的一类工程图。目前虽然有一定的标准图例，但各仪表公司在工程设计中还是有自己的一些特殊图形符号。本章将讨论我国常用的控制系统SAMA图，并介绍二个热工控制系统SAMA图。nullSAMA图例的特点是流程比较清楚，特别是对复杂回路画起来和读起来都较容易。SAMA图的输入输出关系及流程方向与DCS控制组态图比较接近，各控制算法都有比较明确的标志，国际上各大的仪表公司多采用SAMA图（即使用SAMA图例的组态图取代即使用功能模块图例的组态图，如ABB的symphony、艾默生的Ovation和智深 的EDPF）设计控制工程null虽然各公司的SAMA图例有些区别，但SAMA图的许多符号是通用的。常用的SAMA图例有四种，分别表示的含意如下： ⑴○ 表示测量或信号读出功能。一般用来表示从现场传感器或变送器读出信息。 ⑵ □ 表示自动信号处理。一般用来表示控制站（柜）中仪表（或算法模块）的功能。 ⑶◇表示手动信号处理。一般用来表示在操作站（器）的功能。 ⑷ 表示执行机构。一般用来表示安装在现场的电动、气动和液动等执行器。 null用SAMA图例表达控制系统工作原理时，常将一些符号画在一起，表示一个具体的模块（仪表）具有哪些功能，这样在SAMA图又清楚地表达了使用多少功能模块。常见SAMA图例按功能进行分类，如表5-1、5-2、5-3、5-4、5-5、5-6所示。nullnullnullnullnullnullnull抗干扰抗干扰null目前，电磁兼容性已成为工业过程测量和控制仪表的一项重要性能指标。由于测量和控制仪表总是和各类产生电磁干扰的设备工作在一起，因此不可避免地受电磁环境的影响。如何使热工控制仪表在规定的电磁环境中正常工作，这就是仪表的抗干扰问题。 所谓干扰，就是出现在仪表传输线上各种影响仪表正常工作的非信号电量。nullnull试画出差模干扰的等效电路图nullnull试画出共模干扰的等效电路图null电气隔离 在一些场合，需要对AI输入信号进行隔离处理，即切断现场与DCS系统之间的直接的电气连接，其目的是： ①设备电气烧毁时不殃及DCS设备； ②现场设备对DCS系统之间存在高压时不损坏DCS设备； ③限制DCS局部故障或损坏的扩散化； ④切断现场设备接地点对DCS系统接地点间因地电位差形成的地环电流； nullnullnullnullnullnull下面以一个简单的RC电路，介绍滤波原理。单纯用RC电路构成的“L”形无源滤波器如图4-15所示。在仪表输入端装滤波器，主要考虑对常见的50Hz工频干扰的抑制。根据电路的分压公式null当ω/ω0=10，输出为输入的1／10。为了提高滤波效果，不外乎增大RC的乘积，但C增大，会使电容器的体积增大，如果增大R值，对有效信号的衰减也增大了，降低了仪表的灵敏度。为了使仪表的灵敏度不致因采用RC滤波器而下降太多，就要求放大器具有较高的输入阻抗和放大倍数。同时，随着时间常数RC的增加，对仪表的快速性带来了不利影响，但对增加仪表的稳定性却有一些好处。 null21世纪火电厂热工自动化展望中国电力网 2008年8月19日17:21 来源：www.chinapower.com.cn  点击直达中国电力社区      21世纪火电厂热工自动化展望 Prospect of Thermal Process Automation of Fossil Power Plantfor 21st Century 杨 庆 柏 【摘要】　在研究国内外自动化技术发展及其在火电厂工程中应用经验的基础上，从工程的观点出发，结合国内外实际应用业绩，论述了21世纪火电厂热工自动化的发展动向，以期快速提高我国火电厂热工自动化水平。 　　火力发电机组的热工自动化是保障设备安全、提高机组经济性、减轻劳动强度及改善劳动条件的重要技术措施。展望21世纪，火电厂热工自动化预计将会朝着下面几个方向发展。null1　电气控制将纳入DCS［1］ 　　自从火电厂采用分散控制系统DCS(Distributed Control System)后，汽轮机和锅炉的控制水平有明显的提高。但作为单元机组中的重要一个环节，即发电机变压器组和厂用电系统的控制，大多数仍保留了传统的控制方式，控制盘台上装设很多模拟仪表光字牌和开关按钮，在一个控制室内与汽轮机和锅炉的DCS控制很不协调，严重影响了火电厂自动化水平。 　　电气控制纳入DCS的范围主要为发电机系统和主厂房内的厂用电系统，主要包括发电机变压器线路组、高压起动/备用变压器、高压厂用工作变压器、低压厂用工作变压器、低压厂用备用变压器及低压厂用公用变压器等的控制和信号测量。保安电源系统、直流系统和不停电电源系统也要纳入DCS进行监视。另外，发电机励磁系统、自动准同期和厂用电快速切换更要优先考虑纳入DCS。 null电气控制纳入DCS，国际上已开始广泛采用，许多大的DCS公司都有这方面的应用业绩。大港电厂引进的2×320 MW机组上的电气控制就纳入了DCS，现在已成功运行达8 a。 目前，国内大型火电厂主厂房内的电气开关也已基本实现了无油化，如中压开关采用真空开关与真空接触器，低压开关采用智能型空气开关等。电气设备的可控性及同计算机接口能力的提高，为电气控制纳入DCS打下了坚实基础。将部分电气控制纳入DCS，国内已有成功的经验，如东北电力集团公司直属的通辽发电厂在200 MW机组的热工自动化改造中，率先将部分电气控制纳入DCS，迈出了炉、机、电一体化的第一步。今后，一台单元机组仅设1位主值班员，因此电气控制必须与汽轮机、锅炉控制形成一个整体，只有做到这一点，才能使我国火电厂自动化水平跻身于国际先进水平行列。null2　FCS将取代DCS［3］ 2.1　FCS的产生 　　FCS是现场总线控制系统(Fieldbus Control System)的简称。目前的DCS也称为传统的DCS，因DCS的检测、变送和执行等现场仪表仍采用模拟信号(4～20 mA DC)连接，无法满足上位机系统对现场仪表的信息要求，限制了控制过程视野，阻碍了上位机系统功能的发挥，因而产生了上位机与现场仪表进行数字通信的要求。从80年代起，出现了智能化的现场仪表，如智能变送器等。这些智能化的现场仪表的功能远远超过模拟现场仪表，如可对量程和零点进行远方设定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量和对环境影响的自动补偿等，深受用户欢迎。智能化现场仪表的出现，也要求与上位机系统实现数字通信。正是在上述2方面因素的驱动下，要求建立一个标准的现场仪表与上位机系统的数字通信链路，这条通信链路就是现场总线，FCS也就应运而生了。 null2.2　FCS的效益 　　采用FCS取代DCS比采用DCS取代模拟仪表具有更大的经济效益。如“变千百根电缆为一根”，可节约大量电缆；控制功能下放到现场，使控制信号传输的准确性、实时性、快速性和可靠性大为提高；现场总线通信协议国际标准化后，可使不同厂家的产品互相连接和操作，消除了目前自动化的孤岛现象；省去I/O端子柜和控制柜后，使控制室占地面积大大减少并使系统简化，带来了系统设计、安装、调试和维护费用的降低及工作量的大大减少；由于机组控制室(指2台机组共用1个控制室)只有2根同轴电缆或光缆和几根紧急停机开关的电缆进入，大大有利于控制室的防火和火电厂的安全运行。 null2.3　FF及其产品 　　目前，尽管存在着多种现场总线模式，但最开放、功能最完备和最有应用前景的现场总线当属基金会现场总线FF(Foundation Fieldbus)。它除了具备一般总线的特点外，在客户服务、功能模块调用、设备描述、诊断和保护、通信方式、数据精确传递、本安供电、设备的即插即用等方面，最能体现国际先进水平，是受到国际大多数地区和国家赞赏的总线标准。FF的低速总线H1协议已于1996年发表；FF的物理层协议已被国际电工委员会IEC批准为国际标准(IEC1158-2)；FF的链路层协议于1998年3月在IEC TC/65工作组中表决通过，如果经IEC大会表决通过后也将成为国际标准。国外许多大公司都在按照FF已出台的标准开发各自的产品，如美国Smar公司的302系列现场总线控制系统就是其中之一。各大公司的FF产品已分别在美国的Monsanto化工厂和日本的Chubu电厂完成了试运行，收到了较好效果。从1996年开始，FF产品进入我国后，已在8家工厂投入运行，如用于滨洲化工厂自备电厂的锅炉控制null2.4　FCS前景 　　最近国家有关部委召开了关于现场总线技术会议，成立了现场总线专业委员会，制定了现场总线技术发展的前景目标，并由国家拨出专款用于现场总线技术的科技攻关。华北电力大学现场总线实验室的筹建申请已被国家电力公司批准，FCS的应用研究即将展开。前景目标是：从现在起到2005年，在技术上要基本完成从目前模拟现场仪表系统到基于现场总线的全数字开放的自动化系统的转化，使我国工业自动化仪表的技术水平赶上世界技术发展潮流。 　　在现场总线技术的推进时间上，现在是用DCS取代模拟仪表时期，也是HART仪表的上升时期，本世纪末到2005年将是HART仪表与FF仪表的交替时期，自动控制系统将由以DCS为主的控制模式转换成以FCS为主的控制模式上。就工业生产过程来说，一切努力都放在提高质量、产量和可靠性上，FCS是一个对工业生产过程有巨大效益的新型自动控制装置，一旦现场总线国际标准出台，它立刻就会广泛地应用到电力等工业生产过程中。 null3　驾驶仓式控制室将出现 驾驶仓式控制室包含2层涵义：一是物理上的，即控制室紧凑小型化；二是功能上的，即控制中心进一步智能化、自动化。值班人员控制机组运行，如使用“傻瓜机”照像，这是驾驶仓式控制室最本质的特征，主要表现在以下几方面： (1)机组成千上成个信息应尽可能经智能化浓缩后再提供给运行操作人员。 (2)机组主要模拟参数完全由自动控制装置(DCS或FCS)在全负荷(或全程)范围自动维持在最佳区域内。 (3)炉、机、电实现全CRT监控，完全取消常规后备监控设备(包括传统控制盘)。网络控制室计算机化后，将其纳入单元控制室，网络控制室随即取消。null(4)生产过程按功能区或功能组划分，操作人员只需干预每个功能组，基本不用再直接向单个驱动对象(风机、水泵及阀门等)发出起、停(或开、关)命令。如汽轮机自起停功能组，只需操作人员按一下起动或停止按钮，汽轮机就会自动进行暖管、升压、冲转、升速、暖机、定速、并网和接带负荷，完全不用人来干预。燃烧器顺序控制功能组也是如此，功能组根据机组负荷自动起停燃烧器(磨煤机)。 (5)机组紧急事故处理也完全依靠完善的保护系统自动完成，不但防止了人为误操作，而且还能快速、正确地处理事故，保护了人身和设备安全，大大提高了机组运行的安全性和经济性，也使操作人员能更快、更好地胜任大机组参数多、变化快和控制复杂的运行要求。 (6)控制室面积大幅度减小，使控制室布置更加灵活，土建、照明及空调等费用都可大幅度降低。 null4　智能控制应用增多 4.1　智能控制历程 　　从经典控制理论、现代控制理论发展到今天的智能控制理论，经历了约50 a时间。从40年代至50年代，形成了经典控制理论，该理论基于传递函数建立起来的频率特性、根轨迹等图解解析设计方法，对于单输入单输出系统极为有效，至今仍在生产过程中得到广泛应用。但传递函数对于系统内部的变量还不能描述，且忽略了初始条件影响，故传递函数描述不能包含系统所有信息。null现代控制理论于60年代形成，它主要研究具有高性能、高精度的多输入、多输出(多变量)、变参数系统的最优控制问题。它对多变量有很强的描述和综合能力，其局限在于必须预先知道被控对象或过程的数学模型。 现代控制理论是在经典和现代控制理论基础上于90年代基本形成的。智能控制的提出，一方面是实现大规模复杂系统控制的需要；另一方面也是现代计算机技术高度发展的结果。计算机使控制技术的工具发生了革命性变化，给智能控制的实现提供了有力的保证。智能控制是一种新的控制方法，它基本解决了非线性、大时滞、变结构和无精确数学模型对象的控制问题。null4.2　智能控制方法 　　智能控制就是利用有关方法或知识来控制对象，按一定要求达到预定目的。常见的智能控制方法大致有以下几种： (1)模糊控制，从行为上模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用控制方法； (2)分级递阶智能控制，模拟人脑的分层结构，由执行级、协调级和组织级构成； (3)专家控制，将人的感性经验(浅层知识)和定理算法(深层知识)相结合的一种传统智能控制方法； null(4)神经网络控制，从机理上对人脑生理系统进行简单结构模拟的一种新兴控制和辨识方法； (5)拟人智能控制，模拟、延伸和扩展人的多层次智能即人控制器的控制方法； (6)预测控制，利用模型预测被控过程未来的输出及其与给定值之差，并据此以某种优化指标计算当前应施加于过程的控制作用。null 鉴于目前DCS和PLC是过程控制的常用产品，引进智能控制可增加功能，提高产品的竞争能力，因此不少仪表制造商看好这一巨大的市场潜力，争先恐后地研制带有智能控制的DCS。德国西门子公司为其DCS的现场控制器开发了模糊控制的软件模块；日本横河公司在Centrum-μXL中也实现了模糊控制功能。null 　　作为过程自动化的一个重要方面，生产过程的故障诊断和修复也用到智能控制技术。如美国Combustion Engineering Simcon公司的IPOM故障诊断系统，它由3部分组成：模式识别、智能显示、专家系统与DCS数据高速公路的接口。智能故障诊断系统可根据过程专家和机器专家的经验，把设备和过程各部分按故障的易发程度和故障表现特征建库，通过检测或识别，及时察觉故障发生，用搜寻和匹配的方法，确定故障发生的地点、严重程度，给出故障报告(声、光及其它信号)，进行故障处理。 　　null5　管控一体化将实现 DCS或FCS将与MIS(管理信息系统)互相渗透，彼此结合，形成一个多层次、网络化的，融控制、管理、调度和决策一体化的综合自动化系统，即管控一体化。在未来工程建设阶段全面配置厂级管理信息系统，该网络的基础就是单元机组DCS或FCS。厂级管理信息系统从单元机组级监控网络提取必要的信息，加工成厂级监控和管理信息，向上通过远动计算机系统向电网调度系统发送它所需要的信息，并接受调度命令。这样，一个庞大的计算机网络系统就被建成，实现了整个电网管控一体化。null6　采用大屏幕显示器 DCS或FCS的人机接口界面是CRT，若值班员长期监视CRT，易造成视觉疲劳，导致监视注意力下降。目前，日立、ABB和西门子等公司都在开始生产火电厂用的大屏幕显示器，并在电厂中应用。如深圳西部电厂采用3块ABB公司的1 358 m×1 021 m大屏幕。采用大屏幕显示器构成的监控系统要求系统的智能化程度更高，联锁保护的设计更完善，对运行值班员操作水平的要求也更加严格。大屏幕显示器为实现1人监盘提供了新的技术措施，充分显示了跨世纪的大型现代化火电厂控制室的监控水平。 null7　结束语 自动化技术是当今世界上发展最快、生命力最旺盛的技术和最活跃的生产力之一，世界上许多先进国家均投入大量资金，以求在激烈的竞争中占有一席之地。每位从事火电厂热工自动化的技术人员都应密切关注国内外自动化的最新进展，为努力提高我国火电厂热工自动化水平贡献力量。