CN203965886U - 发电厂电气热工一体化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种电厂电气热工一体化控制系统，该控制系统包括管理层、高级控制及人机操作层、网络层和基本控制层。该管理层与该高级控制及人机操作层通信，该高级控制及人机操作层与该网络层通信，该网络层与该基本控制层通信；其特征在于，所述基本控制层包括至少一个控制器以及多个通信控制器；所述至少一个控制器与所述网络层通信，该多个通信控制器中的一个或多个通信控制器与所述至少一个控制器中的一个或多个控制器通信，所述多个通信控制器还直接与网络层通信，所述多个通信控制器与现场设备通信。通过上述技术方案，可实现发电厂的电气与热工一体化控制。
Description
技术领域
本实用新型涉及用于发电厂的自动控制系统，尤其涉及发电厂电气和热工一体化控制的控制系统。
背景技术
大型发电厂的自动化系统，是发电厂的神经系统，是发电厂安全和经济运行的保证。发电厂自动化有电气和热工两个领域，由于技术、分工和其他人为的原因在火力发电厂将其割裂。发电厂电气域主要控制有：变电站网络控制系统（NCS）、发电厂电气监控管理系统（ECMS）、保护装置、自动装置、录波装置等；发电厂热工域控制有：分散控制系统（DCS）、数字式电液控制系统（DEH）、汽轮机紧急跳闸系统（ETS）、汽轮机监视系统（TSI）和辅控网等；两个领域的自动化系统相对独立，之间只采用控制电缆进行简单的连接（硬接线），难以满足不断发展的设备控制和管理需要，也为火力发电厂信息化的实现带来诸多不便。
实用新型内容
为了解决发电厂现在电气和热工自动化相对独立的现状，提高发电厂自动化水平，为数字化电厂的建设奠定基础，本实用新型提供一种用于发电厂电气－热工一体化的控制系统，该控制系统包括管理层、高级控制及人机操作层、网络层和基本控制层。该管理层与该高级控制及人机操作层通信，该高级控制及人机操作层与该网络层通信，该网络层与该基本控制层通信；所述基本控制层包括至少一个控制器以及多个通信控制器；所述至少一个控制器与所述网络层通信，该多个通信控制器中的一个或多个通信控制器与所述至少一个控制器中的一个或多个控制器通信，所述多个通信控制器还直接与网络层通信，所述多个通信控制器与现场设备通信。
本实用新型的控制系统有管理全局数据的数据库系统，涉及的数据主要有：实时数据、设备诊断数据、波形数据、图像数据、设备组态数据、报表数据等。
本实用新型的控制系统有电气和热工统一的逻辑组态软件，逻辑组态软件可以完成控制逻辑的组态、现场设备的组态、通讯功能的组态等。
本实用新型的控制系统有用于人机操作的画面组态软件，主要有：过程系统画面组态、逻辑画面组态、波形画面组态、报表画面组态、现场设备功能组态、通讯功能组态、动态视频画面组态等。
本实用新型的控制系统兼容现有的以硬接线方式接入控制装置的I/O模件的设备。
本实用新型的控制系统网络层有与现场工业电视的接口，实现控制系统对工业电视监视系统的控制，在控制系统启动辅机设备时能够提前发出语音告警和图像自动跟踪。
本实用新型的控制系统的高级控制及人机操作层有与全时激励仿真系统的接口，为仿真系统提供全部控制系统的数据，在仿真机对全部控制系统进行监视和事故分析，主要实现事故回放、设备状态诊断、设备寿命统计和分析、建立实时控制模型等，并为运行和检修人员提供培训。
通过上述技术方案，可实现发电厂的电气与热工一体化控制。
本实用新型的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本实用新型，但并不构成对本实用新型的限制。在附图中：
图1是根据本实用新型的实施方式提供的用于火力发电厂电气与热工一体化控制系统拓扑。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。
如图1所示，根据本实用新型的一个实施方式，提供了一种用于发电厂的控制系统，该控制系统包括管理层100、高级控制及人机操作层200、网络层300和基本控制层。该管理层100与该高级控制及人机操作层200通信，该高级控制及人机操作层200与该网络层300通信，该网络层300与该基本控制层通信；
其中，所述基本控制层包括至少一个控制器410以及一个或多个通信控制器420；所述至少一个控制器410与所述网络层300通信，该多个通信控制器420中的一个或多个通信控制器420与所述至少一个控制器410中的一个或多个控制器410通信，所述多个通信控制器420还直接与网络层300通信，所述多个通信控制器420与现场设备通信。
管理层100成为最上层，可以包括各种设备，例如，面向全厂的各种高级运算服务器、用于全厂的各种高级应用的工作站、用于全厂控制的工作站、用于与电厂信息系统联系的接口工作站等等。在此层面上的应用软件将这两大类数据进行集成管理，很方便地应用于故障分析、性能分析、统计分析、全厂优化控制等，极大的提高了电厂生产管理水平。
高级控制及人机操作层200，可以包括各种设备，例如，面向机组级的各高级运算服务器、用于各种高级应用的工作站、用于工程组态的工程师工作站、用于监控显示的操作员站、一体化数据库服务器、用于与电网联系的工作站等等。高级控制及人机操作层200还可以包括实时数据库和波形数据库和相应的数据库管理软件。通过对不同类型数据的分别处理，并在此层面上的应用软件将这两大类数据进行集成管理，很方便地应用于机组控制、故障分析、性能分析、统计分析、优化控制等，实现了不同类数据的分别处理、关联分析（同时对过程数据和波形数据分析），极大的提高了机组的控制水平和故障分析能力。高级控制及人机操作层200还包括控制系统的逻辑组态软件和画面组态软件，以上两个组态软件和数据库共同实现了控制系统的组态。高级控制及人机操作层200提供全时激励仿真机的接口，为电厂仿真机提供全部控制系统数据。
网络层300可以包括多个网络设备，主要承担基本控制层的控制器410（或控制柜）、通信控制器420与高级控制及人机操作层200设备的连接，并提供整个控制网络的信息安全控制。网络层300负责与现场工业电视监视系统接口，完成对现场设备启动的警示和视频监视。
网络层300与基本控制层和高级控制及人机操作层200之间的通信可以采用高速以太网的方式，当然也可以采用其他新的方式。
网络层300还可以包括至少一个网段隔离器500，用于将控制器410和通信控制器420划分成多个工作组。这里所述的网段隔离器500的作用是实现不同工作组的信息在事先设定的规则下传输，违背规则的信息被阻断，从而保证各工作组在发生异常情况（例如网络风暴、非授权设备等）下不相互影响。主要功能如下：
（1）实现不同机组之间网络完全隔离，网段隔离器的各网卡之间无任何路由设置；
（2）面向应用数据包进行隔离，更安全可靠；
（3）实现单元机组与公用系统控制器间的过程控制数据转发，转发延时小于10ms；
（4）网段隔离器实现双网隔离，完全冗余，双主独立运行。
网段隔离器500可以从一个工作组接收数据，判断该数据中信息点名是否与预先设定的一致。如果一致，则可以将数据发送给另一个工作组，如果不一致，则作为无效数据而去除。
基本控制层的控制器410（或控制柜），主要完成现场控制信号的采集、按照既定的控制策略运算和控制输出，对采用现场总线设备实现网络连接，提高采集数据的范围和精度，由于与现场控制设备采用通信连接，降低了大量控制电缆的使用和费用。
所述现场设备可以包括电气域现场设备和热工域现场设备，所述电气域现场设备通过所述多个通信控制器420中的一个或多个通信控制器420与所述控制器410中的至少一个控制器410通信；所述热工域现场设备通过所述多个通信控制器420中的其他一个或多个通信控制器420与所述控制器410中的至少一个控制器410通信。
通信控制器420可以为多个，其中一个或多个通信控制器420可以与电气域的现场设备通信，通信方式采用串行通讯例如有PROBUS或者IEC61850，或这两者，也可以采用其他的通信方式。电气域的现场设备例如有各种断路器的综合保护、厂用电切换装置、380V低压组合电器等。另外，多个通信控制器420中的一个或多个通信控制器420可以与热工域的现场设备通信，通信方式可以现场总线通讯例如PROBUS或者FF，或这两者，也可以采用其他的通信方式。热工域的现场设备例如有各种变送器、各种分析仪表、各种电动执行机构、各种汽动执行机构、TSI和锅炉火焰检测装置等。
与电气域现场设备通信的一个或多个通信控制器420可以与第一个控制器410或多个通信（例如通过总线）。多个通信控制器420也可以通过交换机与各控制器410通信。
与热工域现场设备通信的一个或多个通信控制器420可以与第一个控制器410或多个控制器410通信（例如通过总线）。多个通信控制器420也可以通过交换机与各控制器410通信。
另外，由于现场设备通信信号可以包含控制信息、过程监测信息、设备状态信息（如对现场设备的组态、装置的定值等）和波形信息或这些信息的子集。现有技术中的DCS系统是将通信信号通过同一条通信线（例如总线）传输给控制器410，而控制器410实际上需要处理的可能只是控制信息和/或过程监测信息。将这些信息都发送给控制器410会造成控制器410的处理负担，也影响控制的安全和质量。鉴于此，本实用新型的实施方式提供的通信控制器420可以先从现场设备通信信号中分离出控制信息、过程监测信息、波形信息和设备状态信息（如果有的话），然后将控制信息和/或过程监测信息传送给与之通信的控制器410。而将波形信息和/或设备管理信息通过网络层300传送给高级控制及人机操作层200，具体来说，传送给高级控制及人机操作层200的专用工作站进行处理。
本领域技术人员可以理解的是，通信控制器420的上述功能可以通过专用的硬件和相应软件程序来执行。
通信控制器420是解决电气和热工一体化控制的关键设备之一。由于控制器410的CPU主要进行控制功能运算，对大量的用于故障分析和设备管理的数据不宜用控制器410来处理，为此由通信控制器420来将电气和热工域的混合信息进行分离，用于控制的信息由控制器410来处理，用于故障分析和设备管理的数据由通信控制器420分离后经过网络层300送高级控制及人机操作层200处理，这样即保证了控制的实时要求、也满足了故障分析和设备管理的要求。
通信控制器420可以实现电气总线协议与热工总线协议的转化，这是电气控制与热工控制能够集成的前提；通讯控制器420还实现对电气和热工域设备的时钟同步、网络自诊断、信号存储和与现场域设备的隔离。
通信控制器420还可以实现不同厂家和系统的无缝连接，以满足不同厂家（主流厂家）或通信规约（主流规约）的差异，由此可以实现庞大的数据集中管理，实现整个火力发电厂数据的唯一和规范，为建设数据化电厂奠定基础。
由于通信控制器420将现场设备通信信号中的波形信息和/或设备状态信息分离出来后直接通过网络层300传送给高级控制及人机操作层200，因此，与现有的系统相比，本实用新型的实施方式提供的网络层300还可以包括单独的传输路径，用于将来自所述通信控制器420的波形信息和/或设备状态信息传输到所述高级控制及人机操作层200。该传输路径可以由网络设备、接口设备以及线路等部件组成。
与现有的DCS系统相比，本实用新型提供的控制系统的改进主要在于在控制器410（或控制柜）与现场设备之间设置了通信控制器420。该通信控制器420可以实现电气总线协议与热工总线协议的转化，这样就可以将以前各自独立的电气控制系统与热工控制系统一体化。另外，通信控制器420还可以从来自现场设备的通信信号中分离出各种信息，只将需要由控制器410处理的信息（例如，控制信息、过程监测信息等）传送给处理器410，而其他信息（例如，波形信息、设备状态信息、现场设备组态信息等）直接通过网络层300传送给高级控制及人机操作层200的相应工作站。
相应地，本实用新型的控制系统还一个改进是通信控制器420与高级控制及人机操作层200通过网络层300直接的传输路径，用于将通信控制器420分离的不需要传送给控制器410的信息（例如，波形信息、设备状态信息等）直接传输到高级控制及人机操作层200。
本实用新型提供的用于火力发电厂的控制系统，将全厂自动化设备或系统作为控制系统的一个控制单元，不论电气和热工设备均纳入系统进行统一管理，实现统一数据库、统一组态软件、统一设备管理软件，由于实现了电气－热工的一体化控制，为今后的全厂自动控制、设备管理、故障分析、参数统计和全厂的优化控制软件的实施提供了基础保证。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。
Claims (8)
1.一种电厂电气热工一体化控制系统，该控制系统包括管理层(100)、高级控制及人机操作层(200)、网络层(300)和基本控制层，该管理层(100)与该高级控制及人机操作层(200)通信，该高级控制及人机操作层(200)与该网络层(300)通信，该网络层(300)与该基本控制层通信；
其特征在于，所述基本控制层包括至少一个控制器(410)以及多个通信控制器(420)；所述至少一个控制器(410)与所述网络层(300)通信，该多个通信控制器(420)中的一个或多个通信控制器(420)与所述至少一个控制器(410)中的一个或多个控制器(410)通信，所述多个通信控制器(420)还直接与网络层(300)通信，所述多个通信控制器(420)与现场设备通信。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述现场设备包括电气域现场设备和热工域现场设备，所述电气域现场设备通过所述多个通信控制器(420)中的一个或多个通信控制器(420)与所述控制器(410)中的至少一个控制器(410)通信；所述热工域现场设备通过所述多个通信控制器(420)中的其他一个或多个通信控制器(420)与所述控制器(410)中的至少一个控制器(410)通信。
3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述通信控制器(420)接收来自所述现场设备的包含控制信息、过程监测信息、设备状态信息和/或波形信息的信号，并将控制信息和/或过程监测信息传送到所述控制器(410)，将波形信息和/或设备状态信息通过所述网络层(300)传送到所述高级控制及人机操作层(200)。
4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述网络层(300) 包括将来自所述通信控制器(420)的控制信息、过程监测信息、波形信息和/或设备状态信息传输到所述高级控制及人机操作层(200)的传输路径，网络层(300)设有实时控制网和信息监控网。
5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述网络层(300)设置有至少一个网段隔离器(500)。
6.根据权利要求3所述的控制系统，其特征在于，所述通信控制器(420)与所述现场热工域设备经由现场总线通信。
7.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述网络层(300)包括与现场工业电视的接口。
8.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述高级控制及人机操作层(200)包括与全时激励仿真系统的接口。
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