集散控制系统中的热工测量

马悦洋1刘莲2

2.国电投河南电力开封发电分公司燃料质检中心河南省开封市475000）

摘要：参数测量显示系统是由敏感元件、中间连接部件及显示仪表三部分组成.作者以火力发电机组中广泛采用的热电偶温度计在XDPS集散控制系统中的实现为例，从实用角度介绍了其硬件连接及软件的组态方法。

关键词：敏感元件；过程控制站；操作员站；热工测量；计算机分散控制系统

通常，我们说热工测量就是对热力生产过程中各种热工参数的测量，如温度、压力、流量、液位，还包括一些与热力生产过程密切相关的参数，如振动、位移、转速、烟气成分等。

其中，任何参数测量显示系统都应该是由敏感元件、中间连接部件及显示仪表三部分组成。例如，温度的测量，如图1所示热电偶温度计，热电偶作为敏感元件，感知被测介质的温度，依据热电效应原理转换为相应MV的热电势，经过中间连接部件———补偿导线送达显示仪表进行温度显示。这里，显示仪表可能是传统的动圈式模拟显示仪表，也可能是数字显示仪表（在连成测温系统时也要注意考虑其冷端温度补偿的措施）。其他参数的测量也遵循同样道理。随着计算机分散控制系统在火力发电机组中的广泛应用，近千个测点集中到操作员站进行显示，那么这些参数是如何实现显示的呢？本文从应用角度以热电偶温度显示为例介绍温度在计算机分散控制系统中的测量显示方法。

图1热电偶温度计

1集散控制系统的典型结构及工作过程

DCS是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统。自下而上为：现场级、控制级、监控级、管理级。分别由四层计算机网络把相应的设备连接在一起。如图2是美国GE公司的XDPS计算机分散控制系统结构示意图。控制级主要由过程控制站（DPU）和数据采集站构成。监控级的主要设备有运行员操作站（OPU）、工程师工作站（ENG）和历史站（HSU）等。

图2XDPS计算机分散控制系统结构示意图

运行人员通过运行员操作站（OPU）来监视和控制整个生产过程，本文将OPU作为测量显示系统中的显示部分。

控制工程师通过工程师工作站（ENG）对集散控制系统进行配置、组态、调试、维护，本文将在ENG上实现对OPU测量显示部分的设定。

过程控制站（DPU）接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去，本文将DPU作为测量显示系统中的中间连接部分。如图3所示

图3计算机分散控制系统中的温度测量系统

2敏感元件——热电偶的工作原理

若把A、B两种不同导体或半导体组成的热电偶接成如图4所示的闭合回路，当回路两个接点温度不相同时，回路中就会产生热电势，形成电流，该现象为；当把一端温度固定（冷端，0℃或环境温度），另一端（热端）置于被测环境，则回路中的热电势只是热端温度的单值函数，通过仪表测量出回路中MV电势的大小，即可标识被测温度。热电偶温度计的测温范围为300～1600℃。

图4热电效应

通常，工业生产中，被测介质与操作员站距离相对较远，因而用补偿导线将热电偶冷端进行延伸，将热电势远传。补偿导线即在0～100℃范围内，和所配套使用的热电偶具有相同热电性能的两根廉价金属导线。

3中间转换件——过程控制站的典型结构及与热电偶的连接、软件组态

过程控制站接收由现场设备，如传感器、变送器来的信号，按照一定的控制策略计算出所需的控制量，并送回到现场的执行器中去。具体讲，就是（1）将各种现场产生的过程量（温度、压力、流量等）进行数字化，并将数字化后的量存储在存储器中；（2）将本站采集到的实时数据通过网络送到操作员站（OPU）、工程师站（ENG）和其它过程控制站控制站，以便实现全系统范围内的监督和控制；（3）在本站实现局部自动控制、回路的计算及闭环控制、顺序控制等。数据采集站不直接完成控制功能，但同样接收由现场设备送来的信号，并对其进行一些必要的转换和处理之后送到分散型控制系统中的其他部分，主要是监控级设备中去，也可视为测量系统中的中间转换件。

过程控制站和数据采集站是由一个完成控制算法或数据任务的处理器模件以及与其相连的其他输入／输出模件所组成的。这些模件包括：模拟量输入模件、模拟量输出模件、开关量输入模件、开关量输出模件、脉冲量输入模件等基本模件。

模拟量输入模件接受由现场送来的模拟量信号，对其量程、零点进行校正和调整，并将其转换为数字量，然后经I／O总线传送给处理器模件。通常一个模拟量输入模件可以同时接收8或16路输入信号。

现场的热电偶补偿导线经过端子板与模拟量输入模件相连。XDPS端子板外形如图5所示。

图5TC端子板

图5输入端子板共有48个输入端子，其中三个端子为一路输入，共16路输入通道

热电偶经补偿导线，接入端子板1、2端子，屏蔽线接3端子，回路电势经电容滤波后，直接送入模拟量输入卡件进行模数转换，再进入处理器模件进行工程单位转换，温度计算，以便操作员站温度显示。

处理器模件中的应用程序是通过工程师站组态生成的。其生成步骤为：1建立数据库2DPU软件组态3运行员操作站上的工艺流程画面设计。

3.1建立数据库

全局点目录是XDPS的分布式数据库。它是XDPS各节点实现共享数据的基础,定义了在节点间的全局点的定义信息，包括测点名、描述、所属DPU号、分组分区信息、单位。全局点目录是一个列表文本文件，直接采用字处理器进行组态,可用通用文本编辑工具、数据库生成工具进行离线组态，Windows中的写字板和记事器是很方便和常用的工具，并以pointdir.cfg文本文件的方式存放，例如：

BEGIN_HEAD

VERSIONOFCONFIGER2.00

PROJECT温度测量演示软件

ON19-01-2011

AT10:00:00

END_HEAD

BEGIN_AX

1,20,07TE05,III级过热器入口烟温,DAS,℃,7.2,1100,0,10

1,20,07TE06,I级过热器入口烟温,DAS,℃,7.2,1100,0,10

1,20,07TE07,I级过热器出口烟温,DAS,℃,7.2,700,0,10

1,20,07TE08,I级再热器入口烟温,DAS,℃,7.2,500,0,10

End_Ax

数据库第二段中，一行定义一个温度测点，上千个测点就会对应上千行。

每个测点定义的项目分别为：

DPU号，超时周期，测点名，描述，特征字符，单位，缺省的显示打印格式，上限值，下限值。

上述数据库中，每一行测点的DPU号为“1”，说明这些温度测点硬连线接在1#DPU，以此类推还会有2#DPU、3#DPU……

该数据库文件保存在ENG目录中。

3.2DPU软件组态

在DPU组态软件中选择模拟量输入功能块XAI，本功能块从一个I/O地址取得一个A/D值，进行转换，将工程值结果存放在Y中，供其它功能块读取。如果I/O通道有故障，则本模块状态为坏状态。后续模块可使用这些状态作为坏点标志。转换时，如为TC热电偶，则作相应的冷端补偿。如图7所示，DPU组态软件采用图形组态方法，从功能块库里用鼠标拉出XAI功能块，再进行参数定义。

图6DPU组态

参数定义见图7.

关键定义如下：

地址addr定义为1-7-0，表明该测点具体接入1号站7号模件0号通道，当然现在是在1#DPU控制柜中。

Cvt转换采用20=K(EU)热电偶，表明接入的是K(EU)热电偶，本功能块将对模拟量输入模块转换后的数字量按照K(EU)热电偶的分度表进行温度标识。

GID全局点名为07TE05，数据库中定义过该点的特征，Cvt转换后的温度值将赋值给07TE05。

这样外部的热电偶接线输入信号就与DPU的软件对应起来了，注意这里举例送给了07TE05。

在图7中，BCWD1从07TE05功能块的左侧输入端引入，说明冷端补偿的温度为BCWD1测点提供，并用圆圈符号表明从3页16块引过来。既然回路中测得到热电偶产生的电势，又提供了冷端补偿的温度，处理器模件就可以按照中间温度定律进行温度的标度变换了。

图7DPU组态参数定义

接下来是运行员操作站上的工艺流程画面显示设计，参见五、显示部件——操作员站的设定

4显示部件——操作员站的设定

运行员操作站是由一台具有较强图形处理功能的微型机，以及相应的外部设备组成，一般配有LED显示器、大屏幕显示装置(选件)、打印机、拷贝机、键盘、鼠标或球标。运行员操作站是运行员与分散型控制系统相互交换信息的人机接口设备，通过操作员站运行人员可以观察生产过程的运行情况，读出每一个过程变量的数值和状态。

运行员操作站上的工艺流程画面是通过工程师站组态生成的。

图8图形生成

在工程师站上用图形生成软件画出图8，并进行动态连接，例如Ⅲ级过热器温度处定义为07TE05，保存该图形文件，在操作员站上图形显示该画面时，Ⅲ级过热器温度时就将07TE05所对应的实时温度显示出来。当然，该测点数值可以在其他需要显示的画面中重复显示。

图9画面显示

5结论

计算机分散控制系统中热电偶测温系统是由热电偶（及补偿导线）、过程控制站（模拟量输入模件及处理器模件网络）、操作员站三部分连结而成，同时通过ENG进行必要的DPU软件组态和OPU的画面生成，就实现了热电偶温度计的系统搭建。

本文以温度测量系统为例，其他热工参数的测量系统构建方法与此相似。

参考文献：

[1]吴永生，方可人。热工测量及仪表〔M〕。北京：中国电力出版社，2006。

[2]郭巧菊，倪桂杰。计算机分散控制系统〔M〕。北京：中国电力出版社，2005。

作者简介：马悦洋（1985-03-29），男，回族，籍贯：吉林省辽源市，当前职务：国电投河南电力开封发电分公司热力事业部热工计量专工，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：热力管网

作者简介：倪桂杰（1969-），女，华北电力大学研究生毕业，副教授，从事火电厂测控技术方面的教学与研究。