摘要：本文深入探讨了火电厂热工自动化领域分布式控制系统（DCS）的应用情况。DCS 系统以计算机为核心控制单元，以网络技术为通讯纽带，利用多样化的监测设备来完成对工业设备的精确控制。文章首先对火电厂热工自动化的基本概念进行了阐述，随后对当前火电厂热工自动化的实际应用状况进行了分析，并探讨了DCS 控制系统在其中的应用优势。文中接着详细介绍了DCS 系统的五个主要组成部分，最后提出了DCS 系统在技术创新方面的策略，如增强输入信号的稳定性、改进预警系统、整合电气控制单元以及应用先进的控制理论。研究结果显示，DCS 系统在提升火电厂热工自动化水平上展现出其重要的应用潜力。

关键词：火电厂；热工自动化；DCS 控制系统；应用现状；创新方法

0 引言

在 DCS 系统的运作过程中，计算机担任核心控制角色，而互联网则充当信息传递的关键枢纽。该系统能够整合多样化的监控工具，对各类工业设备实施精准控制，从而确保生产流程的全面而高效管理。DCS 系统融合了多项先进技术，包括但不限于多媒体、网络通信以及计算技术，凭借其众多显著优势，能够通过人机交互和通信界面实现多种复杂功能。DCS网络在安全性方面表现卓越，保障了设备运行的稳定性与可靠性。一旦 DCS 系统中的关键控制单元发生故障，相关单元能迅速切换至备用程序，使得整个系统的运行更加稳定和安全。

1 火电厂热工自动化概念

火力发电厂的热工自动化管理，是通过融合现代自动化技术与控制系统，对热工过程进行高效监控、精确调节及优化配置的一种先进管理模式[1]。借助尖端的自动化技术与系统，火力发电企业能够实现对热工系统的即时监控、准确控制以及智能化管理。这不仅极大地提升了燃烧效率、能源转换率和发电效率，同时也助力于减少运营成本和减轻对环境的影响。该系统通过传感器与仪表收集热工流程中的核心参数，例如温度、压力和流量等数据，以便对设备和系统的运行状态进行动态监测。

此外，通过分析并处理所收集的数据，系统能够制定出科学合理的控制策略和优化方案，自动调节燃烧、给水、蒸汽生成及发电等关键流程。同时，系统还配备了安全防护机制和故障诊断程序，以便于迅速发现并解决热工系统中的异常情况，保障系统的安全稳定运行。

2 火电厂热工自动化应用现状

作为现代电力行业的关键技术，火电厂热工自动化控制系统正展现出其巨大的发展潜力。伴随着科技水平的进步和我国机组容量的稳步提升，火力发电已成为电力供应网络不可或缺的组成部分。火电厂的热工自动化技术目前正处于快速发展阶段，技术的演进已从老旧的组装式仪表转向了现代化的数字化仪表，控制系统的硬件设施也经历了更新换代的过程。部分机组已经开始运用专业的微型计算机进行监督管理，并通过CRT 显示技术提升了监控效率，无论是在细节控制还是热工安全保护方面均取得了显著成效。特别是协调控制系统的应用，已经成为大型火电机组控制技术发展的一个关键趋势。我国不仅对本土大型发电机组实施了这一系统，而且对引进的机组也进行了相应的技术改造，这些举措标志着我国电厂热工自动化技术已步入一个崭新的高水平发展阶段。自动化技术仍被视为企业发展的核心驱动力之一。在电力产业中，热工自动化控制系统的深入运用为行业的稳定发展带来了新的机遇。热工自动化主要包括自动监测、自动调节、自动警示和自动防护四大关键环节。自动监测能力能够对火力发电厂在生产过程中的核心热工参数，例如温度、流量和压力进行自动记录和监控，显著降低了人工操作的依赖性。自动控制则通过自动化设备对机组运行过程和设备进行调节，确保运行的安全、经济和高效。自动报警能在无人监控的情况下，能够对参数异常发出警报，便于工作人员及时调整，防止安全事故。自动保护则能在热工参数超出设计限制或设备运行条件不满足标准时，自动进行控制和修复，以避免事故和损失。

3 火电厂热工自动化 DCS 控制系统应用优势

在电力系统的运筹管理中，自动化技术的应用显得尤为关键。以下是对电厂自动化控制系统的深度剖析，旨在揭示其卓越性能及优势：首先，系统兼容性得到显著增强 [2]。在电力机组的高效运行中，众多设备须维持协同作业，干扰源及控制参数的复杂性使得其分布呈现非线性特征，相互作用的动态关系使得自动化设计的复杂性剧增。在这种背景下，分布式控制系统（DCS）展现了其在兼容性上的突出优势，通过改进自动化控制策略和简化高级控制算法，大幅提升了系统的整体兼容性。同时，系统成功集成了远程智能输入输出功能，这一功能由智能前端（即控制单元）、现场总线以及计算机适配器三个独立组件构成。智能前端专门设计用于完成高精度的电热阻测量任务。远程智能输入输出系统还具备了灵活的模拟量至数字量（AD）及数字量至模拟量（DA）转换功能。现场总线技术支持全数字串行通信，并能适配多种通信方式，如点对点以及点对多点通信等。计算机适配器则负责网络的综合管理工作，确保整个系统的协调运行。通过主动的信息转换机制，该系统能够在运行过程中增强DCS 控制系统的稳定性、兼容性和安全性。再次，DCS 辅机控制得以实现。在火力发电厂的运行中，DCS 系统能够对整个系统进行集中控制，通过多样化的技术方案实现辅机系统与主机 DCS 的无缝对接，同时实现 MIS（管理信息系统）与主机 DCS 的连接。这一策略显著提升了工作效率，降低了运行成本，提升了管理系统的技术水平。最后，全过程监控成为可能。在电网系统设计中，为简化设计难度，常取消部分后备监控设备，仅保留必要的停机开关。CRT 监控技术与 DOC 大屏幕显示技术的广泛应用，优化了人机界面，减轻了监控人员的工作压力，减少了人工成本支出，确保了电厂运行的安全稳定，经济效益得到显著提升。

4 火电厂热工自动化DCS 控制系统构成

分布式控制系统，亦称为集散控制系统，在火力发电的热工行业中被广泛运用，其主要功能在于推动热工操作的自动化控制进程。正如图 1 所示，典型的火力发电厂热工自动化分布式控制系统，通常由五个关键部分组成，它们分别是数据采集系统（DAS）、模拟控制系统（MCS）、顺序控制系统（SCS）、数字电液控制系统（DEH）和炉膛安全监控系统（FESS）。这些系统各自承担特定的职能，并协同工作，以此实现对热工过程全面且自动化的监管。

4.1 DAS 系统

数据采集分析系统（DAS）在热工分布式控制系统（DCS）中扮演着不可或缺的角色，它负责搜集生产现场的各种数据并将之传输至其他子系统以便分析和管理。DAS 系统与多种传感器相连，如温度、压力、流量以及电流传感器，实现对工业流程中关键物理参数的实时监控。这些检测设备能够将物理参数转化为电子信号，接着数据采集系统（DAS）对这些信号进行数字化处理，并以图形、图表或报告的形式向用户呈现火力发电厂运行中的各项关键数据。该系统能对收集到的信息进行加工，执行如滤波、平滑等数据清洗操作，并负责数据的存储与备份，便于查询与检索。DAS 系统还具备通过以太网、无线网络或特定通讯协议将数据传送至其他相关系统的能力。此外，该系统配备了自动报警机制，能够对火力发电机组的运行状态进行实时监控，并详尽记录其关键性能参数，如热效率、发电效率以及煤炭的消耗量等关键指标。若发现操作异常或参数超出预定阈值，系统将自动启动报警机制并采取相应的控制措施，确保系统的安全与稳定运行。该系统还协助运维人员对机组的运行状态和效益进行评估，及时发现并解决问题，从而进行有效的优化调整。

4.2 MCS 系统

模拟质量控制系统（MCS）承担着火电厂集中监控与管理的职责，实现对锅炉及汽轮机组的实时监控和自动化调节。MCS 系统在锅炉操作中起着关键作用，通过调节燃烧、给水以及排烟等关键参数，确保锅炉的平稳运作和效率最大化。该系统具备根据负荷变化和蒸汽需求自动调整燃烧强度及给水流量的能力，从而保障蒸汽温度维持在既定范围内。在模拟控制系统（MCS）的管理下，给水泵的运行和补水系统的调节得以优化，以保持锅炉水位在安全操作界限内。系统还会根据锅炉的负载和燃烧状况，调整引风机的转速和风量，以优化燃烧效率。在汽轮机组的运行过程中，MCS 根据汽轮机的负载变化和蒸汽需求，自动调整给水泵的工作状态和给水阀门的开启程度，以实现给水流量与蒸汽压力之间的动态平衡。此外，系统通过精确控制除氧器的补水与排水操作，保持除氧器水位在规定标准，有效防止氧腐蚀和蒸汽品质的降低，从而确保汽轮机组的稳定运行并提升其运行效率。

4.3 SCS 系统

SCS（监督控制系统）在火力发电站的主体及辅助设备管理中扮演着核心角色，负责执行控制与监控职能。该系统能够依据既定的运行规则和程序，对设备运行逻辑进行评估判断，进而分析结果并作出评价，进而下达控制命令，确保设备按照既定流程稳定运作。在主体设备控制方面，SCS 系统有效管理着启动、停机及负荷调整等操作，并对设备运行状态及参数实施实时监控。对于辅助设备，如给水、除尘和排烟系统等，其在火力发电站运作中不可或缺，SCS 系统负责对这些设备的运行实施精准控制，确保它们按照既定的顺序和参数高效工作，进而保障整个发电站的运行效率和安全性。SCS 系统通常采用分层架构，将控制任务分布在多个层级中，各层级分别承担特定的功能与任务。虽然这样的设计可能会使得反应时间有所增加，但系统通过采用优先级策略，为不同的控制任务和指令分配不同的优先级别，以此来确定执行的顺序，保证关键任务能够优先执行，从而实现高效且有序的控制过程。在面临紧急设备故障且需立即响应的情况下，SCS 系统会优先调度此类任务至最高级别，从而确保系统能够迅速响应，并采取必要的控制行动。而对于常规的设备调整或监控任务，则可以赋予较低的优先级，这样在出现紧急状况时，系统可以灵活地调整执行顺序。

4.4 DEH 系统

数字电子液压控制系统（DEH）肩负着汽轮机的自动调整与控制职责，这一系统融合了数字电子技术和液压传动的优势，主要负责对汽轮机的速度及负荷进行精准的操控 [3]。DEH 系统有能力对汽轮机转速进行即时监控与调节，确保其运行在预定的稳定转速范围内。此外，系统通过控制调速阀，实现对汽轮机负载和输出功率的精细调节。此外，DEH 系统还能够响应负载需求的变化，实时调整汽轮机的输出功率。通过控制汽轮机的负荷控制阀，系统能够依据负载变化的需要，对汽轮机的输出功率进行适当的调整，以保持系统的稳定运行。例如，当汽轮机的负载降至 以下时，若出现甩负荷状况，DEH 系统会立刻启动保护机制，通过分析油开关和调节级压力的数据来评估状况，并迅速关闭高、中压调节阀，防止超速。在卸载的瞬间，机组转速还未升至触发保护措施所规定的临界值。若此时继续供油，可能会引发超速问题，进而危害设备安全或带来潜在风险。据此，在调节阀关闭后，DEH 系统会暂时停止工作 3 至 4 秒，随后自动重启，恢复高、中压调节阀的开启，使得汽轮机能够在同步转速下空转，进而快速实现同步并网，回到正常的负荷控制模式。此外，DEH 系统配备了全面的保护机制，能够实时监测汽轮机运行中可能出现的异常状况，并做出相应的反应。一旦检测到汽轮机转速超出安全界限、油压异常或冷却水温度过高，DEH 系统会立刻启动警报并实施必要的保护措施，以保障汽轮机的安全运行。

4.5 FSSS 系统

在火力发电站内，火焰监测与燃烧管理单元（简称 FSSS）承担着对燃烧设施自动化的核心监控职责，其目的在于确保燃烧设施在安全与高效的环境中稳定运行。该系统利用其传感器和控制单元对燃烧设施进行持续的状态监测与调整[4]。这些传感器的主要作用是判断火焰的存在与否，以及对其强度和质量进行评估，同时实时监控炉膛内部的温度、压力及氧气浓度等关键参数，并将这些数据即时反馈至控制单元。控制模块则通过预设的逻辑和算法对火焰状态进行快速分析，并做出决策，进而对燃烧设备的运行参数和工作流程进行相应的调整。这样的调整旨在保障燃烧过程的安全稳定，预防火灾和爆炸事故的发生。此外，FSSS 系统的优化燃烧调节功能有助于提升燃烧效率，降低能源消耗，同时减少了对人工监控和干预的需求。

5 火电厂热工自动化 DCS 控制系统创新方法

提升输入信号的品质对于确保DCS 控制系统的稳定性和可靠性至关重要，这是保障系统运行精确度的基础。首先，需提升电气设备的信赖度，防止部件故障导致的信号传递异常。进一步，应致力于主操作界面的功能模块更新与优化，拓展控制系统的功能范畴，以实现更高效、精准地满足个性化操作需求。

完善预警机制。DCS 内置的预警系统对锅炉运行进行监控，确保运行安全，及时识别并处理设备故障。在预警系统的设计中，应提升智能化和用户友好度，融入智能技术和网络集成技术，以优化设计方案。此外，预警系统还需整合设备维护状态和锅炉操作流程等信息，确保维护人员能够精确掌握保养信息，准确反映设备运行状态。

实现 DCS 与电气控制的融合，通过将 DCS 技术应用于电气控制领域，可以利用 DCS的逻辑组态能力对电气和热控设备进行分布式控制，从而提高控制与监控的工作效率。首先，需要合并 DCS 的数据采集功能与电气控制系统，接着，将捕获的信号转换成 DCS 能够识别的格式，并通过DCS 网络将这些信号集成，以实现对电气和热控设备的集中化监控与管理。

采纳先进的控制思想。火力发电厂的生产流程繁琐且变化多端，特别是热工自动化系统，采用传统的控制策略往往难以实现满意的控制性能 [5]。为了迎合自动化的需求，分布式控制系统（DCS）必须实现精确控制，同时优化操作流程。引入先进控制理论对DCS 系统进行优化，能够为其应用和发展提供更广阔的空间。

6 结论

在火力发电领域，热工自动化技术的融合与分布式控制系统（DCS）的应用，显著提高了生产效率、保障了运行安全，并增强了经济效益。本文通过对火电厂热工自动化现状的探讨，以及 DCS 系统的结构特点和优势分析，得出以下观点：DCS 系统凭借其卓越的兼容性、远程智能 I/O 功能、全面的过程监控以及辅助设备控制能力，在火电热工自动化中发挥了至关重要的作用。同时，通过采用创新手段，如增强输入信号的稳定性、完善预警机制、整合电气控制单元以及融合先进的控制理念，DCS 系统的性能得到了进一步提升，为火电厂的持续稳定运行和智能化管理水平提供了强有力的技术保障。展望未来，随着技术革新与优化步伐的加快，火电厂热工自动化的 DCS 控制系统预计将更加有效地服务于电力产业，助力火电厂向高效率、环保清洁、安全可靠的生产模式转型。

参考文献

[1] 吴 尔 夫 . 浅 析 火 电 厂 热 工 自 动 化 DCS 控 制 系 统 的 运 用 [J]. 中 国 设 备 工程 ，2024，（10）：117-119.

[2] 梁雪 . 火电厂热工自动化 DCS 控制系统的应用浅析 [J]. 中国设备工程 ，2023，（14）：53-55.

[3] 朱朝柱. 热工自动化控制系统在火电厂的应用[J]. 电子技术与软件工程，2014，（23）：237.

[4] 陈峰 . 火电厂热工自动化 DCS 控制系统的应用及发展分析 [J]. 电子技术与软件工程 ，2018，（22）：99.

[5] 梁馨月 . 自动控制理论在火电厂热工自动化中的应用研究 [J]. 中国设备工程 ，2021（24）：91-92.