神華陜西國華錦界能源有限責任公司 郭志軍

摘要：DCS控制系統(tǒng)是發(fā)電廠重要的組成部分，對電廠正常運行具有十分重要的作用。隨著DCS控制系統(tǒng)應用年限的增加，硬件會加速老化，故障率會明顯提升，進而導致設備發(fā)生異常，會產(chǎn)生系統(tǒng)性風險，影響發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。因此電廠在運行過程中應當做好DCS控制系統(tǒng)硬件老化治理的相關工作，避免由此對發(fā)電廠設備運行造成不利的影響。本文結合火力發(fā)電廠實例對DCS控制系統(tǒng)硬件老化可靠性治理的有關內(nèi)容進行分析，以供參考。

關鍵詞：DCS；老化；對策

1　DCS系統(tǒng)概況

某火力發(fā)電廠使用的發(fā)電機組為600MW亞臨界直接空冷機組，使用的DCS控制系統(tǒng)為和利時公司的MACSV系統(tǒng)，該類型DCS控制系統(tǒng)為典型的星型結構，以單臺機組為例，連接32對控制器、三對系統(tǒng)服務器，且三對系統(tǒng)服務器的控制內(nèi)容不同，其中機側服務器主要控制汽輪機和空冷設備，爐側服務器主要控制鍋爐（脫硝）和電氣設備，脫硫服務器主要控制脫硫設備，包含I/O點數(shù)13472點，配置3臺工程師站，8臺操作員站（主機5臺，脫硫3臺）。另外還有一、二期公用系統(tǒng)，四機公用系統(tǒng)總共配置三對獨立的服務器、19對控制器，I/O點數(shù)5782點。DCS主要控制功能包括以下幾個方面，即爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)等多種控制功能。

2　硬件老化引發(fā)的主要問題

2.1　主控單元異常較多，引發(fā)的問題較為突出

該電廠機組主控單元共發(fā)生故障46次，統(tǒng)計周期為10年（2006年~2016年），其中2014年到2016年三年間，共發(fā)生主控單元異常17起，占整個統(tǒng)計周期異常次數(shù)的37%，這個數(shù)據(jù)是該電廠在2015、2016年為了應對DCS故障率偏高，對#1、#2、#3組協(xié)調(diào)、給水、凝結水、送引風、脫硝等主要控制站更換了92個主控單元后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從以上數(shù)據(jù)分析，DCS主控單元后三年故障比較集中。另外從機組主控單元故障的分布來看，#1機組11次，#2機組5次，#3機組10次，#4機組13次，公用系統(tǒng)7次，沒有一定的規(guī)律性。主控故障主要表現(xiàn)在以下方面：（1）主控單元死機，不能正常切換。（2）主控故障切換短時間內(nèi)恢復正常。（3）主控狀態(tài)燈全滅或故障燈變紅，主控正常切換。（4）停機后主控手動切換不能正常進行。（5）所有網(wǎng)間通訊變量不能正常通訊。由于系統(tǒng)內(nèi)電廠發(fā)生主控單元在更換過程中發(fā)生機組跳閘的不安全事件，該廠也在處理主控單元異常時，按雙主控離線進行措施制訂，將主要的設備打在就地，自動運行的設備打在手動位，相關保護全部退出，在執(zhí)行措施和恢復措施的過程中，或在設備運行的過程中都增加了一些不可控的風險。嚴重影響了機組的安全穩(wěn)定運行。

2.2　電源模塊故障偏多，模塊更換風險較大

該電廠機組電源模塊共發(fā)生故障29次，統(tǒng)計周期是10年，其中2014年到2016年這三年間，共發(fā)生電源模塊異常11次，主要現(xiàn)象就是RUN燈熄滅，檢查結果大部分都是保險絲熔斷，故障次數(shù)占整個統(tǒng)計周期異常次數(shù)的38%，這個數(shù)據(jù)也是該電廠在2015、2016年為了應對DCS系統(tǒng)硬件故障率偏高，對#1、#2、#3組協(xié)調(diào)、給水、凝結水、送引風、脫硝等主要控制站主控單元所在框架，AO模塊、DO模塊所在框架更換了196塊電源模塊后的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從以上數(shù)據(jù)分析，DCS電源模塊在統(tǒng)計周期的后三年故障比較集中。另外從機組故障的分布來看，#1機組10次，#2機組8次，#3機組5次，#4機組2次，公用系統(tǒng)4次，沒有一定的規(guī)律性。該廠在處理電源模塊異常時，其中主控單元所在框架按雙主控離線進行措施制訂，將主要的設備打在就地，自動運行的設備打在手動位，相關保護全部退出。更換AO、DO模塊所在框架電源模塊異常時，將受控設備打在就地位。在執(zhí)行措施和恢復措施的過程中，或在設備運行的過程中都增加了一些不可控的風險，嚴重影響了機組的安全穩(wěn)定運行，風險基本上接近主控單元的更換。

2.3　新型熱電阻卡件兼容性較差，無法在線更換

所有應用的卡件在10年的統(tǒng)計周期內(nèi)，AI模塊故障7次，DI模塊故障2次，DO模塊故障3次，熱電阻卡件發(fā)生故障12次，熱電阻模塊故障的概率較高，而該電廠使用的熱電阻卡件為6通道，已經(jīng)停止生產(chǎn)，目前生產(chǎn)的卡件為8通道，與舊型號卡件之間兼容性較差，因此一旦機組熱電阻卡件發(fā)生故障，在正常運行狀態(tài)下無法進行卡件的更換，必須在停機狀態(tài)下進行硬件組態(tài)，再進行卡件的更換。各主要輔機的軸承溫度都通過熱阻卡件實現(xiàn)其保護功能，熱電阻卡件的安全性也影響機組的可靠性。

2.4　服務器故障率高，機組的操作、報警不能正常進行

該電廠使用的服務器從PowerEdge2900、T610、T630 逐步進行升級換型，基本上四年就更換一次。但在10年的統(tǒng)計周期內(nèi)，共發(fā)生故障22次，主要表現(xiàn)在服務器死機、硬盤故障，負荷率突然升高（5%~70%），歷史數(shù)據(jù)無法收集，部分數(shù)據(jù)不刷新，嚴重影響機組的正常操作和設備信息的正常反饋。

3　DCS硬件老化問題的成因

3.1　運行時間較長，電子產(chǎn)品進入老化期

在正常環(huán)境狀態(tài)下， 冬季環(huán)境溫度保持在18℃~22℃；夏季環(huán)境溫度 保持在24℃~28℃之間；相對濕度保持在40%~70%之間，無凝結狀態(tài)。電子產(chǎn)品理論使用壽命年限為10年左右，通常為9年（環(huán)境溫度下的硬件的壽命為80000小時左右），而該電廠運行時間已經(jīng)10年，硬件產(chǎn)品已進入老化期。

3.2　電子間粉塵較大，影響電子產(chǎn)品的使用壽命

控制室內(nèi)空氣應清潔，其凈化要求為塵埃小于0.2mg/m3，該電廠電子間地處我國西北地區(qū)，粉塵較大，一個周如果不打掃衛(wèi)生，地面已有明顯積塵。電路板吸附粉塵，影響電子元器件阻抗，從而影響設備使用壽命,同時粉塵會妨礙設備散熱，導致部件溫度過高而損壞設備。

3.3　定期工作不到位、設備操作流程不規(guī)范影響硬件的可靠性

主控、服務器、操作員站、工程師站不能按時重啟,增加計算機內(nèi)的垃圾文件；濾網(wǎng)不定期更換，風扇不定期清理，會影響機柜的散熱，都會增加設備故障的機率。操作流程不規(guī)范，比如電源模塊電壓沒有調(diào)整在合理的范圍內(nèi)（5.1±0.15V），這對主控單元的正常運行將會造成一定的影響。另外組態(tài)下裝不規(guī)范，比如操作頻繁等，也會導致主控單元異常。

3.4　組態(tài)軟件運行中存在問題也會影響硬件的可靠性

單元冗余切換判據(jù)不全面，容易產(chǎn)生雙主控離線。由于軟件存在的問題也會影響硬件的可靠性。

4　DCS硬件老化的對策

通過對DCS控制系統(tǒng)硬件老化引起的主要問題分析可知，作為電廠的核心組成部分DCS控制系統(tǒng)在發(fā)電運行過程中發(fā)揮著十分重要的作用。但隨著設備運行時間的增加，設備老化暴露出來的問題也逐漸顯現(xiàn)出來，因此如何切實提高DCS控制系統(tǒng)可靠性已成為了電廠需要迫切解決的主要問題之一。針對以上情況分析，對電廠系統(tǒng)老化硬件進行必要的更換，以及科學合理改造將極大的降低DCS系統(tǒng)運行的風險，進而為電廠安全穩(wěn)定運行奠定良好的基礎。

4.1　選擇硬件可靠性高，軟件相對成熟地DCS控制系統(tǒng)

火力發(fā)電廠在進行DCS控制系統(tǒng)選擇的過程中應當對以下幾個方面引起高度的重視。第一，對不同類型DCS的運行情況進行統(tǒng)計分析，為今后DCS系統(tǒng)的選擇提供一定的參考。DCS系統(tǒng)在運行初期故障率較高，但是經(jīng)過一段時間運行磨合之后，DCS系統(tǒng)故障率將會明顯下降，且從長期運行情況分析發(fā)現(xiàn)，DCS系統(tǒng)通過現(xiàn)場應用后不斷改進，其可靠性將會明顯提高，因此電廠在進行DCS系統(tǒng)選擇的過程中應當進行科學合理的對比分析。第二，電廠DCS系統(tǒng)對硬件設備的要求較高，尤其是各種各樣的電子元器件必須符合電力系統(tǒng)運行基本要求，因此在選擇過程中應當對硬件設備按質(zhì)量標準進行嚴格的測試，在保證其合理壽命的前提下，也要保證主控單元控制器的存儲能力和運行能力滿足電力系統(tǒng)運行要求。另外還應當選擇可熱插拔的電子模件，為今后系統(tǒng)的維護等提供方便。第三，為了避免DCS系統(tǒng)發(fā)生局部故障擴大的現(xiàn)象，在進行系統(tǒng)結構設計的過程中應當應用冗余技術，以實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊與控制器之間的無擾切換。該技術的應用還可以在一定程度上保證在線排除故障的可操作性，同時也為系統(tǒng)安全性的提高打下堅實的基礎。

4.2　嚴格執(zhí)行施工工藝標準

火力發(fā)電廠在確定DCS系統(tǒng)型號之后應當加大對施工工藝執(zhí)行情況的監(jiān)督力度，而相關的施工單位應當根據(jù)電廠的實際情況制定科學合理的施工設計方案及施工具體計劃，同時在施工進行之前應當對DCS系統(tǒng)相關要求進行仔細的研究，合理安排施工進度。在進行DCS系統(tǒng)調(diào)試及安裝的過程中，應當對以下幾方面的問題引起高度的重視。第一，提高系統(tǒng)電子設備內(nèi)部環(huán)境標準，保證照明、通風、空調(diào)及消防等工作符合相關的要求，尤其是系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中溫度、濕度、清潔度應當嚴格控制在標準范圍以內(nèi)，避免縮短電子產(chǎn)品的使用壽命。例如空調(diào)系統(tǒng)的安裝及使用將會對內(nèi)部溫度進行一定的調(diào)節(jié)，避免溫度過高對系統(tǒng)運行造成影響；在安裝空調(diào)系統(tǒng)的過程中應當使出風口朝上，避免正對系統(tǒng)控制設備及機柜，以免冷凝水滲入到DCS系統(tǒng)中，進而對內(nèi)部的電子元件造成損壞；另外應急消防通風系統(tǒng)擋板應密封良好，防止粉塵進入，影響電子產(chǎn)品壽命。第二，施工人員在鋪設電纜的過程中應當保證弱電和強電處于隔離狀態(tài)，計算機電纜一般應集中放置在電纜橋架的最下面一層。且屏蔽線應保證單點接地，并設立單獨的接地柜，接地電阻應滿足DCS廠家的要求。

4.3　切實改進程序設計和嚴格按照調(diào)試規(guī)程進行調(diào)試

為了切實提高火力發(fā)電廠DCS控制系統(tǒng)運行的可靠性，技術人員應當對組態(tài)程序進行一定的優(yōu)化處理，并通過對連鎖、保護邏輯的判斷，利用軟件保護和硬件接線保護相結合的方式對設備進行控制，進而提高DCS控制系統(tǒng)的可靠性。一般情況下，電廠DCS控制系統(tǒng)聯(lián)鎖、保護組態(tài)采用的是三取二保護機制，即將開關量與模擬量進行科學合理的結合，在DCS系統(tǒng)設備處于運行安全的前提下，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。DCS控制系統(tǒng)模擬量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)所使用的信號采用的是三取中保護機制，確保信號準確防止擾動。有時為了防止設備誤動，部分10kV設備跳閘接點串聯(lián)。另外將功能相同的主要測點分布在不同的卡件，防止卡件故障，導致設備誤動或拒動。同時相關的技術人員在DCS系統(tǒng)在設計、測試、在線調(diào)試、投入運行、驗收等各個階段應當進行全程監(jiān)督，并根據(jù)自身的經(jīng)驗，對系統(tǒng)中易發(fā)生故障的位置進行嚴密的監(jiān)控，一旦系統(tǒng)運行過程中發(fā)生故障，應當對故障發(fā)生的原因進行詳細的分析，及時采取有效的措施，避免故障擴大，影響系統(tǒng)整體運行。另外技術人員應當對組態(tài)軟件設計和邏輯控制保護設計等組織專家進行評審，以保證其合理性，避免運行中出現(xiàn)故障，影響電力生產(chǎn)的安全運行。

4.4　強化人員技術培訓，規(guī)范人員操作行為

火力發(fā)電廠應當加大對工作人員技術培訓的力度，以切實提高其專業(yè)素質(zhì)，保證DCS系統(tǒng)安裝的順利完成。DCS系統(tǒng)在維護過程中，一旦出現(xiàn)點檢不到位或操作失誤的情況，將會對DCS系統(tǒng)的應用造成嚴重的影響，因此維護人員通過培訓熟悉DCS的性能，建立標準的作業(yè)流程，這樣才能保證DCS系統(tǒng)的正常維護，為今后工作順利開展提供基礎。另外電廠對操作人員技術水平要求較高，尤其是DCS控制系統(tǒng)手動/自動切換、啟停設備等常規(guī)操作要求較高，因此電廠應當加大對操作人員有關方面的技術培訓，建立健全系統(tǒng)操作行為規(guī)范，并進行一定的考核，落實事故責任制度，增強操作技術人員的責任意識，這將會在一定程度上降低故障發(fā)生率，同時也為DCS系統(tǒng)的運行安全提供保障。

4.5　規(guī)范日常行為，提高維護水平

DCS系統(tǒng)日常維護要建立授權操作制度，只有經(jīng)考核合格才能進行對DCS系統(tǒng)日常維護操作，要通過流程制度對DCS系統(tǒng)進行有效管控。重點要強化計算機病毒管理，DCS系統(tǒng)所有計算機禁止使用U盤，只能通過光盤拷出數(shù)據(jù)，如果需要拷入數(shù)據(jù)，經(jīng)兩臺以上的計算機殺毒才能使用，避免病毒等對系統(tǒng)造成破壞。

編制DCS點檢標準，根據(jù)點檢標準通過日點檢、周點檢對設備進行點檢，一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應當立即采取相應的措施，消除故障隱患，保障DCS系統(tǒng)的正常運行。

編制DCS定期工作標準，根據(jù)DCS定期工作標準，對系統(tǒng)進行定期備份、定期重啟、定期切換、定期更換濾網(wǎng)，提高設備的可靠性。另外機組停運后對備用主控、服務器進行重啟，重啟正常后進行切換，刪除主控單元、服務器的垃圾文件，恢復設備性能。

編制DCS應急處理方案，要以各個DCS機柜為單位，以主控單元為界，編制DCS主控單元故障處理方案，應對DCS硬件、軟件異常等突發(fā)事件。同時利用機組檢修模擬各種卡件異常更換演練，熟悉各種卡件異常工況下設備的運行狀態(tài)，從而完善應急處置方案。

DCS系統(tǒng)運行可靠性除了規(guī)范日常的行為外，還要定期更換部分主要備件，也能提高設備的可靠性。比如在7年左右為了應對多發(fā)的硬件故障，可以先對部分主要控制站的主控單元，以及主要控制站主控單元、主要AO卡件、DO卡件所在框架的電源模塊進行更換。5年左右對服務器、操作員站進行更換。訂制六通道SM430模塊，確保模塊故障后能在線更換。通過上述措施暫時解決DCS硬件的安全運行問題。

4.6　選擇合適的時機進行DCS改造

關于DCS改造的期限沒有明確的要求，一般進口DCS系統(tǒng)15年左右進行改造，國產(chǎn)DCS系統(tǒng)12年左右進行改造，但也可根據(jù)自己的統(tǒng)計分析結果或通過第三方權威機構對設備進行綜合評估，再結合計劃檢修時間適時對DCS進行改造。改造重點把握好以下五個階段的工作。（1）前期準備：重點是規(guī)避兄弟電廠存在的問題；對轉(zhuǎn)化后的邏輯、畫面進行檢查修改；會同相關專業(yè)技術人員確定DCS系統(tǒng)改造的開票方式、隔離措施，并明確各個部門相關責任人的職責。（2）機柜卡件安裝： 制訂卡件安裝計劃，提前一天會同運行人員進行相關設備隔離，斷開繼電器柜電源，另外每天開工前，對DO模塊接線進行驗電，防止人員觸電。（3）測點傳動、邏輯傳動： 制訂傳動計劃，在測點傳動，SCS邏輯靜態(tài)傳動的過程中，要同時驗證畫面是否正確。并組織電科院專業(yè)技術人員對MCS、RB、一次調(diào)頻、AGC、協(xié)調(diào)等邏輯進行檢查修改，并進行靜態(tài)傳動（仿真），確保邏輯正確。（4）設備單體調(diào)試： 運行人員在單體試運過程中，檢修人員要全程參與，驗證邏輯畫面是否正確。 同時要對主要風機、泵進行動態(tài)聯(lián)鎖試驗，確保主要設備聯(lián)鎖正常。（5）帶負荷邏輯性能測試：MCS、協(xié)調(diào)邏輯優(yōu)化，RB，一次調(diào)頻、AGC試驗數(shù)據(jù)合格。

5　結語

總之，火力發(fā)電廠DCS系統(tǒng)經(jīng)過長時間的運行后，系統(tǒng)硬件老化發(fā)生故障的頻率會越來越高，進而對整個電廠的安全穩(wěn)定運行造成嚴重的影響，因此電廠應根據(jù)自身的條件進行系統(tǒng)改造以及相關硬件更換等，以切實降低由系統(tǒng)硬件老化帶來的不利影響。

作者簡介：

郭志軍（1975-），男，陜西神木人，本科，現(xiàn)就職于陜西國華錦界能源有限責任公司，研究方向為火電廠熱控設備可靠性研究。

參考文獻：

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摘自《自動化博覽》2017年7月刊