国产DCS系统在火力发电厂应用及常见故障处理

国产DCS系统在火力发电厂应用及常见故障处理【摘要】火力发电厂肩负着电能生产的重要责任，机组的安全、稳定、可靠运行尤为重要。现阶段，国内大部分火电厂为了确保机组的正常运行，都采用了 DCS系统，该系统在保障机组运行方面效果显著。但是由于一些原因的影响，使得 DCS系统常常会出现故障，这严重影响机组的运行稳定性，为此，必须针对这一问题采取有效的处理对策加以解决。基于此点，本文结合神华陕西国华锦界能源有限责任公司4×600MW机组DCS系统，就火力发电厂 DCS系统的常见故障与处理对策展开研究。【关键词】火电厂;DCS系统;故障;运行可靠性火电厂DCS系统常见故障现象及其原因分析虽然各个火电厂采用的 DCS系统均不相同，但是 DCS系统的故障性质却基本大同小异，可将系统故障大致分为以下三大类 :即硬件故障、软件故障和人为故障。1.1硬件故障这是DCS系统最为常见的故障类型之一，主要是由于系统本身硬件引起的，具体又分为以下几种:1.1.1DPU主控单元故障。常见的故障现象有 DPU脱网、无法正常初始化和切换等等。其中以无法正常初始化较为常见，引起此类故障的原因主要是主 DPU和辅DPU之间的下位机程序出现异常，从而导致 DOC芯片不兼容;引起DPU脱网的原因有电气元件老化、散热器损坏、主板电容烧损、通讯端子接触不良等等。同时 DPU运行的负载率过高也会导致 DPU死机脱网，间接会造成 DCS系统运转失灵。2013年4月4日上午08时45分，#2机DCS系统#24站B主控单元异常。热控人员检查发现#24号站B主控单元处于离线报警状态，A主控单元(主机)状态指示正常，B主控单元(从机)状态指示正常，但两个主控 RNET(备用网络指示灯)灯均未亮，经查看报警日志发生故障时间为 2013年4月4日06时51分40秒，B主控故障前为从机。分析为主控单元冗余网卡故障，经专业技术人员讨论制定详细的处理预案，更换故障的DPU主控单元后系统恢复正常。1.1.2I/O 卡件故障。此类故障主要包括 I/O通道故障、通讯电缆接触不良、端子板接线不正确、电气元件陈旧老化、强电串入损坏卡件等等。 2006年国华锦界投产初期，曾发生疑似DCS系统DO误发指令导致设备误跳闸。经专家分析DCS系统DO控制设备误动可能是因主控的双口RAM在快速重复搬运数据或干扰时，造成数据搬运错误，所以在主控中对双口RAM搬运的数据进行了加密处理。和利时公司制定出主控升级方案:在主控中对IEC算法逻辑运算后的数据进行加密，再放到内存中;双口RAM搬运时，如发现数据不对就扔掉，重新获取 IEC运算输出数据，扩大加密范围，增强系统抵抗电源干扰能力和容错功能。经升级后的系统再未发生因DO指令误发导致的设备跳闸情况发生。1.2软件故障引起此类故障的主要原因是 DCS系统软件自身的问题。通常情况下，可将 DCS系统的软件故障分为系统软件故障和应用软件故障两种，前者多是由系统自带的，如系统设计时考虑的不周全，在执行某些命令时便会引发故障，从而造成系统停机和死机等问题;DCS系统的应用软件一般都是使用者自己编写的，在具体应用中，由于这类软件的编写工作比较复杂并且工作量非常大，所以一不小心便会出错，而一旦编写错误便会使软件应用时出现问题，如图形组态画面与生产现场实际情况不符、阀门位置序列号标识错误等等。1.3人为故障所谓的人为故障实质上就是操作不当引起的故障。在 DCS系统正常运行过程中，时常会出现某项功能无法正常使用会使某个控制部分不正常工作的情况，但 DCS系统本身却并没有故障，此类问题多数是因为操作人员对 DCS系统的功能不熟悉或是操作不熟练造成错误操作引起的。尤其是一些初次接触 DCS系统的操作者，由于他们实践经验较少，所以常常会出现误操作的现象。系统设计阶段2.1DCS系统硬件配置要提高DCS系统的安全可靠性，增强 DCS系统本身抵御事故能力是关键，在系统设计时必须重点考虑系统配置这个因素。近年来，国内 DCS系统发生的故障，如恶性的系统瘫痪、操作员站部分或全部死机及局部系统失灵等典型故障，大多与系统硬件配置不当有关，主要表现为资源配置过紧，处理器配置过少， CPU负荷率太高;处理器的配置不满足分散度的要求，危险过度集中;I/O点配置不合理，很多重要保护和调节用信号集中在一块I/O板上或集中在一个站内等。因此在设计过程中首先应充分考虑DCS系统硬件配置的裕度，保证控制器的CPU负荷率，《火力发电厂设计技术规程》中规定控制器的CPU负荷率应在40%以下，实际应用中考虑到设备老化和使用中增加系统容量或其它相关功能，在设计初始阶段一般要求将控制器CPU负荷率指标定在 20%-30%，最好在25%以下，不能因节省经费而影响系统性能 ;其次，处理器的配置应满足分散度要求，保持重要保护系统和调节系统的相对独立，不能为降低处理器负载、均衡处理任务而放弃工艺、功能划分原则。图1. 控制系统配置图另外，在配置I/O点时必须坚持重要保护、调节信号分散配置的原则，重要保护和调节用信号不能集中在一块 I/O板上，用于同一保护和调节系统的信号最好不配置在同一个控制站内。锦能公司在项目设计时 DCS系统硬件配置裕度较大，重要信号的分布考虑了分散的要求，自 2006年改造至今，没有出现过影响机组安全的系统故障。系统电源和网络配置 DCS系统的电源和通迅网络是 DCS系统可靠工作的重要保证，各分散控制系统厂家和各发电厂对 DCS系统的配电和网络硬件配置都非常重视。但近年来国内还是有因电源和通讯问题导致的机组跳闸甚至扩大至设备损坏的案例。笔者认为主要存在以下几个方面的问题。2.2.1电源切换装置切换时间过长。关于电源切换时间，《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》中明确规定应不小于5ms(应能保证控制器不初始化 )，但实际上很多 DCS厂家提供的电源切换装置都达不到切换时间小于 5ms的标准，但在出厂测试时基本都能满足保证控制器不初始化的要求。对于这一问题，笔者建议在 DCS系统出厂验收时在进行电源切换试验的同时，一定要坚持进行电源切换时间测试，要求厂家达到规定的标准 ;同时，在以后的使用过程中定期对电源切换时间进行测试，发现切换时间过长及时处理。2.2.2 关于DCS系统供电方式现很多电厂都采用两套 UPS系统并列运行的方式(两套UPS共用一条母线)，DCS系统的两路电源也都引自 UPS并列运行的公用母线，这种设计存在 UPS电源故障引起机组跳闸的危险。笔者认为 :DCS系统的供电方式最好采用双路 UPS冗余方式，但电源进线必须接在不同的供电母线上 ;如没有两套完全独立的 UPS电源，也可以采用一路UPS电源、一路保安电源的供电方式，但考虑到保安电源没有 UPS电源稳定，最好在电源切换装置中设计闭锁辅路电源功能，保证在 UPS电源正常的情况下，DCS系统由UPS电源供电。控制和保护系统的两路独立供电电源，优先考虑单路独立运行就可以满足控制系统容量要求的二路不间断电源 (UPS)供电，正常运行时各带一半负荷同时工作，确保电源切换对系统不产生扰动。当采用一路不间断电源(UPS)、一路保安电源供电时，如保安电源电压波动较大，应增加一台稳压器以稳定电源。2.2.3操作员站的供电方式是 DCS系统设计比较薄弱的环节很多发电厂的操作员站和工程师站都只有一路电源供电。随着火电厂自动化水平的不断提高，操作员站成了运行人员与运行机组的核心纽带，对操作员站的可靠性要求越来越高，对操作员站的供电方式也应采用冗余切换方式，同时还应将操作员站的电源分散配置，尽量避免所有操作员站电源取自同一配电柜，降低所有操作员站同时瘫痪的危险。2.2.4通讯网络是DCS系统的工作平台各DCS厂家也都对网络采取了冗余措施，但仍存在一些问题。首先表现在冗余不彻底之，交换机与交换机间的通讯光缆没有冗余(或冗余光纤共用一根光缆)或光端机没有冗余等;其次，对同一厂内不同机组的DCS系统(包括共用系统、辅控系统)在建立“I/O点目录"、"标签名称"等方面没有总体规划，在接口通讯中留下刷新、覆盖，进而引发通讯瘫痪的危险。笔者建议在进行 DCS系统设计时对通讯网络的硬件配置要保证真正的冗余，不能存在因某一硬件故障影响网络通讯的局部瓶颈;在定义“I/O点目录"、"标签名称"等数据库时要总体规划，避免同一厂内不同机组的DCS系统的“I/O点目录"、"标签名称"等重名;操作员站的网线连接应避免接在同一对交换机上，防止因交换机之间的通讯硬件设备出现故障时部分被控设备失去监控或该交换机故障引起所有操作员站瘫痪。锦能公司DCS系统锦能公司DCS系统采用赫斯曼POWERMICE型交换机，全双工网段采用PAUSE方案，半双工网段通常采用backpressure方案。其通讯方式为C/S结构，其对服务器依赖性较大，由于其工业特性以及对数据实时性的要求，对网络结构和网络传输性能较一般性民用网络相比有更严格的要求，工业以太网络是解决这一问题的首选方案。解决火电厂DCS系统故障问题的有效处理对策通过上文对DCS系统故障分析可知，引发系统故障的主要原因是系统自身问题和人为操作问题，所以想要确保 DCS系统的稳定运行，应当从这两方面着手解决，具体可采取以下措施。3.1加大对系统的运行维护力度3.1.1借助网络测试仪器对 DCS系统进行定期和不定期的通信负荷率测试，确保机组发生问题时，网络负荷率控制在规定范围内 ;3.1.2可以借助机组检修的机会，对 DCS系统的DPU进行逐个复位，同时将组态当中存在的无效 I/O节点删除掉，借此来对 DPU组态进行优化。此外，还应对DCS模件、滤网和机柜等进行清洁，避免灰尘积聚应用系统正常运行 ;3.1.3建议有条件的火电厂应当将 DCS系统网络改为双层网络拓扑机构，借此来使管理和系统两个网络分开，这有利于提高 DCS运行网络的稳定性和可靠性 ;3.1.4应当做好巡检和定期检查工作，并将检查重点放在以下环节上 :定期对DCS系统的风扇进行检查，看其是否运转正常，风道有无堵塞的情况 ;对各个通讯线路进行检查，看其连接是否牢固可靠、接口是否存在异常 ;定期对各个端子、模件进行检测试验，以确保其能够始终处于最佳运行状态 ;加强对机组运行过程中设备的维护和巡检力度，认真检查通讯状态，避免因通讯故障的发生引起系统失灵 ;3.1.5为了确保系统运行的安全性，应当在 DCS系统那个与其它系统的接口上加装防火墙，并在系统与 CRT之间设置异常报警;3.1.6要做好系统故障应急措施，并将故障紧急处理、安全、技术以及检修步骤等编写成册，借此来确保机组的安全、可靠、稳定运行。此外，在对 DCS故障进行处理和常规维护保养时，必须严格按照设备厂商提供的指导意见书进行操作，以免引起不必要的问题。3.1.7在对DCS系统进行升级改造的过程中，应当认真做好调研工作，并对升级方案加以完善，同时还要选择好相应的技术和安全措施，以此来确保 DCS系统以及机组设备能够安全、稳定运行。3.2预防人为故障的措施首先，应当防止人为的误改以及误动，这是避免人为操作故障发生的有效途径之一;其次，应当加强对操作人员的岗位培训力度，特别是要针对新上岗的操作人员进行专项培训，使他们能够对DCS系统的相关操作有所了解和掌握，以免在实际工作中因错误操作引起系统故障;再次，应当建立健全相关的管理制度。想要有效杜绝人为误操作的情况发生，除了提高操作者的技术水平之外，火电厂还应当制定切实可行的监护和批准制度，为了建立高效的热控设备故障应急处理机制，以确保机组运行过程中发生控制系统故障时能够迅速、可靠地组织故障处理，最大限度地降低故障造成的影响，锦能公司根据具体情况，用制度对员工加以规范，并制定相应的奖惩措施，对于因严重误操作导致系统故障引起重大损失的应当追求当事