國產(chǎn)DCS系統(tǒng)在60OMW機組的應用

　　一、應用背景
　　
　　經(jīng)濟要發(fā)展，電力須先行;電力要發(fā)展，控制要先行。
　　
　　隨著機組的容量不斷增大，參數(shù)不斷增高，需檢測的點數(shù)也在不斷增加，60OMW機組需檢測的測點數(shù)大約在l0000點左右。DCS控制系統(tǒng)作為發(fā)電機組的神經(jīng)控制系統(tǒng)，其安全性、穩(wěn)定性、性直接關(guān)系到發(fā)電機組運行的安全性和經(jīng)濟性。
　　
　　由于我國DCS技術(shù)發(fā)展的時間相對較短，經(jīng)驗和技術(shù)相對不足。長期以來，出于安全和技術(shù)上的考慮，國內(nèi)60OMW及以上大型火力發(fā)電機組的DCS控制，一直是引進國外DCS生產(chǎn)廠家的控制系統(tǒng)。國內(nèi)尚沒有60OMW火電機組使用國產(chǎn)DCS控制系統(tǒng)的先例。
　　
　　隨著我國自動化工業(yè)控制系統(tǒng)的迅速發(fā)展，國內(nèi)DCS生產(chǎn)廠家的技術(shù)水平己經(jīng)達到或接近了*水平。我國自動化協(xié)會專家認為:就亞臨界的60OMW機組而言，與30OMW機組相比，除容量不同外，其機組特點和性能基本相同，因而它對控制系統(tǒng)的要求是相同的。由于60OMW機組的熱力系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)比30OMW機組復雜，故I/0點數(shù)略多，一般為7000-8000點，而目前DCS的通信速率已達到lOMbps/lOOMbps,實時通信容量可達每秒10000點以上。
　　
　　所以，在30OMW機組上應用的DCS，同樣可以適用于60OMW機組。另外選擇國產(chǎn)DCS還有以下優(yōu)點:售后服務(wù)方便快捷，運行費用相應降低，培訓學員方便，不必儲存大量備品、配件，這也正是陜西國華錦界能源有限責任公司4×60OMW發(fā)電機組DCS采用和利時公司的DCS系統(tǒng)的原因所在。
　　
　　二、系統(tǒng)介紹
　　
　　1.系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　陜西國華錦界能源有限責任公司4×60OMW發(fā)電機組DCS控制系統(tǒng)包括:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）、模擬量控制系統(tǒng)（MCS）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、順序控制系統(tǒng)（SCS）、汽機空冷控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)（BPC）、鍋爐定期排污控制系統(tǒng)等各項控制功能，是集軟硬件于一體的能夠完成全套機組啟、停、正常運行、變工況等各項功能的控制系統(tǒng)。
　　
　　2.60OMW發(fā)電機組DCS設(shè)計的安全準則
　　
　　（1）單一故障不應引起DCS系統(tǒng)的整體故障;
　　
　　（2）單一故障不應引起鍋爐或汽機發(fā)電機保護系統(tǒng)的誤動作或拒動作;
　　
　　（3）控制功能的分組劃分應使得某個區(qū)域的故障將只是部分降低整個控制系統(tǒng)控制功能，此類控制功能的降低應能通過運行人員干預進行處理;
　　
　　（4）控制系統(tǒng)的構(gòu)成應能反映電廠設(shè)備的冗余配置，以使控制系統(tǒng)內(nèi)單一故障不會導致運行設(shè)備與備用設(shè)備同時不能運行。
　　
　　為滿足上述安全準則，控制系統(tǒng)包括各種可行的自診斷手段，目的是內(nèi)部故障能在對過程造成影晌之前被檢測出來。
　　
　　3.冗余設(shè)計
　　
　　重要設(shè)備，需要采用冗余設(shè)計。其中包括:
　　
　　（1）系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)站:雙冗余，熱備份，無擾切換;
　　
　　（2）網(wǎng)絡(luò):介質(zhì)四冗余，邏輯雙冗余，熱備份，無擾切換;
　　
　　（3）操作站:所有操作站功能相同，可以實現(xiàn)多機冗余;
　　
　　（4）現(xiàn)場控制站的主控單元（DPU）:雙冗余，熱備份，無擾切換;
　　
　　（5）現(xiàn)場控制站的主控單元（DPU）上的以太網(wǎng)卡:雙冗余，熱備份;
　　
　　（6）現(xiàn)場控制站內(nèi)的24V系統(tǒng)電源:均流1:1冗余;
　　
　　（7）現(xiàn)場控制站內(nèi)的48V現(xiàn)場電源:均流1:1冗余;
　　
　　4.系統(tǒng)余量
　　
　　系統(tǒng)配置留有15%余量，便于功能的調(diào)整、修改;zui忙時，控制器CPU的負荷率不大于30%，操作員站CPU的負荷率不大于40%。
　　
　　（1）內(nèi)部存儲器占有容量不大于50%，外部存儲器占有容量不大于40；
　　
　　（2）40%電源余量。電源分配柜考慮10%的回路備用量;
　　
　　（3）以太網(wǎng)通信總線的負荷率不大于15%；
　　
　　（4）操作員站允許zui大標簽量不少于10萬個。
　　
　　5.其他技術(shù)要點
　　
　　在現(xiàn)場控制站硬件設(shè)計中采用大量的*技術(shù)，模塊采用低功耗元器件，降低整體的熱損耗，同時在機柜中設(shè)計通暢的風道，以滿足電站的環(huán)境要求。
　　
　　對于電源和輸入設(shè)備，嚴格電磁兼容性設(shè)計要求，設(shè)計合理的電路，選用適當?shù)脑骷_到IEC6l000-4/GBl7626-1998中的要求。
　　
　　為了避免在故障狀態(tài)下的故障輸入信號損壞系統(tǒng)，在I/0模塊上采用了大量的保護和隔離措施，I/0模塊采用隔離措施，使模塊內(nèi)外在電氣上分離，對于信號端子上的高電壓竄入，瞬態(tài)高壓可以靠可自恢復的TVS器件吸收，不會損壞系統(tǒng)，對于長時間的高電壓信號只會影響本通道的數(shù)據(jù)采集。
　　
　　在I/0模塊中，DCS系統(tǒng)采用了PROFlBUSDP現(xiàn)場總線技術(shù)，I/0模塊均支持帶電熱插拔，所有的I/0模件均采用智能化設(shè)計，模件本身自帶CPU,負責通道信號掃描及信號預處理，然后通過現(xiàn)場總線（Profibus-DP）與主控單元通信。模件具有看門狗定時器電路，可使模塊在異常情況下自動復位。提供了模塊電流過載保護、DC24V反向保護、通信線箱壓保護。支持實時的狀態(tài)顯示，可實時顯小本模塊的運行狀態(tài)和通信狀態(tài)。I/0模塊分為2個部分，通用底座和模塊本體，底座采用35mm標準導軌安裝，通過密封的歐式連接器連接模塊本體，通過防混銷可以避免在錯誤位置上插入模塊本體。
　　
　　為了使系統(tǒng)具有可擴展和滿足將來維護的需要，選擇了通用的高性能計算機設(shè)備，包括系統(tǒng)工程師站、操作員站、歷史數(shù)據(jù)站等均采用美國DELL公司的高性能計算機。
　　
　　和利時公司基于對象化設(shè)計和軟件組件技術(shù)，提供了一套開放的、模塊化和可伸縮的軟件平臺。將軟件體系結(jié)構(gòu)從對硬件體系結(jié)構(gòu)嚴重依賴中解脫出來，使軟件系統(tǒng)從分散型過渡到分布式處理，軟件功能與硬件設(shè)備分離，服務(wù)器和客戶機成為軟件概念，可以靈活配置系統(tǒng)。基于軟件總線技術(shù)，以分布式實時數(shù)據(jù)庫為核心，各種功能設(shè)計成具有標準接口的軟件組件，按照具體的需求在具體的硬件設(shè)備上分配軟件功能。各種軟件組件之間采用軟件總線連接，每個組件具有良好的封裝，單個組件的故障不會影響到系統(tǒng)整體的運行。例如:備用服務(wù)器事件處理組件發(fā)生故障，只會影響到備用服務(wù)器事件記錄，而不會造成整個備用服務(wù)器的崩潰。同時在軟件上，設(shè)置了任務(wù)診斷組件，可以實時地對各種任務(wù)進行診斷，一旦發(fā)現(xiàn)某個任務(wù)處于失控或故障狀態(tài)，能夠自動修復或提示人工處理。對于重要的軟件組件，系統(tǒng)配置了冗余組件，在不同的硬件設(shè)備上運行相同功能的組件冗余組件、問相互診斷，互為熱備份。在當前運行組件故障時，在一個診斷周期后，備份組件自動替代故障組件，向外提供相同功能的服務(wù)，對于客戶端沒有任何影響，客戶端也無需關(guān)心是誰提供服務(wù)，無需在客戶端進行切換。對于眾多的通信接口設(shè)備，在系統(tǒng)設(shè)計上采用通信驅(qū)動的方式，增加一種新的外部設(shè)備，不需要更改系統(tǒng)的原有程序，只需要增加一個驅(qū)動程序，進行通信管理，用標準接口與實時數(shù)據(jù)庫進行，收發(fā)數(shù)據(jù)。
　　
　　為了保證系統(tǒng)安全，SIS系統(tǒng)通信站設(shè)置有防火墻，可防止外部的非法侵入和各類病毒的侵害。數(shù)據(jù)通信過程中，其他計算機系統(tǒng)或局域網(wǎng)同DCS系統(tǒng)無網(wǎng)絡(luò)的直接連接，中間都經(jīng)過通信站或相應通信接口轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)之間相對獨立，有故障不會相互影響。
　　
　　6.網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
　　
　　MacsV控制系統(tǒng)由上下兩個網(wǎng)絡(luò)層次組成:監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)。上層監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要用于工程師站、操作員站和現(xiàn)場控制站通信連接;下層控制網(wǎng)絡(luò)存在于各個現(xiàn)場控制站的內(nèi)部，主要用于主控單元和智能I/0單元的通信連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示。　　
　　三、系統(tǒng)維護申遇至的問題
　　
　　通過國華錦能公司投產(chǎn)以來及在投產(chǎn)之前的調(diào)研情況可以看出，國產(chǎn)DCS產(chǎn)品價格低和同類型的Dcs產(chǎn)品。相比有看非常可觀的性價比優(yōu)勢，而且在運行維護成本方面更有進口DCS所*的*性。
　　
　　雖然和利時DCS技術(shù)是代表國內(nèi)DCS領(lǐng)域*的產(chǎn)品之一，在30OMW及以下機組應用較為成熟，但在30OMW以上機組尚無3年以上運行業(yè)績，陜西國華錦界能源有限責任公司所使用的控制系統(tǒng)是和利時DCS控制系統(tǒng)應用于60OMW火力發(fā)電機組，因此在應用過程中引起了國內(nèi)相關(guān)單位和行業(yè)的重視。陜西國華錦界能源有限責任公司的技術(shù)人員提出"國產(chǎn)DCS在60OMW火力發(fā)電機組應用專題研究"課題，旨在與和利時公司及行業(yè)內(nèi)各專業(yè)技術(shù)人員一道，充分利用國內(nèi)外技術(shù)資源，應用現(xiàn)代科學和試驗手段，從實踐中挖掘存在的深層次問題。通過調(diào)研、試驗、科學計算、技術(shù)改進等方式，切實解決國產(chǎn)DCS技術(shù)目前所存在的實際問題;通過聘請專家、借鑒同類型機組實施的成功經(jīng)驗等方式，制定和優(yōu)化60OMW機組的控制策略，提高國產(chǎn)DCS在60OMW火力發(fā)電機組運行的安全可靠性能;通過*臺機組短時間的運行維護試驗和風險評估手段，摸索出一條國產(chǎn)DCS系統(tǒng)在大機組安全經(jīng)濟運行的維護管理模式。
　　
　　以下是該系統(tǒng)實際應用中遇到的一些問題與解決方法:
　　
　　（1）根據(jù)收集情況發(fā)現(xiàn)操作員站經(jīng)常死機，但未出現(xiàn)因死機發(fā)生跳機事故，和利時公司就死機現(xiàn)象主要采取如下措施:在操作臺后增加4臺散熱風扇;將版本較低3COM商用交換機更換為赫斯曼工用交換機。自投運以來未曾出現(xiàn)過死機的情況。
　　
　　（2）SOE采用板卡，通用性較差，和利時公司加大在這方面的研究力度，目前已能夠滿足日常的需求。
　　
　　（3）主從控制器自動切換現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在和利時公司在其他電廠的應用中也有類似情況的發(fā)生。經(jīng)過和利時公司和相關(guān)單位的研究發(fā)現(xiàn)，造成這種結(jié)果的可能性是多次增量下裝會在控制單元中產(chǎn)生垃圾文件，控制器會自動檢測到這些文件后并自動切換，也可能是由于SM203內(nèi)部電子元件溫度過高造成性能不穩(wěn)定而導致的。對此我們嚴格按照和利時硬件技術(shù)要求對控制器的環(huán)境溫度進行了控制。
　　
　　（4）由于和利時DCS與赫斯曼交換機之間存在兼容性問題，DCS系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)一些網(wǎng)絡(luò)故障。經(jīng)過和利時技術(shù)開發(fā)人員的核實確認是一個誤發(fā)信號，由于和利時DCS與赫斯曼交換機是初次合作，在主控的程序設(shè)計上對網(wǎng)絡(luò)故障的判斷不準確，經(jīng)過停機系統(tǒng)升級后正常。
　　
　　（5）和利時DCS系統(tǒng)不能將不同趨勢域的信號趨勢曲線放在同一趨勢畫面中，由于MACSV系統(tǒng)采用了分步式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所以有了"域"的概念，無法將不同域的測點曲線放到同一趨勢畫面中內(nèi)。這種情況給我們的事故分析和日常管理帶來了很大的困難，針對這種情況我們規(guī)定在固定的趨勢組里面做了相關(guān)的趨勢，以方便日常管理和事故調(diào)查。
　　
　　（6）由于陜西國華錦能公司目前的MACSV系統(tǒng)是原來SMARTPRO系統(tǒng)的升級版，產(chǎn)生的歷史數(shù)據(jù)在不同的系統(tǒng)服
　　
　　務(wù)器中。這就要求數(shù)據(jù)的備份要及時，但是不會對機組的正常運行造成隱患。
　　
　　（7）DCS系統(tǒng)出現(xiàn)過檢測不到跳閘指令現(xiàn)象。對于各種泵的跳閘指令信號目前都是被其合閘狀態(tài)復位，完成時間在毫秒級，而服務(wù)器采集開關(guān)量點一秒一秒的采集，并將其顯示在畫面上，所以在較大的掃描周期內(nèi)存在著檢測不到跳閘指令。對此我們在跳閘指令信號的出口增加了2S的脈沖信號來防止這種情況。
　　
　　（8）DCS三個域的歷史數(shù)據(jù)全部為零，可能由于GPS校時信號和系統(tǒng)服務(wù)器時間不同步，在相差的時間段內(nèi)使各個服務(wù)器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均為零。和利時公司開發(fā)部門協(xié)同我們一起經(jīng)過研究對DCS軟件程序進行了修改后，停機系統(tǒng)升級該問題巴得到了解決。
　　
　　（9）近日，出現(xiàn)了一次由于運行的主控死機導致備用主控無法啟動的情況，使得該控制站的設(shè)備處于癱瘓狀態(tài)。在和利時技術(shù)人員的協(xié)助下將兩個主控單元均更換為新主控后，出現(xiàn)A主控的SNETl故障并迅速恢復的現(xiàn)象，在系統(tǒng)狀態(tài)上圖表現(xiàn)為A主控的128網(wǎng)變?yōu)殡x線狀態(tài)并迅速恢復，同時在設(shè)備日志記錄此過程。此現(xiàn)象在以前更換新主控的過程中曾多次出現(xiàn)，主、從切換后仍然存在此問題。依據(jù)和利時給出的解決方法，將相應域的備用服務(wù)器注銷并重新登錄后，問題得以解決。
　　
　　四、總結(jié)
　　
　　該項目在陜西國華錦界能源有限責任公司的成功應用，切實解決國產(chǎn)DCS技術(shù)目前所存在的實際問題，大大降低國產(chǎn)DCS在大型火力發(fā)電機組的技術(shù)風險，提高系統(tǒng)的安全可靠性;對各種DCS的技術(shù)特點、安全性、造價、運行成本等各方面進行綜合比較，為集團公司電力事業(yè)乃至全國大型機組DCS的國產(chǎn)化做一個開拓性的嘗試。該研究項目的成功實施將為集團公司電力建設(shè)項目推廣應用國產(chǎn)DCS技術(shù)，降低投資和生產(chǎn)運營成本、提高競爭優(yōu)勢提供寶貴的經(jīng)驗;該研究項目的成功也將使國產(chǎn)DCS技術(shù)突破60OMW火力發(fā)電機組應用的零業(yè)績，為國產(chǎn)DCS在國內(nèi)外能源、化工、冶金等各行業(yè)的大力推廣應用產(chǎn)生深遠的影響，為國家民族產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和國民經(jīng)濟的發(fā)展做出積極的貢獻。