國產DCS系統在60OMW機組的應用

　　一、應用背景
　　
　　經濟要發展，電力須先行;電力要發展，控制要先行。
　　
　　隨著機組的容量不斷增大，參數不斷增高，需檢測的點數也在不斷增加，60OMW機組需檢測的測點數大約在l0000點左右。DCS控制系統作為發電機組的神經控制系統，其安全性、穩定性、性直接關系到發電機組運行的安全性和經濟性。
　　
　　由于我國DCS技術發展的時間相對較短，經驗和技術相對不足。長期以來，出于安全和技術上的考慮，國內60OMW及以上大型火力發電機組的DCS控制，一直是引進國外DCS生產廠家的控制系統。國內尚沒有60OMW火電機組使用國產DCS控制系統的先例。
　　
　　隨著我國自動化工業控制系統的迅速發展，國內DCS生產廠家的技術水平己經達到或接近了*水平。我國自動化協會專家認為: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，因而它對控制系統的要求是相同的。由于60OMW機組的熱力系統和輔助系統比30OMW機組復雜，故I/0點數略多，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DCS還有以下優點:售后服務方便快捷，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發電機組DCS采用和利時公司的DCS系統的原因所在。
　　
　　二、系統介紹
　　
　　1.系統構成
　　
　　陜西國華錦界能源有限責任公司4×60OMW發電機組DCS控制系統包括:數據采集系統（DAS）、模擬量控制系統（MCS）、鍋爐爐膛安全監控系統（FSSS）、順序控制系統（SCS）、汽機空冷控制系統、旁路控制系統（BPC）、鍋爐定期排污控制系統等各項控制功能，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。
　　
　　2.60OMW發電機組DCS設計的安全準則
　　
　　（1）單一故障不應引起DCS系統的整體故障;
　　
　　（2）單一故障不應引起鍋爐或汽機發電機保護系統的誤動作或拒動作;
　　
　　（3）控制功能的分組劃分應使得某個區域的故障將只是部分降低整個控制系統控制功能，此類控制功能的降低應能通過運行人員干預進行處理;
　　
　　（4）控制系統的構成應能反映電廠設備的冗余配置，以使控制系統內單一故障不會導致運行設備與備用設備同時不能運行。
　　
　　為滿足上述安全準則，控制系統包括各種可行的自診斷手段，目的是內部故障能在對過程造成影晌之前被檢測出來。
　　
　　3.冗余設計
　　
　　重要設備，需要采用冗余設計。其中包括:
　　
　　（1）系統歷史數據站:雙冗余，熱備份，無擾切換;
　　
　　（2）網絡:介質四冗余，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，可以實現多機冗余;
　　
　　（4）現場控制站的主控單元（DPU）:雙冗余，熱備份，無擾切換;
　　
　　（5）現場控制站的主控單元（DPU）上的以太網卡:雙冗余，熱備份;
　　
　　（6）現場控制站內的24V系統電源:均流1:1冗余;
　　
　　（7）現場控制站內的48V現場電源:均流1:1冗余;
　　
　　4.系統余量
　　
　　系統配置留有15%余量，便于功能的調整、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.其他技術要點
　　
　　在現場控制站硬件設計中采用大量的*技術，模塊采用低功耗元器件，降低整體的熱損耗，同時在機柜中設計通暢的風道，以滿足電站的環境要求。
　　
　　對于電源和輸入設備，嚴格電磁兼容性設計要求，設計合理的電路，選用適當的元器件，達到IEC6l000-4/GBl7626-1998中的要求。
　　
　　為了避免在故障狀態下的故障輸入信號損壞系統，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，使模塊內外在電氣上分離，對于信號端子上的高電壓竄入，瞬態高壓可以靠可自恢復的TVS器件吸收，不會損壞系統，對于長時間的高電壓信號只會影響本通道的數據采集。
　　
　　在I/0模塊中，DCS系統采用了PROFlBUSDP現場總線技術，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。支持實時的狀態顯示，可實時顯小本模塊的運行狀態和通信狀態。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備，包括系統工程師站、操作員站、歷史數據站等均采用美國DELL公司的高性能計算機。
　　
　　和利時公司基于對象化設計和軟件組件技術，提供了一套開放的、模塊化和可伸縮的軟件平臺。將軟件體系結構從對硬件體系結構嚴重依賴中解脫出來，使軟件系統從分散型過渡到分布式處理，軟件功能與硬件設備分離，服務器和客戶機成為軟件概念，可以靈活配置系統。基于軟件總線技術，以分布式實時數據庫為核心，各種功能設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整體的運行。例如:備用服務器事件處理組件發生故障，只會影響到備用服務器事件記錄，而不會造成整個備用服務器的崩潰。同時在軟件上，設置了任務診斷組件，可以實時地對各種任務進行診斷，一旦發現某個任務處于失控或故障狀態，能夠自動修復或提示人工處理。對于重要的軟件組件，系統配置了冗余組件，在不同的硬件設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，對于客戶端沒有任何影響，客戶端也無需關心是誰提供服務，無需在客戶端進行切換。對于眾多的通信接口設備，在系統設計上采用通信驅動的方式，增加一種新的外部設備，不需要更改系統的原有程序，只需要增加一個驅動程序，進行通信管理，用標準接口與實時數據庫進行，收發數據。
　　
　　為了保證系統安全，SIS系統通信站設置有防火墻，可防止外部的非法侵入和各類病毒的侵害。數據通信過程中，其他計算機系統或局域網同DCS系統無網絡的直接連接，中間都經過通信站或相應通信接口轉發。系統之間相對獨立，有故障不會相互影響。
　　
　　6.網絡構成
　　
　　MacsV控制系統由上下兩個網絡層次組成:監控網絡和控制網絡。上層監控網絡主要用于工程師站、操作員站和現場控制站通信連接;下層控制網絡存在于各個現場控制站的內部，主要用于主控單元和智能I/0單元的通信連接。網絡結構如圖所示。　　
　　三、系統維護申遇至的問題
　　
　　通過國華錦能公司投產以來及在投產之前的調研情況可以看出，國產DCS產品價格低和同類型的Dcs產品。相比有看非常可觀的性價比優勢，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技術是代表國內DCS領域*的產品之一，在30OMW及以下機組應用較為成熟，但在30OMW以上機組尚無3年以上運行業績，陜西國華錦界能源有限責任公司所使用的控制系統是和利時DCS控制系統應用于60OMW火力發電機組，因此在應用過程中引起了國內相關單位和行業的重視。陜西國華錦界能源有限責任公司的技術人員提出"國產DCS在60OMW火力發電機組應用專題研究"課題，旨在與和利時公司及行業內各專業技術人員一道，充分利用國內外技術資源，應用現代科學和試驗手段，從實踐中挖掘存在的深層次問題。通過調研、試驗、科學計算、技術改進等方式，切實解決國產DCS技術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驗等方式，制定和優化60OMW機組的控制策略，提高國產DCS在60OMW火力發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DCS系統在大機組安全經濟運行的維護管理模式。
　　
　　以下是該系統實際應用中遇到的一些問題與解決方法:
　　
　　（1）根據收集情況發現操作員站經常死機，但未出現因死機發生跳機事故，和利時公司就死機現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象，這種現象在和利時公司在其他電廠的應用中也有類似情況的發生。經過和利時公司和相關單位的研究發現，造成這種結果的可能性是多次增量下裝會在控制單元中產生垃圾文件，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內部電子元件溫度過高造成性能不穩定而導致的。對此我們嚴格按照和利時硬件技術要求對控制器的環境溫度進行了控制。
　　
　　（4）由于和利時DCS與赫斯曼交換機之間存在兼容性問題，DCS系統經常出現一些網絡故障。經過和利時技術開發人員的核實確認是一個誤發信號，由于和利時DCS與赫斯曼交換機是初次合作，在主控的程序設計上對網絡故障的判斷不準確，經過停機系統升級后正常。
　　
　　（5）和利時DCS系統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系統采用了分步式數據結構，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。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定在固定的趨勢組里面做了相關的趨勢，以方便日常管理和事故調查。
　　
　　（6）由于陜西國華錦能公司目前的MACSV系統是原來SMARTPRO系統的升級版，產生的歷史數據在不同的系統服
　　
　　務器中。這就要求數據的備份要及時，但是不會對機組的正常運行造成隱患。
　　
　　（7）DCS系統出現過檢測不到跳閘指令現象。對于各種泵的跳閘指令信號目前都是被其合閘狀態復位，完成時間在毫秒級，而服務器采集開關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三個域的歷史數據全部為零，可能由于GPS校時信號和系統服務器時間不同步，在相差的時間段內使各個服務器傳輸的數據均為零。和利時公司開發部門協同我們一起經過研究對DCS軟件程序進行了修改后，停機系統升級該問題巴得到了解決。
　　
　　（9）近日，出現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，使得該控制站的設備處于癱瘓狀態。在和利時技術人員的協助下將兩個主控單元均更換為新主控后，出現A主控的SNETl故障并迅速恢復的現象，在系統狀態上圖表現為A主控的128網變為離線狀態并迅速恢復，同時在設備日志記錄此過程。此現象在以前更換新主控的過程中曾多次出現，主、從切換后仍然存在此問題。依據和利時給出的解決方法，將相應域的備用服務器注銷并重新登錄后，問題得以解決。
　　
　　四、總結
　　
　　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DCS技術目前所存在的實際問題，大大降低國產DCS在大型火力發電機組的技術風險，提高系統的安全可靠性;對各種DCS的技術特點、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乃至全國大型機組DCS的國產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項目推廣應用國產DCS技術，降低投資和生產運營成本、提高競爭優勢提供寶貴的經驗;該研究項目的成功也將使國產DCS技術突破60OMW火力發電機組應用的零業績，為國產DCS在國內外能源、化工、冶金等各行業的大力推廣應用產生深遠的影響，為國家民族產業的發展和國民經濟的發展做出積極的貢獻。