姜烈偉

(廣東粵電集團有限公司韶關(guān)發(fā)電廠，廣東省韶關(guān)市512132)

0 引言

廣東省韶關(guān)發(fā)電廠10號機組為300MW燃煤機組，配置東方鍋爐廠根據(jù)引進美國福斯特·惠勒(FOSTER WHEELER)公司技術(shù)制造的 DG1025/18.2-II10型燃用無煙煤鍋爐，配置東方汽輪機廠制造的N300-16.7/537/537-4型亞臨界、中間再熱、高中壓合缸、雙缸雙排汽單軸布置凝汽式汽輪機。10號機組于2001年3月15日移交生產(chǎn)。該機組分散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)采用美國ABB貝利公司的INFI 90分散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由三大部分組成:操作員接口站、工程師工作站、通信網(wǎng)絡(luò)和計算機接口單元以及過程控制單元。其中過程控制單元主要由通信模件、多功能處理器(multiple function processor，MFP)模件和雙層結(jié)構(gòu)的控制總線等組成，1個過程控制單元可掛接32個MFP模件，1個MFP可帶64個I/O模件，通過功能碼進行軟件組態(tài)，采用存儲轉(zhuǎn)發(fā)的環(huán)狀通信方式［1］，可實現(xiàn)各種反饋控制、順序控制、批量控制等。MFP模塊既有很強的數(shù)據(jù)處理能力，組成適應(yīng)各種控制的系統(tǒng)，又能借助本身獨立的通信口進行各種數(shù)據(jù)交換，滿足控制的需要，從而使其成為 INFI 90系統(tǒng)中實現(xiàn)控制的核心。

本文通過對INFI 90分散控制系統(tǒng)MFP模件的故障分析，在論證BRC-300控制器與MFP模件能夠兼容工作的可行性后，利用控制通道總線實現(xiàn)BRC-300控制器與MFP模件之間的通信，避免因MFP模件故障而導致機組非計劃停運。在2011年9月機組檢修期間，將29對MFP模件中的10對故障MFP模件升級為BRC-300控制器。實際運行證明了該設(shè)計方案的正確性，實現(xiàn)了BRC-300控制器與MFP模件在INFI 90系統(tǒng)中兼容，應(yīng)用至今，效果顯著。

1 設(shè)備簡介

10號機組的DCS系統(tǒng)設(shè)有11個控制柜，29對互為冗余的MFP模件。控制柜按功能劃分，分控5個子系統(tǒng):(1)模擬量控制系統(tǒng);(2)爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)和鍋爐燃燒管理系統(tǒng);(3)輔機順序控制系統(tǒng);(4)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng);(5)汽輪機數(shù)字電液控制系統(tǒng)。MFP是INFI 90系統(tǒng)完成上述5個系統(tǒng)過程控制的核心模件，它是一個高集成度、高模件化、高效能的微處理器，能完成多種類型的過程控制和數(shù)據(jù)采集。為提高系統(tǒng)的可靠性和控制的完整性，MFP模件一般采用冗余配置［2］，在冗余方式上不占用通信總線，1對冗余的MFP，使用同一個地址掛在控制通道上，共同支持子總線。從現(xiàn)場獲得信息，它們同時接收數(shù)據(jù)，同時做控制運算，但只有1個輸出運算結(jié)果［3］。在實際工作時，以一個MFP設(shè)置為主控來完成過程控制，另一個MFP設(shè)置為處于熱備狀態(tài)的副控，此模件只從現(xiàn)場獲得信息而不能輸出信號。一旦主控MFP發(fā)生故障，備用的MFP自動進入工作狀態(tài)，而切換過程是無擾的。

2 設(shè)備現(xiàn)狀及故障分析

2.1 設(shè)備現(xiàn)狀

MFP模件在實際運行中的主要狀況為:第一，經(jīng)常出現(xiàn)故障報警。一旦出現(xiàn)故障，檢修人員需立即開出工作票并查看故障的MFP模件的相關(guān)控制邏輯，通知運行人員。如果互為冗余的故障MFP模件同時離線需馬上啟動相應(yīng)的應(yīng)急預案。雖然故障模件在處理完成后，能夠正常運行一段時間，但是往往還會出現(xiàn)相同的故障，不僅嚴重影響機組的安全穩(wěn)定運行，還增加了檢修、運行人員的工作量［4］。第二，由于MFP模件已經(jīng)停產(chǎn)多年，備品很難采購到。第三，有時會出現(xiàn)互為冗余的MFP模件同時離線，導致運行人員根本無法判斷設(shè)備的運行狀況，甚至離線的MFP模件直接發(fā)出跳機信號，造成機組非計劃停運，致使在機組重新啟動過程中，消耗大量燃油，導致經(jīng)濟效益下降［5］。

通過查閱2010年3月1日至2011年6月1日DCS系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備缺陷記錄和運行操作記錄，統(tǒng)計了MFP模件的具體故障和次數(shù)，如表1所示。其中08－03－09表示為:8號控制柜3層第9塊模件，非易失隨機存取存儲器 (non-volatile random access memory，NVRAM)、只讀存儲器 (read-only memory，ROM)。通過表1可以看出，MFP模件平均每天出現(xiàn)故障次數(shù)最多的為0.87次，已對機組的安全運行構(gòu)成嚴重威脅。

表1 MFP模件故障及次數(shù)Tab.1 Failure frequency of MFP module

2.2 故障分析

通過查找設(shè)備缺陷記錄，發(fā)現(xiàn)導致出現(xiàn)表1中第1至6項以及第11、12項的MFP模件故障原因有3個:①MFP模件尾部的金手指存在不同程度的氧化現(xiàn)象［6］，從而使機組運行期間主、副控MFP不能正常通信而引發(fā)故障。②連接主、副控MFP模件的預制電纜插槽的金屬片發(fā)生應(yīng)力形變，直接導致MFP模件與預制電纜接觸不良，進而引起MFP模件異常。機組在運行過程中，MFP模件出現(xiàn)故障后，不能更換預制電纜，也就不能徹底消除故障，給機組的穩(wěn)定運行埋下安全隱患。③由于MFP模件已經(jīng)停止生產(chǎn)，購買的備品也是翻新、返修或其他電廠淘汰的二手模件，不能保證MFP模件性能穩(wěn)定。

雖然處于副控的MFP模件經(jīng)常出現(xiàn)故障，主控MFP模件還能正常工作，但是，一旦此時主控MFP模件也出現(xiàn)異常報警，或者主、副控模件均運行正常，但主控MFP模件出現(xiàn)故障后副控不能自動切換為主控，這2種情況對于正常運行的機組來說都是致命的。例如，2010年4月12日21:15，10號機組負荷為300MW，突然主燃料跳閘(main fuel trip，MFT)保護動作，聯(lián)跳汽機，但發(fā)電機未跳閘。檢修人員到達現(xiàn)場進行事故處理，檢查發(fā)現(xiàn)鍋爐跳閘首出信號為“汽機跳閘”，汽機跳閘首出畫面全部為粉色，于是對11號控制柜的卡件進行檢查，發(fā)現(xiàn)該柜11－03－11/12的1對MFP同時離線，具體故障如表1所示。檢修人員首先將主控MFP復位，然而復位后模件仍無法正常工作，隨后將副控MFP斷電，上電后模件工作正常。緊接著用1塊備用MFP模件更換故障的主控MFP模件，并初始化且邏輯拷貝完成后，考慮原副控MFP可能存在安全隱患，于是也對其進行更換備用MFP模件處理。在機組重新并網(wǎng)后，對更換下來的2塊MFP模件進行檢測，發(fā)現(xiàn)主控MFP已經(jīng)完全不能正常工作，副控MFP運行不穩(wěn)定。原因為:MFP模件從出廠至今已超過10年，電子元器件的可靠性大大降低，其中部分元器件已老化、損壞，從而引起MFP模件故障［7］。在查閱2塊MFP的控制邏輯及DCS系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，其邏輯控制點均為開關(guān)量點，其中包括汽機主汽門的狀態(tài)反饋和主汽門全關(guān)聯(lián)鎖跳閘鍋爐、發(fā)電機等邏輯。當主、副控MFP均故障后，汽機主汽門全關(guān)聯(lián)鎖跳閘鍋爐的信號(機組正常運行時該信號為1)狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，導致MFT保護動作。然后鍋爐再聯(lián)鎖汽機跳閘，而汽機主汽門全關(guān)聯(lián)鎖跳閘發(fā)電機信號(機組正常運行時該信號為0)保持不變，故DCS未向電氣發(fā)送聯(lián)鎖發(fā)電機跳閘信號。上述所有保護信號均由繼電器通過硬接線直接輸出至各保護系統(tǒng)［8］。

3 BRC-300控制器與MFP模件兼容工作的可行性論證

從原因分析中不難看出，為了消除隱患，確保INFI 90系統(tǒng)的控制器正常工作，必須對10號機組的MFP模件進行改造?？紤]到成本，故只針對以上表1中存在故障的MFP模件進行升級改造，改造后達到2個目的:第一，徹底解決現(xiàn)用MFP模件故障問題;第二，升級改造后保證其他MFP模件與新控制器能夠兼容工作。在查閱了INFI 90分散控制系統(tǒng)的相關(guān)資料后，BRC-300控制器能夠完全達到以上2個目的。

BRC-300控制器采用了目前最為先進的MCF5407，它是一個基于Coldfire V4的32位寬CPU(Central Processing Unit)，基于RISC架構(gòu)的CPU使得運算性能高達257MIPS，CPU同步獲取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，異步獲取通信口的數(shù)據(jù)，高速、高效地執(zhí)行ROM中的各種程序，讀取有電池后備隨機存儲器(random access memory，RAM)中的控制策略，以及進行相應(yīng)的運算，進而完成策略所規(guī)定的過程控制［9］。BRC-300控制器主要由微處理器、非易失隨機存取存儲器、隨機存取存儲器、只讀存儲器、直接存儲器存取電路和各種支持電路所組成。BRC-300控制器功能如圖1所示。BRC-300控制器使用控制總線完成與其他控制器的通信，控制總線接口使用了1個專用的集成電路，冗余的控制總線通過模件安裝單元背板上的印刷電路板工作。BRC-300控制器同時通過這2個通道進行數(shù)據(jù)的接收和傳遞，這2個通道在接收數(shù)據(jù)后，由控制器對其完成完整性校驗，通過這一方式，使由于電路板或模件安裝單元背板的電路故障給控制總線通信造成的影響減到最?。?0］。

圖1 BRC-300控制器功能框圖Fig.1 Functional block diagram of BRC-300 controller

在BRC-300控制器冗余配置時，2個控制器間使用1條通信鏈連接起來。當主模件處在執(zhí)行方式時，冗余模件處在熱備用方式，并且通過冗余鏈接收主模件功能塊輸出的拷貝，如果主模件產(chǎn)生故障，熱備用模件會通過該鏈完成切換而在線，控制過程不會中斷。因此，BRC-300控制器能夠完全解決MFP模件的現(xiàn)狀問題，徹底消除故障，同時BRC-300控制器可以向下兼容，這就使其能夠與MFP模件功能兼容。至此，可以確保INFI 90系統(tǒng)的控制器正常工作，實現(xiàn)了部分故障的MFP模件升級為BRC-300控制器，達到了升級改造后的目的。

4 方案設(shè)計及分析

4.1 軟件升級

10號機組工程師站組態(tài)軟件是Wintools版本，升級后的控制器BRC-300需要Composer4.2及以上版本才予以支持，而ABB最新版的Composer 5.0支持XP系統(tǒng)下穩(wěn)定運行，因此可直接把工程師站組態(tài)軟件升級為Composer 5.0版本。

(1)先將2臺工程師站系統(tǒng)及邏輯組態(tài)文件進行備份，邏輯組態(tài)再進行單獨光盤備份，以防止安裝系統(tǒng)時出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。先在其中一臺工程師站進行升級，安裝Windows XP SP3 EN操作系統(tǒng)，應(yīng)用軟件由Wintools升級為Composer 5.0。待軟件運行穩(wěn)定，可以安全地實現(xiàn)各種功能后，再將另一臺工程師站的應(yīng)用軟件進行升級。

(2)對原Wintools組態(tài)進行轉(zhuǎn)換升級，對轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的后綴名為log的文件進行保存，檢查轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的錯誤，與Wintools組態(tài)進行對比，按照原邏輯進行修改。

(3)升級后的組態(tài)文件與備份的控制器內(nèi)的邏輯組態(tài)進行對比，檢查不同的地方和出現(xiàn)的錯誤，Wintools在組態(tài)是引用塊處只需填寫相應(yīng)參數(shù)即可，而Composer 5.0是利用交叉參考名來識別和連接的，且要求在同一環(huán)路交叉參考不能同名。

(4)核對標簽是否轉(zhuǎn)換完整，標簽的數(shù)量是否正確，對部分標簽與操作員接口站(operator interface station，OIS)畫面標簽進行對比，驗證是否轉(zhuǎn)換正確。

(5)檢查轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)的塊之間的連接問題，并用線連接起來，Wintools組態(tài)中2個功能塊間只要接線端靠在一起即可以連接，而Composer 5.0要求2個功能塊間使用線連接。

(6)核查轉(zhuǎn)化每一個控制器的組態(tài)是否完整，編譯是否有錯，然后下裝到控制器進行測試。

4.2 硬件升級

控制通道是過程控制單元內(nèi)部使用的網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)過程控制單元的MFP模件之間的串行通信是1個1m波特的串行通信鏈，最多可支持32個多功能處理器MFP模件和網(wǎng)絡(luò)處理模件(network processing module，NPM)?？刂仆ǖ涝试S過程數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)和計算機數(shù)據(jù)的交換，也能處理組態(tài)下裝和參數(shù)整定。而主要負責控制器BRC-300之間的數(shù)據(jù)交換的控制通道總線，采用自由競爭式協(xié)議，無主從之分，為兩端不封閉的總線結(jié)構(gòu)，在同一時間內(nèi)只有1個節(jié)點在發(fā)送信息，而其他節(jié)點都在收取信息。

由于INFI 90采用多級通信結(jié)構(gòu)，通信系統(tǒng)的最上層為INFI-NET，是一個單方向的，高速串行數(shù)據(jù)高速公路，采用帶冗余的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，傳輸速率為10 Mbit/s。INFI-NET與過程控制單元的接口是冗余的網(wǎng)絡(luò)接口子模件(network interface subnet-model，NIS)和網(wǎng)絡(luò)處理模件NPM，NPM通過控制通道與MFP通信，因此如果在同一個控制柜內(nèi)，NPM與BRC-300控制器或MFP模件與BRC-300控制器同時存在，為了保證MFP與BRC-300能夠通過控制通道總線實現(xiàn)通信，避免它們之間相互誤發(fā)數(shù)據(jù)，防止不相關(guān)的數(shù)據(jù)處理占用控制通道總線，必須將控制通道總線進行升級［11-13］。如果同一控制柜內(nèi)所有控制器都為MFP或BRC-300，則不需要升級控制通道總線。本次8號、9號和11號控制柜的MFP模件升級后，在同一控制柜內(nèi)只有NPM與BRC-300控制器一起工作，故只對NPM的控制通道總線進行升級。首先，檢查模件中間位置的控制通道總線芯片，如果為部件號6644789A1或6644789A2的Daughter Board芯片，則需要升級為6644789A3，如果為部件號6644789A3的Daughter Board芯片，或為部件號BCN9011A的ASIC芯片，則不需要升級。然后，必須將Firmware芯片升級到F8及以上版本，否則NPM會出現(xiàn)異常，中斷BRC-300控制器與其他模件之間的數(shù)據(jù)傳輸。

5 方案實施

機組檢修期間，按照上述的設(shè)計方案，進行了相關(guān)的軟件、硬件升級，其中硬件升級后正常。經(jīng)監(jiān)測，硬件升級完成后的數(shù)據(jù)信息如表2所示，完全達到了升級要求。而軟件升級過程較為復雜，現(xiàn)就升級過程遇到的技術(shù)難題進行簡要介紹，希望能對同類型機組改造有所借鑒。

(1)標簽庫導入問題。不能完成從OIS倒出標簽庫到Composer的操作。經(jīng)分析可能原因為:①標簽庫中有非法字符，如%、()、*，有可能導致拷貝失敗;②Composer文件中有部分標簽的Block號和圖紙上其他標簽的Block號有沖突，會使標簽庫不能導入;③選擇錯誤的導入格式，致使標簽庫發(fā)生錯誤;④如果標簽中邏輯狀態(tài)描述、工程單位在項目樹中不存在，也會使導入數(shù)據(jù)庫失敗。

表2 硬件升級完成后的數(shù)據(jù)信息Tab.2 Data information after hardware upgrading

處理方法:①安裝Composer 5.0 SP3;②在整理OIS的標簽庫時，確實發(fā)現(xiàn)有非法字符，在Composer項目樹中拷貝標簽庫前，修改其中的非法字符;③確認項目樹原標簽的地址沒有被修改且Block號無沖突;④先導入工程單位、邏輯狀態(tài)描述、報警注釋等;⑤在把標簽庫源文件導入Composer時，選擇文件顯示的缺省格式。

(2)不能增加畫面和標簽。在升級為Composer 5.0版本后，無法增加畫面及標簽。處理方法如下:①在Composer輸入要增加的標簽;②將新增加的標簽拷貝到畫面同步所用標簽庫;③根據(jù)Composer標簽庫的相關(guān)標簽信息，在OIS增加標簽;④編輯好需要修改的畫面，保存退出;⑤光標指向畫面名稱，點右鍵做標簽同步;⑥同步完成，再點右鍵編譯好畫面后，再通過FTP將畫面?zhèn)魅?OIS;⑦在 OIS的 CONFIG目錄，首先輸入“FLUSH”清空緩存，再輸入指令“PROCDT畫面名稱”將畫面轉(zhuǎn)到OIS，再次輸入“FLUSH”清空緩存。

(3)Composer報錯處理。在打開Composer后，系統(tǒng)會出現(xiàn)數(shù)據(jù)庫錯誤。處理方法:在Composer的TOOLS菜單下先壓縮，再故障修復，即可正常。

6 效果檢查

經(jīng)過7個多月的使用和觀察，DCS系統(tǒng)8號、9號和11號控制柜的控制器沒有出現(xiàn)任何問題，BRC-300控制器與原MFP模件之間通信正常，徹底解決了設(shè)備安全隱患問題，機組運行穩(wěn)定，避免了機組非計劃停運給電網(wǎng)帶來的沖擊［14］，減少了由于MFP模件故障而導致機組啟停所需要的燃油量，達到節(jié)能降耗的目的，同時取得了較好的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)語

本文針對300MW燃煤機組INFI 90分散控制系統(tǒng)MFP模件故障，將29對MFP模件中的10對故障MFP模件升級為BRC-300控制器，利用控制通道總線實現(xiàn)了BRC-300控制器與MFP模件之間的通信，徹底解決了MFP模件故障。通過實際運行證明了BRC-300控制器與MFP模件在INFI 90系統(tǒng)中能夠兼容工作，解決了互為冗余的MFP模件離線問題，有力地保證了機組的穩(wěn)定運行。

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