郭志軍

摘 要：DCS控制系統(tǒng)是發(fā)電廠重要的組成部分，對(duì)電廠正常運(yùn)行具有十分重要的作用。隨著DCS控制系統(tǒng)使用年限不斷地增加，其硬件會(huì)發(fā)生不同程度的老化現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，影響電廠的正常運(yùn)行。因此，電廠在運(yùn)營(yíng)過程中應(yīng)當(dāng)做好DCS控制系統(tǒng)硬件老化預(yù)防的有關(guān)工作，避免由此對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行造成不利的影響。該文結(jié)合發(fā)電廠實(shí)例對(duì)DCS控制系統(tǒng)硬件老化以及預(yù)防研究的有關(guān)內(nèi)容進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：DCS控制系統(tǒng) 硬件老化 問題 預(yù)防研究

中圖分類號(hào)：TE683 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）05（b）-0076-03

1 發(fā)電廠概況

DCS控制系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中會(huì)發(fā)生硬件老化的現(xiàn)象，其中主控單元因系統(tǒng)老化發(fā)生的故障具有一定的分散性，增加了維護(hù)難度。而此文案例中某發(fā)電廠使用的發(fā)電機(jī)組為600 MW亞臨界直接空冷火電機(jī)組，且該機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間有10年之久，導(dǎo)致整個(gè)DCS系統(tǒng)發(fā)生了較為嚴(yán)重的老化現(xiàn)象，電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中故障發(fā)生的概率明顯提升。該電廠使用的DCS控制系統(tǒng)為XXX公司的MACSV系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的版本為MACSV1.1.0，主控單元的型號(hào)為SM203，版本號(hào)為MACSV1.1.0 SP2 PATH5。該類型DCS控制系統(tǒng)為典型的星型結(jié)構(gòu)，有連接30對(duì)控制器的兩對(duì)系統(tǒng)服務(wù)構(gòu)成，且兩對(duì)系統(tǒng)服務(wù)的控制內(nèi)容不同，其中一對(duì)主要控制汽輪機(jī)和空冷部分，而另一對(duì)主要控制鍋爐和電氣部分。從中可以發(fā)現(xiàn)案例中發(fā)電廠的DCS控制系統(tǒng)是集機(jī)、爐、電、空冷等控制功能為一體的控制系統(tǒng)，它主要控制功能包括以下幾個(gè)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)、空冷控制系統(tǒng)、旁路控制系統(tǒng)等多種控制功能。電廠以#3機(jī)組為例共劃分為3個(gè)域，分別為#0域、#1域、#2域。其中#0域?yàn)楣孟到y(tǒng)域，包括#38-#41控制站；#1域?yàn)槠麢C(jī)域，包括#10-#23控制站，其中#10-#16為空冷控制站，#17-#23為汽機(jī)控制站；#2域?yàn)殄仩t域，包括#24-#37、#42-#43控制站，其中#24-#33為鍋爐控制站，#34-#37為電氣控制站，#42、#43為脫硝控制站。包含I/O點(diǎn)數(shù)約9260點(diǎn)，配置3對(duì)服務(wù)器，2臺(tái)工程師站，5臺(tái)操作員站，2臺(tái)通訊站，1臺(tái)網(wǎng)關(guān)站。通過介紹了解電廠基本的概況，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)DCS控制系統(tǒng)在電廠運(yùn)行過程中所扮演的重要角色，一旦其硬件發(fā)生故障將會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不可估量的損失。這些年經(jīng)過相關(guān)技術(shù)人員的分析發(fā)現(xiàn)，DCS控制系統(tǒng)并沒有直接引起機(jī)組非停故障，但是在實(shí)際的運(yùn)行過程中也存在著諸多的問題，對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成了一定的影響。

2 發(fā)電廠DCS控制系統(tǒng)硬件老化引起的主要問題分析

DCS控制系統(tǒng)是電廠電力系統(tǒng)的重要組成部分，而此文案例電廠中DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間近10年，因此系統(tǒng)老化現(xiàn)象比較嚴(yán)重，其具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，達(dá)到電子產(chǎn)品理論運(yùn)行年限，因此現(xiàn)階段系統(tǒng)老化現(xiàn)象明顯，尤其是系統(tǒng)硬件系統(tǒng)發(fā)生故障的概率明顯提高，而維護(hù)費(fèi)用呈逐年上漲趨勢(shì)。例如DCS系統(tǒng)主控單元和電源模塊發(fā)生故障較多，作為電力控制系統(tǒng)重要組成部分，主控單元與電源模塊在其中發(fā)揮著十分重要的作用，一旦運(yùn)行過程中發(fā)生故障，將會(huì)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的破壞。且技術(shù)人員在進(jìn)行處理的過程中危險(xiǎn)系數(shù)較高，實(shí)施的解決措施比較復(fù)雜，為電力安全生產(chǎn)埋下了安全隱患。第二，DCS系統(tǒng)主控單元故障原因較多，且相互之間的聯(lián)系比較復(fù)雜，規(guī)律性不明顯，這就在一定程度上增加了維修及維護(hù)的難度。同時(shí)主控單元內(nèi)部的芯片較多，一旦發(fā)生故障，單純更換一個(gè)芯片很難消除故障，使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。第三，DCS系統(tǒng)中熱電阻卡件發(fā)生故障的概率增加，而該電廠使用的熱電阻卡件型號(hào)為SM430，且該信號(hào)的熱電阻卡件已經(jīng)停止生產(chǎn)，而目前生產(chǎn)的卡件與舊型號(hào)卡件之間兼容性較差，因此一旦機(jī)組熱電阻卡件發(fā)生故障，在運(yùn)行狀態(tài)下無法進(jìn)行卡件的更換，必須在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行硬件組態(tài)，再進(jìn)行卡件的更換。第四，電廠使用的主控單元的型號(hào)為MACSV1.1.0 SP2 PATH5，該型號(hào)主控單元在實(shí)際的運(yùn)行過程中存在著一定的弊端。第五，DCS系統(tǒng)中主控單元發(fā)生故障的現(xiàn)象越來越多，且之間存在著一定的差異，導(dǎo)致故障發(fā)生的原因也越來越復(fù)雜。

3 探討硬件老化問題

在正常運(yùn)行狀態(tài)下，電子產(chǎn)品理論使用壽命年限為11年左右，通常為10年，而此文電廠DCS控制系統(tǒng)的使用時(shí)間已經(jīng)接近普通電子產(chǎn)品的極限使用時(shí)間，因此系統(tǒng)發(fā)生老化現(xiàn)象是必然的。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，電廠機(jī)組DCS系統(tǒng)發(fā)生故障主要分布在以下幾個(gè)方面，其中主控單元異常46次，占比19.2%；組態(tài)應(yīng)用出現(xiàn)的異常20次，占比8.3%；數(shù)據(jù)不刷新異常16次，占比6.7%；不明原因異常29次，占比12.1%；網(wǎng)絡(luò)異常19次，占比7.9%；模塊故障52次，占比21.7%；其他（服務(wù)器）異常58次，占比24.2%；其中硬件所占異常的比例為65.1%。

3.1 主控單元故障概率高

該電廠研究機(jī)組主控單元共發(fā)生故障約46次，其中控制站雙主控離線故障3起，經(jīng)過對(duì)事故調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，多種因素的存在對(duì)故障的發(fā)生都有一定的引誘作用，單純依靠更換內(nèi)部芯片很難解決問題。另外，隨著DCS系統(tǒng)使用時(shí)間的不斷增加，故障發(fā)生的概率會(huì)越來越大，產(chǎn)生的現(xiàn)象也會(huì)越來越復(fù)雜，增加了技術(shù)人員對(duì)故障發(fā)生原因判斷的準(zhǔn)確性，為消除系統(tǒng)故障帶來了一定的困難。例如故障指示燈與故障發(fā)生的現(xiàn)象不一致，這就可能會(huì)導(dǎo)致技術(shù)人員判斷故障原因出現(xiàn)錯(cuò)誤，影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。另外，該電廠所使用的為MACSV1.1.0 SP2 PATH5型號(hào)的主控單元，在實(shí)際使用過程中存在著一定的缺陷，如單元冗余切換判據(jù)不全面，在運(yùn)行過程中如果主控單元發(fā)生故障，如單元內(nèi)部芯片損壞、模塊離線、網(wǎng)段故障以及數(shù)據(jù)不刷新等不能及時(shí)地向上位機(jī)進(jìn)行信息傳輸，最終導(dǎo)致主控單元自動(dòng)切換無法正常完成，極有可能導(dǎo)致電力安全事故的發(fā)生。

3.2 電源模塊故障率高

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該電廠研究機(jī)組發(fā)生電源模塊故障共23次，其中電源模塊在運(yùn)行中電壓不穩(wěn)定的故障發(fā)生概率較大，這對(duì)主控單元的正常運(yùn)行將會(huì)造成一定的影響。相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)每次停機(jī)狀態(tài)下機(jī)柜內(nèi)電源模塊的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)記錄，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，機(jī)組中供電電壓產(chǎn)生漂移的現(xiàn)象越來越頻發(fā)，且最近一次結(jié)果顯示，近30%的供電模塊已經(jīng)出現(xiàn)了電壓漂移的現(xiàn)象，這將會(huì)嚴(yán)重縮短電源模塊的使用壽命，同時(shí)也會(huì)在一定程度上對(duì)該機(jī)組的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響，不利于電力安全生產(chǎn)活動(dòng)的正常進(jìn)行。

3.3 熱電阻卡件故障率高

電廠DCS系統(tǒng)隨著運(yùn)行時(shí)間的不斷增加，熱電阻卡件發(fā)生故障的頻率也會(huì)越來越頻發(fā)。該文電廠使用的是型號(hào)為SM430熱電阻卡件，該型號(hào)的熱電阻卡件已經(jīng)停產(chǎn)，而目前生產(chǎn)的卡件與原型號(hào)卡件之間兼容性較差，因此一旦系統(tǒng)運(yùn)行中熱電阻卡件發(fā)生故障，在正常運(yùn)行中不能更換，對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行造成干擾，為安全生產(chǎn)埋下隱患。

3.4 組態(tài)軟件運(yùn)行中存在問題

在DCS控制系統(tǒng)組態(tài)軟件在運(yùn)行的過程中，相關(guān)參數(shù)修改時(shí)，離線和在線不能同步進(jìn)行，這就可能造成離線和在線參數(shù)出現(xiàn)不一致的情況，而技術(shù)人員為了保障兩者參數(shù)相同不得不在停機(jī)狀態(tài)下對(duì)離線和在線情況下的參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，這就在一定程度上增加了工作量，且由于是人工進(jìn)行比對(duì)，因此過程中可能會(huì)發(fā)生一定的誤差，影響組態(tài)軟件的正常工作。

4 淺析預(yù)防研究措施

通過以上研究分析可知，作為電廠重要的組成部分DCS控制系統(tǒng)在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)揮著十分重要的作用。而隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，老化現(xiàn)象也逐漸顯現(xiàn)出來，因此如何切實(shí)提高DCS控制系統(tǒng)可靠性已成為了電廠研究的主要問題之一。針對(duì)以上情況分析，對(duì)電廠系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的改造以及對(duì)老化硬件進(jìn)行必要的更換將極大地降低DCS系統(tǒng)運(yùn)行故障，進(jìn)而為電廠安全生產(chǎn)的順利進(jìn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

4.1 選擇合適的DCS控制系統(tǒng)

電廠在進(jìn)行DCS控制系統(tǒng)選擇的過程中應(yīng)當(dāng)對(duì)以下幾個(gè)方面引起高度的重視。第一，對(duì)相似機(jī)組運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(yùn)行初期故障率較高，但是經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行磨合之后，DCS系統(tǒng)故障率將會(huì)明顯下降，且從長(zhǎng)期運(yùn)行情況分析發(fā)現(xiàn)，DCS系統(tǒng)在經(jīng)歷實(shí)際投運(yùn)以及工廠實(shí)驗(yàn)后，其系統(tǒng)可靠性將會(huì)明顯提高，因此電廠在進(jìn)行DCS系統(tǒng)選擇的過程中應(yīng)當(dāng)進(jìn)行科學(xué)合理地對(duì)比分析。第二，電廠DCS系統(tǒng)對(duì)硬件設(shè)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(yùn)行基本要求，因此在選擇過程中應(yīng)當(dāng)對(duì)硬件設(shè)備的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格地測(cè)試，以保證控制器的存儲(chǔ)能力和運(yùn)行能力滿足電力系統(tǒng)運(yùn)行要求。另外，還應(yīng)當(dāng)選擇可熱插拔的電子模件，為今后系統(tǒng)的維護(hù)等提供方便。第三，為了避免DCS系統(tǒng)發(fā)生局部故障擴(kuò)大的現(xiàn)象，在進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)當(dāng)應(yīng)用冗余技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通訊與控制器之間的自動(dòng)切換。該技術(shù)的應(yīng)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(shí)也為系統(tǒng)安全性的提高打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4.2 提高施工工藝標(biāo)準(zhǔn)

發(fā)電廠在確定DCS系統(tǒng)型號(hào)之后應(yīng)當(dāng)加大對(duì)施工工藝執(zhí)行情況的監(jiān)督力度，而相關(guān)的施工單位應(yīng)當(dāng)根據(jù)電廠的實(shí)際情況制定科學(xué)合理的施工設(shè)計(jì)方案及施工具體計(jì)劃，同時(shí)在施工進(jìn)行之前應(yīng)當(dāng)對(duì)DCS系統(tǒng)相關(guān)要求進(jìn)行仔細(xì)研究，合理安排施工進(jìn)度。在進(jìn)行DCS系統(tǒng)調(diào)試及安裝的過程中，應(yīng)當(dāng)對(duì)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(shè)備內(nèi)部環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，保證照明、通風(fēng)、空調(diào)及消防等工作符合相關(guān)的要求，尤其是系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境中溫度及濕度應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在標(biāo)準(zhǔn)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(huì)對(duì)內(nèi)部溫度進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)，避免溫度過高對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成影響。另外，在安裝空調(diào)系統(tǒng)的過程中應(yīng)當(dāng)使出風(fēng)口朝上，避免正對(duì)系統(tǒng)控制設(shè)備及機(jī)柜，以免冷凝水滲入DCS系統(tǒng)中，進(jìn)而對(duì)內(nèi)部的電子元件造成損壞。第二，施工人員在鋪設(shè)電纜的過程中應(yīng)當(dāng)保證弱電和強(qiáng)電處于隔離狀態(tài)，且屏蔽線應(yīng)保證單點(diǎn)接地，并設(shè)立單獨(dú)的接地柜。另外，施工人員在具體施工過程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照施工圖紙進(jìn)行施工操作，切記擅自更改，影響安全生產(chǎn)。

4.3 優(yōu)化程序設(shè)計(jì)和調(diào)試

為了切實(shí)提高電廠DCS控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)組態(tài)程序進(jìn)行一定的優(yōu)化處理，并通過對(duì)連鎖、保護(hù)邏輯的判斷，利用軟件保護(hù)和硬件接線保護(hù)相結(jié)合的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，進(jìn)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(hù)組態(tài)采用的是三取二保護(hù)機(jī)制，即將開關(guān)量與模擬量進(jìn)行科學(xué)合理地結(jié)合，在DCS系統(tǒng)設(shè)備處于運(yùn)行安全的前提下，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。DCS控制系統(tǒng)模擬量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)所使用的信號(hào)采用的是三取中保護(hù)機(jī)制，確保信號(hào)準(zhǔn)確防止擾動(dòng)。同時(shí)相關(guān)的技術(shù)人員在DCS系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、測(cè)試、在線調(diào)試、投入運(yùn)行、驗(yàn)收等各個(gè)階段應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全程監(jiān)督，并根據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)中易發(fā)生故障的位置進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，一旦系統(tǒng)運(yùn)行過程中發(fā)生故障，應(yīng)當(dāng)對(duì)故障發(fā)生的原因進(jìn)行詳細(xì)分析，及時(shí)采取有效的措施，避免故障擴(kuò)大，影響系統(tǒng)整體運(yùn)行。另外，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)對(duì)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)和邏輯控制保護(hù)設(shè)計(jì)等組織專家進(jìn)行評(píng)審，以保證其的合理性，避免運(yùn)行中出現(xiàn)故障，影響電力生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

4.4 加強(qiáng)技術(shù)培訓(xùn)

發(fā)電廠應(yīng)當(dāng)加大對(duì)工作人員技術(shù)培訓(xùn)的力度，以切實(shí)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)在安裝過程中，一旦出現(xiàn)操作失誤的情況，將會(huì)對(duì)系統(tǒng)軟件和硬件今后的應(yīng)用性能造成嚴(yán)重的影響，同時(shí)也會(huì)對(duì)電子設(shè)備等的運(yùn)行及安全指標(biāo)造成一定的影響。因此設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行DCS系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)當(dāng)汲取一線技術(shù)施工人員的相關(guān)意見，或者設(shè)計(jì)過程中邀請(qǐng)技術(shù)施工人員的參與，這樣一方面保證了設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)確性和合理性，另一方面也提高了操作人員對(duì)DCS系統(tǒng)的操作控制能力，為今后工作順利開展提供了基礎(chǔ)。另外，電廠對(duì)操作人員技術(shù)水平要求較高，尤其是DCS控制系統(tǒng)手動(dòng)/自動(dòng)切換、啟停設(shè)備等常規(guī)操作要求較高，因此電廠應(yīng)當(dāng)加大對(duì)操作人員有關(guān)方面的技術(shù)培訓(xùn)，建立健全系統(tǒng)操作行為規(guī)范，并進(jìn)行一定的考核，落實(shí)事故責(zé)任制度，增強(qiáng)操作技術(shù)人員的責(zé)任意識(shí)，這將會(huì)在一定程度上降低故障發(fā)生率，同時(shí)也為DCS系統(tǒng)的運(yùn)行安全提供了保障。

4.5 日常維護(hù)

DCS系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的提高除了系統(tǒng)本身的性能外，日常維護(hù)也是十分必要的，因此電廠應(yīng)當(dāng)安排專門的技術(shù)人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定期維護(hù)，例如定期對(duì)DCS系統(tǒng)進(jìn)行除濕、除塵，避免由此對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成不利影響，并禁止相關(guān)人員在DCS系統(tǒng)中存儲(chǔ)與系統(tǒng)運(yùn)行無關(guān)的數(shù)據(jù)，或者是讀取與系統(tǒng)無關(guān)的光盤，以避免對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)造成干擾。電廠還應(yīng)當(dāng)每天根據(jù)點(diǎn)檢標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)檢，一旦發(fā)現(xiàn)操作人員出現(xiàn)錯(cuò)誤操作的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行干預(yù)，并進(jìn)行指導(dǎo)，以保障DCS系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另外，技術(shù)人員在巡檢過程中一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應(yīng)當(dāng)立即采取相應(yīng)的措施，消除故障隱患，更換損壞卡件，發(fā)揮系統(tǒng)冗余功能，保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

總之，發(fā)電廠DCS系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，系統(tǒng)硬件老化現(xiàn)象會(huì)越來越嚴(yán)重，硬件設(shè)備發(fā)生故障的頻率會(huì)越來越高，尤其是DCS系統(tǒng)主控單元故障率會(huì)明顯提高，進(jìn)而對(duì)整個(gè)電廠的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響，因此電廠應(yīng)當(dāng)根據(jù)自身的條件進(jìn)行系統(tǒng)改造以及相關(guān)硬件更換等，以切實(shí)降低由系統(tǒng)硬件老化帶來的不利影響。

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