国产DCS系统在60OMW机组的应用

　　一、应用背景
　　
　　经济要发展，电力须先行;电力要发展，控制要先行。
　　
　　随着机组的容量不断增大，参数不断增高，需检测的点数也在不断增加，60OMW机组需检测的测点数大约在l0000点左右。DCS控制系统作为发电机组的神经控制系统，其安全性、稳定性、性直接关系到发电机组运行的安全性和经济性。
　　
　　由于我国DCS技术发展的时间相对较短，经验和技术相对不足。长期以来，出于安全和技术上的考虑，国内60OMW及以上大型火力发电机组的DCS控制，一直是引进国外DCS生产厂家的控制系统。国内尚没有60OMW火电机组使用国产DCS控制系统的先例。
　　
　　随着我国自动化工业控制系统的迅速发展，国内DCS生产厂家的技术水平己经达到或接近了*水平。我国自动化协会专家认为:就亚临界的60OMW机组而言，与30OMW机组相比，除容量不同外，其机组特点和性能基本相同，因而它对控制系统的要求是相同的。由于60OMW机组的热力系统和辅助系统比30OMW机组复杂，故I/0点数略多，一般为7000-8000点，而目前DCS的通信速率已达到lOMbps/lOOMbps,实时通信容量可达每秒10000点以上。
　　
　　所以，在30OMW机组上应用的DCS，同样可以适用于60OMW机组。另外选择国产DCS还有以下优点:售后服务方便快捷，运行费用相应降低，培训学员方便，不必储存大量备品、配件，这也正是陕西国华锦界能源有限责任公司4×60OMW发电机组DCS采用和利时公司的DCS系统的原因所在。
　　
　　二、系统介绍
　　
　　1.系统构成
　　
　　陕西国华锦界能源有限责任公司4×60OMW发电机组DCS控制系统包括:数据采集系统（DAS）、模拟量控制系统（MCS）、锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）、顺序控制系统（SCS）、汽机空冷控制系统、旁路控制系统（BPC）、锅炉定期排污控制系统等各项控制功能，是集软硬件于一体的能够完成全套机组启、停、正常运行、变工况等各项功能的控制系统。
　　
　　2.60OMW发电机组DCS设计的安全准则
　　
　　（1）单一故障不应引起DCS系统的整体故障;
　　
　　（2）单一故障不应引起锅炉或汽机发电机保护系统的误动作或拒动作;
　　
　　（3）控制功能的分组划分应使得某个区域的故障将只是部分降低整个控制系统控制功能，此类控制功能的降低应能通过运行人员干预进行处理;
　　
　　（4）控制系统的构成应能反映电厂设备的冗余配置，以使控制系统内单一故障不会导致运行设备与备用设备同时不能运行。
　　
　　为满足上述安全准则，控制系统包括各种可行的自诊断手段，目的是内部故障能在对过程造成影晌之前被检测出来。
　　
　　3.冗余设计
　　
　　重要设备，需要采用冗余设计。其中包括:
　　
　　（1）系统历史数据站:双冗余，热备份，无扰切换;
　　
　　（2）网络:介质四冗余，逻辑双冗余，热备份，无扰切换;
　　
　　（3）操作站:所有操作站功能相同，可以实现多机冗余;
　　
　　（4）现场控制站的主控单元（DPU）:双冗余，热备份，无扰切换;
　　
　　（5）现场控制站的主控单元（DPU）上的以太网卡:双冗余，热备份;
　　
　　（6）现场控制站内的24V系统电源:均流1:1冗余;
　　
　　（7）现场控制站内的48V现场电源:均流1:1冗余;
　　
　　4.系统余量
　　
　　系统配置留有15%余量，便于功能的调整、修改;zui忙时，控制器CPU的负荷率不大于30%，操作员站CPU的负荷率不大于40%。
　　
　　（1）内部存储器占有容量不大于50%，外部存储器占有容量不大于40；
　　
　　（2）40%电源余量。电源分配柜考虑10%的回路备用量;
　　
　　（3）以太网通信总线的负荷率不大于15%；
　　
　　（4）操作员站允许zui大标签量不少于10万个。
　　
　　5.其他技术要点
　　
　　在现场控制站硬件设计中采用大量的*技术，模块采用低功耗元器件，降低整体的热损耗，同时在机柜中设计通畅的风道，以满足电站的环境要求。
　　
　　对于电源和输入设备，严格电磁兼容性设计要求，设计合理的电路，选用适当的元器件，达到IEC6l000-4/GBl7626-1998中的要求。
　　
　　为了避免在故障状态下的故障输入信号损坏系统，在I/0模块上采用了大量的保护和隔离措施，I/0模块采用隔离措施，使模块内外在电气上分离，对于信号端子上的高电压窜入，瞬态高压可以靠可自恢复的TVS器件吸收，不会损坏系统，对于长时间的高电压信号只会影响本通道的数据采集。
　　
　　在I/0模块中，DCS系统采用了PROFlBUSDP现场总线技术，I/0模块均支持带电热插拔，所有的I/0模件均采用智能化设计，模件本身自带CPU,负责通道信号扫描及信号预处理，然后通过现场总线（Profibus-DP）与主控单元通信。模件具有看门狗定时器电路，可使模块在异常情况下自动复位。提供了模块电流过载保护、DC24V反向保护、通信线箱压保护。支持实时的状态显示，可实时显小本模块的运行状态和通信状态。I/0模块分为2个部分，通用底座和模块本体，底座采用35mm标准导轨安装，通过密封的欧式连接器连接模块本体，通过防混销可以避免在错误位置上插入模块本体。
　　
　　为了使系统具有可扩展和满足将来维护的需要，选择了通用的高性能计算机设备，包括系统工程师站、操作员站、历史数据站等均采用美国DELL公司的高性能计算机。
　　
　　和利时公司基于对象化设计和软件组件技术，提供了一套开放的、模块化和可伸缩的软件平台。将软件体系结构从对硬件体系结构严重依赖中解脱出来，使软件系统从分散型过渡到分布式处理，软件功能与硬件设备分离，服务器和客户机成为软件概念，可以灵活配置系统。基于软件总线技术，以分布式实时数据库为核心，各种功能设计成具有标准接口的软件组件，按照具体的需求在具体的硬件设备上分配软件功能。各种软件组件之间采用软件总线连接，每个组件具有良好的封装，单个组件的故障不会影响到系统整体的运行。例如:备用服务器事件处理组件发生故障，只会影响到备用服务器事件记录，而不会造成整个备用服务器的崩溃。同时在软件上，设置了任务诊断组件，可以实时地对各种任务进行诊断，一旦发现某个任务处于失控或故障状态，能够自动修复或提示人工处理。对于重要的软件组件，系统配置了冗余组件，在不同的硬件设备上运行相同功能的组件冗余组件、问相互诊断，互为热备份。在当前运行组件故障时，在一个诊断周期后，备份组件自动替代故障组件，向外提供相同功能的服务，对于客户端没有任何影响，客户端也无需关心是谁提供服务，无需在客户端进行切换。对于众多的通信接口设备，在系统设计上采用通信驱动的方式，增加一种新的外部设备，不需要更改系统的原有程序，只需要增加一个驱动程序，进行通信管理，用标准接口与实时数据库进行，收发数据。
　　
　　为了保证系统安全，SIS系统通信站设置有防火墙，可防止外部的非法侵入和各类病毒的侵害。数据通信过程中，其他计算机系统或局域网同DCS系统无网络的直接连接，中间都经过通信站或相应通信接口转发。系统之间相对独立，有故障不会相互影响。
　　
　　6.网络构成
　　
　　MacsV控制系统由上下两个网络层次组成:监控网络和控制网络。上层监控网络主要用于工程师站、操作员站和现场控制站通信连接;下层控制网络存在于各个现场控制站的内部，主要用于主控单元和智能I/0单元的通信连接。网络结构如图所示。　　
　　三、系统维护申遇至的问题
　　
　　通过国华锦能公司投产以来及在投产之前的调研情况可以看出，国产DCS产品价格低和同类型的Dcs产品。相比有看非常可观的性价比优势，而且在运行维护成本方面更有进口DCS所*的*性。
　　
　　虽然和利时DCS技术是代表国内DCS领域*的产品之一，在30OMW及以下机组应用较为成熟，但在30OMW以上机组尚无3年以上运行业绩，陕西国华锦界能源有限责任公司所使用的控制系统是和利时DCS控制系统应用于60OMW火力发电机组，因此在应用过程中引起了国内相关单位和行业的重视。陕西国华锦界能源有限责任公司的技术人员提出"国产DCS在60OMW火力发电机组应用专题研究"课题，旨在与和利时公司及行业内各专业技术人员一道，充分利用国内外技术资源，应用现代科学和试验手段，从实践中挖掘存在的深层次问题。通过调研、试验、科学计算、技术改进等方式，切实解决国产DCS技术目前所存在的实际问题;通过聘请专家、借鉴同类型机组实施的成功经验等方式，制定和优化60OMW机组的控制策略，提高国产DCS在60OMW火力发电机组运行的安全可靠性能;通过*台机组短时间的运行维护试验和风险评估手段，摸索出一条国产DCS系统在大机组安全经济运行的维护管理模式。
　　
　　以下是该系统实际应用中遇到的一些问题与解决方法:
　　
　　（1）根据收集情况发现操作员站经常死机，但未出现因死机发生跳机事故，和利时公司就死机现象主要采取如下措施:在操作台后增加4台散热风扇;将版本较低3COM商用交换机更换为赫斯曼工用交换机。自投运以来未曾出现过死机的情况。
　　
　　（2）SOE采用板卡，通用性较差，和利时公司加大在这方面的研究力度，目前已能够满足日常的需求。
　　
　　（3）主从控制器自动切换现象，这种现象在和利时公司在其他电厂的应用中也有类似情况的发生。经过和利时公司和相关单位的研究发现，造成这种结果的可能性是多次增量下装会在控制单元中产生垃圾文件，控制器会自动检测到这些文件后并自动切换，也可能是由于SM203内部电子元件温度过高造成性能不稳定而导致的。对此我们严格按照和利时硬件技术要求对控制器的环境温度进行了控制。
　　
　　（4）由于和利时DCS与赫斯曼交换机之间存在兼容性问题，DCS系统经常出现一些网络故障。经过和利时技术开发人员的核实确认是一个误发信号，由于和利时DCS与赫斯曼交换机是初次合作，在主控的程序设计上对网络故障的判断不准确，经过停机系统升级后正常。
　　
　　（5）和利时DCS系统不能将不同趋势域的信号趋势曲线放在同一趋势画面中，由于MACSV系统采用了分步式数据结构，所以有了"域"的概念，无法将不同域的测点曲线放到同一趋势画面中内。这种情况给我们的事故分析和日常管理带来了很大的困难，针对这种情况我们规定在固定的趋势组里面做了相关的趋势，以方便日常管理和事故调查。
　　
　　（6）由于陕西国华锦能公司目前的MACSV系统是原来SMARTPRO系统的升级版，产生的历史数据在不同的系统服
　　
　　务器中。这就要求数据的备份要及时，但是不会对机组的正常运行造成隐患。
　　
　　（7）DCS系统出现过检测不到跳闸指令现象。对于各种泵的跳闸指令信号目前都是被其合闸状态复位，完成时间在毫秒级，而服务器采集开关量点一秒一秒的采集，并将其显示在画面上，所以在较大的扫描周期内存在着检测不到跳闸指令。对此我们在跳闸指令信号的出口增加了2S的脉冲信号来防止这种情况。
　　
　　（8）DCS三个域的历史数据全部为零，可能由于GPS校时信号和系统服务器时间不同步，在相差的时间段内使各个服务器传输的数据均为零。和利时公司开发部门协同我们一起经过研究对DCS软件程序进行了修改后，停机系统升级该问题巴得到了解决。
　　
　　（9）近日，出现了一次由于运行的主控死机导致备用主控无法启动的情况，使得该控制站的设备处于瘫痪状态。在和利时技术人员的协助下将两个主控单元均更换为新主控后，出现A主控的SNETl故障并迅速恢复的现象，在系统状态上图表现为A主控的128网变为离线状态并迅速恢复，同时在设备日志记录此过程。此现象在以前更换新主控的过程中曾多次出现，主、从切换后仍然存在此问题。依据和利时给出的解决方法，将相应域的备用服务器注销并重新登录后，问题得以解决。
　　
　　四、总结
　　
　　该项目在陕西国华锦界能源有限责任公司的成功应用，切实解决国产DCS技术目前所存在的实际问题，大大降低国产DCS在大型火力发电机组的技术风险，提高系统的安全可靠性;对各种DCS的技术特点、安全性、造价、运行成本等各方面进行综合比较，为集团公司电力事业乃至全国大型机组DCS的国产化做一个开拓性的尝试。该研究项目的成功实施将为集团公司电力建设项目推广应用国产DCS技术，降低投资和生产运营成本、提高竞争优势提供宝贵的经验;该研究项目的成功也将使国产DCS技术突破60OMW火力发电机组应用的零业绩，为国产DCS在国内外能源、化工、冶金等各行业的大力推广应用产生深远的影响，为国家民族产业的发展和国民经济的发展做出积极的贡献。