MARK VI控制系統(tǒng)故障分析與軟件優(yōu)化

潘勇進，潘 艷

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

GE 9F級燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組主要設備分燃機、汽機、余熱鍋爐、GIS 4部分，機島設備（燃機、汽機、發(fā)電機）選用美國GE公司生產(chǎn)的STAG109FA SS機型，單軸布置。采用GE公司開發(fā)的MARK VI控制系統(tǒng)。

作為國家“西氣東輸”工程的首批重點項目，杭州華電半山發(fā)電有限公司的3臺GE 9F級大型燃氣輪機從2005年末至今已運行4年，對于MARK VI控制系統(tǒng)積累了一定的運行維護經(jīng)驗。通過對MARK VI控制系統(tǒng)中典型硬件故障的分析及對軟件優(yōu)化案例的介紹，可為同類型機組運行提供參考。

1 MARK VI控制系統(tǒng)簡介

1.1 MARK VI控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)

MARK VI控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)如圖1所示，整個控制系統(tǒng)具有2層網(wǎng)絡：廠級數(shù)據(jù)總線（Plant Data Highway，PDH）負責機組之間的數(shù)據(jù)交換，運行監(jiān)控與操作和機組數(shù)據(jù)總線（Unit Data Highway，UDH）負責機組級的數(shù)據(jù)交換?？刂葡到y(tǒng)的控制器通過UDH與HMI數(shù)據(jù)服務器連接，在PDH上掛接著操作員站、打印機、歷史數(shù)據(jù)站等各種外部設備，通過路由器等相關(guān)設備還可與其他控制系統(tǒng)通訊，以組成一個更大更完整的系統(tǒng)。PDH和UDH均支持以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 MARK VI控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

1.2 硬件配置

MARK VI控制系統(tǒng)的硬件配置為三冗余模式，控制柜中布置有R，S，T控制器機架，分別帶有VCMI通訊控制卡，通過IO Net與I/O柜相連，同時分別與X，Y，Z保護模塊通訊，每塊I/O卡都會送一個ID信號至VCMI卡，該ID信號包括硬件系列號、版本、代碼、固化數(shù)字和固化版本；UCVX控制器位于VCMI通訊卡件右側(cè)，為控制系統(tǒng)核心卡件，負責運算處理數(shù)據(jù)，存儲調(diào)用控制邏輯、算法，以及通過以太網(wǎng)接口與UDH相接；I/O控制卡采集并處理從端子板輸入的各類模擬量、開關(guān)量信號，每一類I/O卡件都有其特殊的端子板；I/O端子柜中布置有端子板及電源分配模塊，端子板通過預制電纜與控制柜中的I/O控制卡相連。

1.3 軟件功能

MARK VI控制系統(tǒng)的所有操作員站、通訊服務器及工程師站都使用基于Microsoft Windows NT的操作系統(tǒng)，在操作員站、通訊服務器上裝有CIMPLICITY圖形顯示系統(tǒng)，為操作員提供實時環(huán)境中的控制和可視化處理，工程師站運行控制系統(tǒng)的TOOLBOX軟件，用于系統(tǒng)組態(tài)。MARK VI的控制器采用QNX操作系統(tǒng)，這是一個適用于燃機控制保護等高速自動場合的實時系統(tǒng)。

實現(xiàn)功能包括：

（1）報警顯示記錄功能。操作顯示、成組顯示、棒狀圖顯示，報警顯示及定期記錄、事故追憶記錄、SOE記錄等。

（2）調(diào)節(jié)控制功能。啟動控制、轉(zhuǎn)速/負荷的設定和調(diào)節(jié)、燃機溫度控制、進氣導葉控制、燃料控制、排汽溫度控制、軸封蒸汽系統(tǒng)控制、油系統(tǒng)控制等。

（3）順序控制功能。燃機輔助系統(tǒng)順控、啟動運行和停機順控、吹掃和點火順控等。

（4）保護功能。超速保護、超溫保護、振動保護、滅火保護、燃燒器監(jiān)測保護、CO2火災保護、潤滑油壓低保護、冷凝器真空低保護、汽輪機排汽溫度高保護等。

2 硬件故障案例

2.1 端子板及卡件故障

對于模擬量端子板的故障通常比較好判斷，通過TOOLBOX軟件打開組態(tài)軟件后可以查看診斷報警，而且模擬量通道故障時采集到的數(shù)據(jù)是壞點的，維護人員比較容易判斷出是外部信號的問題還是通道的問題，但是對于開關(guān)量端子板的故障判斷相對就要困難一些。

3號機組某次開缸檢修期間，發(fā)現(xiàn)汽機再熱冷卻閥不能操作，該閥門為二位式的氣動閥門，由電磁閥控制。在MARK VI內(nèi)發(fā)指令后通道無輸出，進一步檢查發(fā)現(xiàn)通道對應的熔絲已經(jīng)熔斷，而測量現(xiàn)場回路電阻接近于0，判斷為電纜或就地電磁閥線圈問題，經(jīng)就地檢查發(fā)現(xiàn)由于在長期的高溫環(huán)境下電纜老化脫皮，線芯接觸導通，更換電纜及熔絲后正常，開關(guān)量卡件通道故障多由于此種原因引起。

又如某日3號機組停運時真空破壞門不能操作，該閥門為380VAC電源的開關(guān)型閥門，由汽機MARK VI控制。維護人員到現(xiàn)場 檢查，就地操作正常，通過組態(tài)軟件查得該閥門的DO通道位置，由MARK VI內(nèi)發(fā)指令DO觸點未能動作，更換繼電器仍就不能正常工作。此時考慮同一塊板的其它通道是否正常，經(jīng)試驗也未能動作，說明整塊板都有故障。緊固強電插頭后，對控制器進行斷電重啟操作，試驗通道正常，對閥門遠操，開關(guān)也正常了。后經(jīng)過進一步的檢查，發(fā)現(xiàn)控制器機架及其卡件積灰比較嚴重，導致卡件不能正常工作，因此需加強定期清灰工作。

2.2 電源故障

可靠的電源是控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的重要保障?？刂葡到y(tǒng)的電源通常是由兩路冗余提供，一路是UPS（220VAC）經(jīng)過變壓整流產(chǎn)生110VDC，另一路為電氣直流柜提供的110VDC，這兩路電源進入電源分配模塊PDM處理后送出多路不同等級的電壓供控制機架、端子板和就地設備使用。

某日1號燃機汽機MARK VI控制器R溫度高報警?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)該控制器頂部風扇停止運行，機架的電源故障紅燈常亮。MARK VI控制系統(tǒng)的每個控制器都有1個對應的機架，整個機架由1個電源模塊供電，其輸入為由PDM來的110VDC，輸出為多路不同電壓等級的直流電，其中風扇由1路28 V供電，拔下風扇的供電插頭測量沒有電壓，通過組態(tài)文件連線控制器查看電源狀態(tài)，確實有1路28 V顯示為0，確定電源故障。但是因為其它幾路電源正常，所以沒有影響控制器的正常工作。

停機后，通過控制機架左下角的供電電壓測試柱，測試各路電源的電壓情況，并進行斷通電試驗，發(fā)現(xiàn)又有2路電源失去，說明該電源模塊已經(jīng)很不穩(wěn)定，必須進行更換。對拆下的電源模塊進行了檢查，發(fā)現(xiàn)其中的多個DC-DC（直流轉(zhuǎn)直流）模塊已經(jīng)損壞，可能存在輸入電壓受到干擾或電壓不穩(wěn)定等因素，降低了其使用壽命。

2.3 網(wǎng)絡故障

某日機組運行期間，LCI畫面（LCI為燃機的靜態(tài)啟動裝置，2臺LCI通過切換可供3臺燃機啟停操作）數(shù)據(jù)變黑無顯示，MARK VI報警網(wǎng)絡故障。

根據(jù)報警檢查網(wǎng)絡設備發(fā)現(xiàn)用于掛接操作員站的1只交換機指示燈無顯示，測其電源正常，判斷為交換機故障，機組停運后，用預先配置的交換機更換。經(jīng)檢查，拆下的交換機電源部分有元件燒損跡象。該交換機是在機柜的最底層，散熱較差，雖然交換機是自帶風扇的，但積灰加上本身產(chǎn)生的熱量較大，設備長期工作在較高溫度下影響了其使用壽命，現(xiàn)已經(jīng)更改了安裝位置使其能有效散熱，并做好定期清灰工作。

3 軟件優(yōu)化案例

MARK VI控制系統(tǒng)的控制保護邏輯比較完善，特別是啟停順控、燃燒監(jiān)測保護等經(jīng)過幾代MARK系統(tǒng)的演變，如今已是非常成熟的邏輯。但是為了適應實際設備及運行情況的要求，修改部分控制邏輯也是必不可少的。下面是根據(jù)實際進行邏輯修改的幾個典型例子。

3.1 排氣框架冷卻風機邏輯

88TK風機用于燃機排氣框架的冷卻，共有2臺，正常運行時一用一備，風機出口各配有1個壓力開關(guān)。當運行風機出口風壓低時控制系統(tǒng)會自動切換到另一臺風機運行，但是如果遇到壓力開關(guān)定值不準、風機出力下降、出口擋板不能正常切換時，即使備用風機啟動也不能保證出口壓力開關(guān)正確動作，此時系統(tǒng)會認為風壓低將采取自動減負荷的措施。由于壓力開關(guān)安裝在風機出口的位置（擋板之前），在風機工作正常時，如果擋板不能切換到位，其部分風量通過備用風機排出，同時也導致備用風機倒轉(zhuǎn)，既不利于框架冷卻，也有損于備用風機。而此時由于運行風機出口壓力正常，系統(tǒng)不會去切換風機，也不會發(fā)出報警，長期運行定將降低設備的壽命。為此在風機出口母管上加裝了變送器，以檢測母管上的風壓，保留原來的2個壓力開關(guān)，壓力開關(guān)只用于壓力低時切換風機，變送器送出的模擬量信號作為監(jiān)視、報警和減負荷功能，即當母管壓力（3個變送器取中間值）低于一定值時（經(jīng)過適當延時）機組自動減負荷。

這樣，當母管壓力有降低趨勢時，運行人員能及時檢查就地設備，如風機、擋板的狀況，對設備故障提前預判，大大增加了運行的可靠性。

3.2 離線水洗邏輯的修改

目前9F燃機主要以離線水洗為主，而離線水洗時其轉(zhuǎn)速不會超過700 r/min，但是因為水洗時必須滿足開機條件，才能執(zhí)行啟動順控程序，這就涉及到系統(tǒng)上必須要投軸封，并建立真空，同時要確保余熱鍋爐側(cè)沒有跳機信號存在（主要是汽包水位高低）。起初在執(zhí)行離線水洗時都是實際投軸封建立真空的，余熱鍋爐也要將水位控制在正常范圍內(nèi)。由于水洗過程通常要8～12 h，而在這段時間內(nèi)由于軸封和真空將損失大量的能量，從節(jié)能方面考慮，這是很不經(jīng)濟的。

因此，考慮采用將相關(guān)信號自動屏蔽的方法，這樣無需真正建立真空、保持水位正常，離線水洗程序也能正常執(zhí)行，邏輯完成后運行人員可通過點擊離線水洗強制按鈕對真空及余熱鍋爐的跳機信號進行屏蔽。為了避免在水洗結(jié)束后運行人員未能及時退出屏蔽信號，在邏輯中增加了CRANK信號，只有在離線水洗或冷拖時選中，正常開機時該信號為 “0”，此時強制信號自動失效，不影響機組保護功能的正常執(zhí)行，同時在燃機的啟動檢查頁面中對運行人員進行提醒，若有強制信號存在時顯示 “PLEASE HOLD ON There are override signals”字樣，不能啟動機組。

3.3 增加AGC功能

根據(jù)浙江電網(wǎng)要求，機組增加了自動發(fā)電控制（AGC）功能。調(diào)度控制指令與機組控制系統(tǒng)的接口有二種方式：一種方式是將DCS作為與電網(wǎng)調(diào)度的接口，邏輯在DCS內(nèi)完成后將指令傳給MARK VI，MARK VI的輸出信號也是通過DCS再上傳給電網(wǎng)調(diào)度，這種方式的好處是DCS的通道比較富裕，而且由于對DCS掌握比較透徹，實施的難度相對較小，但是考慮它經(jīng)過了一道轉(zhuǎn)換，響應的速度會稍微偏慢一點，而且占用了DCS側(cè)的IO通道。另一種方式是電網(wǎng)調(diào)度遠傳的信號直接進入MARK VI控制系統(tǒng)，這樣減少了中間環(huán)節(jié)后既加快了響應速度也減少卡件通道的數(shù)量，邏輯只需稍加補充修改。顯然，后一種方式更具優(yōu)勢而已被采用。

4 提高控制系統(tǒng)運行可靠性的幾點建議

（1）要細化巡檢工作的內(nèi)容，如查看控制器、電源的指示燈，有條件的還應測量其溫度并記錄，通過軟件檢查各路電源的狀態(tài)、各類診斷報警等。

（2）做好定期的清灰工作，清灰時做好必要的防護措施，如帶好防靜電手套、控制器斷電。

（3）機組大小修期間做好控制器冗余切換試驗工作，確保控制器穩(wěn)定可靠運行，同時做好重要設備的電纜絕緣檢查工作。

（4）定期做好軟件備份。由于長時間運行，操作員站的硬盤損壞是比較常見的，因此做好系統(tǒng)的軟件備份顯得尤為重要，組態(tài)文件在修改之前也需做好備份。

（5）防止病毒侵入，實行專人專管，嚴格控制外部設備（如U盤、移動硬盤等）接入控制系統(tǒng)。

[1]GE.Inspection and Maintenance Manual燃機檢修與維護手冊[G].

[2]吳革新.大型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)叢書（控制系統(tǒng)分冊）[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]焦樹建.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的理論基礎[M].北京：清華大學出版社，2003.