電廠分散控制系統(tǒng)優(yōu)化及分析

周 策，溫 武

（山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，分散控制系統(tǒng)DCS（Distributed Control System）在火力發(fā)電廠的覆蓋越來越廣，自動(dòng)化程度越來越高。但不管何種DCS系統(tǒng)，在電廠的應(yīng)用中都不同程度地存在死機(jī)現(xiàn)象。近年來，隨著接入DCS的系統(tǒng)增多，DCS的通訊量變大，網(wǎng)絡(luò)堵塞現(xiàn)象就變得十分頻繁，并使得各種人機(jī)界面的結(jié)點(diǎn)死機(jī)現(xiàn)象增多，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致整個(gè)DCS系統(tǒng)癱瘓，對發(fā)電廠的安全運(yùn)行造成很大的威脅。

1 DCS系統(tǒng)配置

山西平朔煤矸石電廠二期擴(kuò)建工程（2×300 MW循環(huán)流化床直接空冷）機(jī)組的熱工自動(dòng)化設(shè)備主要采用德國SIEMENS公司生產(chǎn)的SPPA-T3000分散控制系統(tǒng)，其功能包括計(jì)算機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)DAS（Date Acquisition System）、模擬量控制系統(tǒng)MCS（ModulatingControl System）、順序控制系統(tǒng)SCS（Sequence Control System）、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS（Furnace Safety Supervision System）、汽機(jī)保護(hù)系統(tǒng)TSI（Turbine Supervisory Instrumentation）、汽機(jī)電液控制系統(tǒng)DEH（Digital Electronic Hydraulic）、電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)ECS（Electric Control System）和聯(lián)鎖保護(hù)等。熱工自動(dòng)控制的范圍涵蓋鍋爐、汽機(jī)、發(fā)電機(jī)—變壓器組和廠用變。

西門子SPPA-T3000系統(tǒng)的總線為工業(yè)以太總線網(wǎng)，采用虛擬環(huán)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)冗余容錯(cuò)，其通訊速度為100 Mb/s。最大子站數(shù)量無限制，總長最大為150 km。通訊總線由若干個(gè)光纖交換機(jī)模塊OSM（Optical Switch Module） 組成。OSM模件為光纜總線接口總站，帶有自己的電源。通過OSM模件，SPPA-T3000系統(tǒng)的各成員以星型結(jié)構(gòu)連接在一起。每個(gè)OSM模件所連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不超過6個(gè)。2臺機(jī)組公用系統(tǒng)另外設(shè)置與單元機(jī)組獨(dú)立的冗余高速數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)[1]。

西門子SPPA-T3000分散控制系統(tǒng)現(xiàn)場級控制器采用西門子S417控制器，按系統(tǒng)劃分并兼顧DCS功能分布配置。處理器模件采用冗余配置，當(dāng)正在工作的主處理器模件發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)無擾切換至與其冗余的從處理器模件。單元機(jī)組CPU處理器配置為鍋爐7對、汽機(jī)7對，電氣1對；公用CPU處理器配置為電氣公用系統(tǒng)及熱控公用1對、循環(huán)水泵房公用1對。人機(jī)接口配置用于過程監(jiān)視的人機(jī)接口站，每臺機(jī)組包括操作員站4套、工程師站1套、歷史數(shù)據(jù)站1套、大屏幕操作站2套。

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的通訊負(fù)荷率，在最繁忙的情況下，不超過40%。處理器內(nèi)部存貯器有50%存儲(chǔ)裕量，外部存貯器有60%外存裕量?？刂破髡镜奶幚砥髟谧畲筘?fù)荷下處理能力有50%裕量，操作員站在最大負(fù)荷下處理器處理能力有60%裕量。系統(tǒng)本地輸入輸出點(diǎn)數(shù)見表1。

表1 本地信號I/O點(diǎn)數(shù)量（機(jī)組DCS）

2 DCS的問題及分析

在山西平朔煤矸石電廠二期4號機(jī)組進(jìn)行鍋爐冷態(tài)通風(fēng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)風(fēng)煙系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，畫面上風(fēng)煙系統(tǒng)側(cè)所有測點(diǎn)均顯示為故障點(diǎn)，設(shè)備操作面板點(diǎn)擊后指令也無法發(fā)出，不能對設(shè)備進(jìn)行操作。只能緊急就地停設(shè)備，終止實(shí)驗(yàn)。開始時(shí)判斷是否因?yàn)轱L(fēng)煙系統(tǒng)的控制器掉電或控制器邏輯未激活等原因?qū)е驴刂破鞴ぷ鞑徽?，于是檢查該控制器，發(fā)現(xiàn)控制器工作正常，又將該控制器的邏輯代碼進(jìn)行了重新下載，下載后畫面顯示正常，可以對設(shè)備進(jìn)行正常的操作。但重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，又發(fā)生了相同的問題。懷疑是否為控制器的硬件出現(xiàn)了問題，更換了S417處理器，但問題仍未得到解決。在處理過程中發(fā)現(xiàn)，該控制器在較少設(shè)備啟動(dòng)時(shí)通訊正常，而在較多設(shè)備啟動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生通訊故障，檢查系統(tǒng)診斷記錄文件，發(fā)現(xiàn)提示為通訊緩存溢出。顯示如下:

WARN[HMI-LISTENER-THREAD]com.pg.orion.simatic.SimaticComServer HMI Buffer Overflow

ERROR[HMI-LISTENER-THREAD]com.pg.orion.simatic.SimaticComServer Simatic HMI Communication suffer overflow

通過SPPA-T3000的診斷軟件，發(fā)現(xiàn)在啟動(dòng)過程中，控制器的歸檔事件數(shù)及事件變化率都非常高，在風(fēng)煙系統(tǒng)側(cè)設(shè)備還未啟動(dòng)時(shí)，此控制器事件數(shù)就已達(dá)到了5 000件/min，大大超出了正常規(guī)定的單控制器2 500件/min左右的事件率，當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)后，該控制器事件數(shù)最大達(dá)到了8 000件/min。導(dǎo)致服務(wù)器送畫面的進(jìn)程緩沖溢出，造成了通訊堵塞，操作畫面死機(jī)。

分析認(rèn)為可能是為該控制器分配的輸入、輸出點(diǎn)數(shù)太多的原因，于是將接入該控制器的部分遠(yuǎn)程通訊采集的I/O點(diǎn)移至了其他控制器，但這樣處理后控制器的事件數(shù)沒有明顯的變化。

分析通訊緩存溢出的原因?yàn)橄嚓P(guān)進(jìn)程內(nèi)部數(shù)據(jù)設(shè)置過小不能滿足實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)備啟動(dòng)后的正常運(yùn)行條件。相關(guān)進(jìn)程發(fā)生數(shù)據(jù)溢出，最終導(dǎo)致該控制器與畫面的通訊中斷，操作畫面死機(jī)。分析原因后，進(jìn)入服務(wù)器檢查發(fā)現(xiàn)服務(wù)器的各進(jìn)程容量設(shè)置偏小。根據(jù)SPPA-T3000的系統(tǒng)配置要求將服務(wù)器各進(jìn)程容量修改如下：

alarmcontainer（AC）修改為384 Mbytes；

archive container（ARC）修改為196 Mbytes；

simatic communication container（CC） 修 改 為384 Mbytes；

iotools container（IOTOOLS）修改為256 Mbytes；

report container（RC）修改為128 Mbytes。

本次修改未能根本解決操作畫面死機(jī)的問題，重新進(jìn)行通風(fēng)實(shí)驗(yàn)后仍然出現(xiàn)通訊問題，事件率偏高。表明即使系統(tǒng)進(jìn)程容量改大后，仍不能處理過大的系統(tǒng)事件數(shù)。

通過研究事件記錄發(fā)現(xiàn)，這些以極高頻率發(fā)生的事件主要是由溫度、壓力、風(fēng)量等模擬量信號的變化產(chǎn)生的，而在這些模擬量信號的邏輯圖中，幾乎所有輸入、輸出點(diǎn)的模擬信號監(jiān)視器功能塊的死區(qū)都沒有設(shè)置，在進(jìn)行設(shè)置后，事件發(fā)生率有了不小的下降，但在操作高峰時(shí)仍會(huì)有通訊緩存溢出的情況。對記錄中頻繁變化的模擬量設(shè)置了濾波環(huán)節(jié)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)煙側(cè)設(shè)備未啟時(shí)的事件率從5 100件/min降至2 500件/min。在邏輯中又對模擬量信號的掃描周期進(jìn)一步優(yōu)化，具體設(shè)置如下：

溫度，400 ms改為1 200 ms；

壓力，100 ms改為400 ms；

風(fēng)量，100 ms改為400 ms；

流量，100 ms改為400 ms。

又將邏輯中許多沒有歸檔必要的信號點(diǎn)的歸檔和報(bào)警功能取消，以減小由這些信號產(chǎn)生的事件數(shù)。

通過這些優(yōu)化，該控制器的事件率從2 500件/min降至1 100件/min，大大減小了該控制器與服務(wù)器間的通信負(fù)荷率，滿足了設(shè)備啟動(dòng)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)因事件數(shù)增加，所需的通信負(fù)荷率的余量，保證了系統(tǒng)的通信正常。鍋爐冷態(tài)通風(fēng)實(shí)驗(yàn)重新進(jìn)行，風(fēng)煙側(cè)設(shè)備再啟動(dòng)后，通訊正常，整個(gè)實(shí)驗(yàn)期間未出現(xiàn)問題。

3 DCS優(yōu)化措施

a)模擬量的上下限、死區(qū)一定要設(shè)置，如果上下限都設(shè)為0，那么死區(qū)即使設(shè)了也不起作用，模擬量極細(xì)微的變化也會(huì)送畫面和控制器的通訊進(jìn)程處理，嚴(yán)重消耗了通訊資源。死區(qū)設(shè)置可以按量程的百分之一來設(shè)，部分重要測點(diǎn)如閉環(huán)調(diào)節(jié)信號等對調(diào)節(jié)品質(zhì)有較大影響，對信號實(shí)時(shí)性要求較高的點(diǎn)，可以單獨(dú)將死區(qū)設(shè)置的較小，使信號變化得靈敏一些。

b)軟件組態(tài)時(shí)模擬量采集塊的濾波功能要打開，這樣可以有效地減少干擾引起的模擬量波動(dòng)變化，并且要檢查模擬量的屏蔽接地，防止外部干擾引起信號頻繁抖動(dòng)。

c)對邏輯進(jìn)行檢查，把一些不重要的邏輯點(diǎn)的歷史歸檔、報(bào)警取消。

以上措施，可以有效減小控制器的事件率，防止控制器的通信能力飽和，發(fā)生堵塞，引發(fā)控制系統(tǒng)的故障，甚至操作畫面死機(jī)。對其他使用西門子SPPA-T3000系統(tǒng)的電廠，也有很大的借鑒意義。經(jīng)過優(yōu)化后，山西平朔煤矸石電廠二期4號機(jī)組的整個(gè)DCS系統(tǒng)直到機(jī)組的168 h運(yùn)行結(jié)束，都未再發(fā)生操作畫面死機(jī)和控制系統(tǒng)通信故障現(xiàn)象。整個(gè)調(diào)試期間，各系統(tǒng)控制器的事件數(shù)都維持在了較低的水平。

4 結(jié)論

發(fā)電廠在DCS的使用過程中，一定要注意系統(tǒng)的負(fù)荷率，尤其是通訊負(fù)荷率問題。通訊負(fù)荷率在很大程度上已經(jīng)成為了DCS控制系統(tǒng)正常運(yùn)行的瓶頸。在DCS控制系統(tǒng)的招標(biāo)、設(shè)計(jì)、組態(tài)過程中，不能單純地計(jì)算輸入、輸出點(diǎn)數(shù)，靠保證輸入、輸出點(diǎn)數(shù)的通道裕量來避免負(fù)荷率高的問題，還要考慮實(shí)際生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程中，可能產(chǎn)生大量通訊負(fù)荷率的因素。所以，在DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、組態(tài)時(shí)，要建立科學(xué)合理的通訊負(fù)荷率估算和控制方法，在實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)通訊負(fù)荷率過高時(shí)，要及時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，防止發(fā)生嚴(yán)重問題，影響安全生產(chǎn)。

［1］ 張澎濤，周鵬，張秉權(quán)，等.西門子SPPAT-3000 DCS系統(tǒng)的應(yīng)用與優(yōu)化［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2008（4）:70-73.