300 MW機組DCS的故障分析處理與預控

徐文輝，林 勇

（浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325602）

溫州發(fā)電廠建于1989年，現(xiàn)有4臺300 MW機組在運行中，其分散控制系統(tǒng)（DCS）都采用了ABB SYMPHONY控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由過程控制單元、人系統(tǒng)接口單元、系統(tǒng)組態(tài)維護工具、計算機接入網(wǎng)絡的接口、過程管理數(shù)據(jù)傳遞的網(wǎng)絡等部分組成。控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡為環(huán)網(wǎng)結構，采用存儲轉發(fā)式通信方式?？刂茊卧鶕?jù)其功能特點分為控制模擬調(diào)節(jié)（MCS）、順序控制（SCS）、爐膛安全監(jiān)控（FSSS）和數(shù)據(jù)采集（DAS）四部分，通過邏輯組態(tài)實現(xiàn)對汽機、鍋爐設備和部分電氣設備的集中控制和監(jiān)測。

SYMPHONY控制系統(tǒng)在溫州發(fā)電廠投用以來，曾發(fā)生通信異常、設備硬件故障、參數(shù)設置不合理等故障，對機組的安全運行造成了不同程度的影響，此時快速、準確地判斷及排除故障就顯得尤為重要。為此將故障分析處理過程中的一些經(jīng)驗與教訓進行總結，以提高控制系統(tǒng)故障的分析處理能力。

1 網(wǎng)絡通信故障

1.1 控制網(wǎng)絡故障

某日，3號機組操作員站通信異常，經(jīng)過分析后，確定為環(huán)路通信板故障，更換通信板后，在操作過程中誤將“Loop2 Out”端口作為“Loop1 Out”端口拆除，導致整個控制網(wǎng)絡Loop1和Loop2通信同時中斷，好在當時機組正在停機檢修中，未對系統(tǒng)造成實質(zhì)性的影響。

SYMPHONY控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡采用雙網(wǎng)環(huán)形結構實現(xiàn)其網(wǎng)絡通信的冗余功能，正常情況下單路網(wǎng)絡故障不影響系統(tǒng)的正常運行，即使該節(jié)點的通信卡件電源中斷，也能通過硬回路自動旁路該節(jié)點，從而保證整個網(wǎng)絡的正常運行。因此在機組運行中處理通信故障問題時，要保證其中一個環(huán)網(wǎng)正常運行的前提下，才能對另一個環(huán)網(wǎng)進行檢查和處理。

1.2 網(wǎng)絡間通信故障

4號機組循環(huán)水系統(tǒng)運行中經(jīng)常短時間“離線”后又自動恢復正常，而3號機組的循環(huán)水系統(tǒng)監(jiān)控畫面卻未出現(xiàn)異常。3，4號機組循環(huán)水系統(tǒng)采用公用配置方式，其過程控制單元配置在公共環(huán)路中。

從故障現(xiàn)象分析可排除控制單元部分故障的可能，問題基本確定在4號機組控制環(huán)與循環(huán)水系統(tǒng)公共環(huán)路間的通信部分。對該通信節(jié)點檢查發(fā)現(xiàn)，該節(jié)點通信采用INICT冗余配置（冷備方式）， 其中“INIIT03”卡件的硬件參數(shù)“SW2”中“Failover to secondary module on power system status alarm”選項設置為使能方式，而該控制機柜內(nèi)的電源系統(tǒng)中有1塊IPSYS01卡件存在潮流控制器（PFC）故障，階段性觸發(fā)電源異常信號，導致該通信節(jié)點主從模件自動切換。在主從通信模件的切換過程中，其通信數(shù)據(jù)存在短時的中斷現(xiàn)象，從而出現(xiàn)監(jiān)控畫面“短時離線”的情況。更換故障電源卡件并將“INIIT03”卡件“SW2”中的上述選項設置為禁止方式后，故障現(xiàn)象消除。

該故障提醒熱工人員應非常清楚SYMPHONY系統(tǒng)的冗余存在2種情況，即熱備狀態(tài)和冷備狀態(tài)：在冷備時，備用設備處在“就緒等待”狀態(tài)，未實時同步過程數(shù)據(jù)，其主從切換過程無法實現(xiàn)無擾；而在熱備狀態(tài)時，備用設備中的所有過程數(shù)據(jù)都與運行設備同步，因此在主從設備切換中能夠實現(xiàn)無擾。這種現(xiàn)象不僅存在于通信模件中，也存在于多功能處理器中。在組態(tài)設置中要對2種冗余情況合理設置，以確保系統(tǒng)冗余切換的可靠性。

2 控制處理單元故障

2.1 多功能處理器跳線異常引起故障

多功能處理器作為控制系統(tǒng)的大腦部件，常見的故障（如內(nèi)部錯誤等）都能夠通過復位處理器或初始化操作（“1/7，1/6”操作）來解決，而一些嚴重故障則需要更換設備；由于基本都采用冗余配置，故障一般不會對機組運行造成直接影響。不過一些跳線的錯誤設置會導致一些特殊的故障發(fā)生，從而影響其正常工作。

某臺機組定修后，運行中發(fā)現(xiàn)某DAS系統(tǒng)處理器（IMMFP12）中的所有信號經(jīng)常丟失幾分鐘，并又自動恢復正常。通過工程師站組態(tài)軟件監(jiān)視檢查卻未見異常；該處理器所處機柜內(nèi)的其他處理器信號無異常。經(jīng)分析初步判斷為該處理器通信故障所引起，在對處理器更換過程中發(fā)現(xiàn)其通信模式的設置有誤：設置處理器與I/O卡件間的通信方式跳線丟失（跳線J5上用于設置通道模式的短接片缺失）。重新對該通信方式進行設置，將跳線J5的2-3短接，即選擇為“CONTROLWAY”模式，系統(tǒng)恢復正常。

處理器J5中的跳線設置“-30VDC SYSTEM”是針對早期的N90系統(tǒng)設計，INFI90及以后的系統(tǒng)都采用控制總線的通信方式，節(jié)點通信卡件（INNPM）也存在此類設置。值得注意的是，廠家出廠的默認設置都選擇在“-30VDC SYSTEM”，因此在更換卡件及卡件清灰等工作中要注意對其設置進行檢查確認。

2.2 I/O擴展總線故障

在某臺機組脫硫系統(tǒng)增壓風機變頻改造項目調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：增壓風機變頻器DCS無法實現(xiàn)啟停操作。對變頻器控制邏輯檢查未見異常，但對應的IMDSO14卡件狀態(tài)指示異常（卡件狀態(tài)燈不亮），更換卡件后狀態(tài)依舊。對柜內(nèi)各通信電纜檢查發(fā)現(xiàn)其相鄰層模件安裝單元（MMU）間的I/O擴展總線通信線有松動現(xiàn)象，重新插緊后故障消失。

SYMPHONY控制系統(tǒng)中處理器與I/O卡件間采用主、從通信方式，通過8位并行總線（I/O擴展總線X.B）實現(xiàn)連接。該總線上處理器是主模件，通道模件是子模件（MFP）。子模件通過總線得到主模件的請求后，將與主模件通信，為主模件提供I/O通道，上傳或下傳數(shù)據(jù)及接收主模件的診斷，如圖1所示。

圖1 I/O擴展總線

MMU間的I/O擴展總線通過通信線進行連接，連接的可靠性將直接影響數(shù)據(jù)通信的正常進行，而部分通信線的接插件容易出現(xiàn)接觸不良等問題，因此需定期進行相關的檢查和緊固工作，保證通信線路的正常運行。

3 電源系統(tǒng)故障

3.1 環(huán)境因素引起的故障

二期機組投產(chǎn)運行不久，分組控制單元（PCU）機柜內(nèi)電源開關多次發(fā)生絕緣下降導致跳閘故障，且多發(fā)生在高溫季節(jié)。原因主要有兩方面：一是空調(diào)的出風口設計不合理（在機柜頂部），冷風正對機柜吹，導致機柜外殼溫度過低，容易結露；二是機柜頂部的吊裝孔未封堵，導致出風口部分冷凝水從該吊裝孔流入機柜內(nèi)。

雖然電子硬件產(chǎn)品各項性能指標都有了大幅度的提升，在較為惡劣的環(huán)境下短期也能夠正常運行，但是長期在超標的環(huán)境下工作必然會引起部件性能指標下降，導致設備使用年限縮短、故障頻發(fā)，而且此類問題隱蔽性極強，不易直觀發(fā)現(xiàn)，難以采取預防措施。應在基建設計初期就加以關注，并在日常工作中嚴格監(jiān)控各項環(huán)境指標。

3.2 電源故障中斷保護引起的故障

SYMPHONY控制系統(tǒng)中設計了電源故障中斷（PFI）保護回路。當電源系統(tǒng)發(fā)生故障影響控制器或I/O卡件正常工作時，及時停止控制器等主模件的工作，切斷和子模件之間的通信，保證子模件不會接收到錯誤的輸出指令以保證現(xiàn)場設備的安全。但在實際運行中，由于電源監(jiān)視模塊采用單路監(jiān)測，設備的可靠性直接影響到控制系統(tǒng)的正常運行。

如某日1號機組負荷82.9 MW。00：06發(fā)現(xiàn)操作站畫面參數(shù)異常，爐側大量數(shù)據(jù)出現(xiàn)壞值，爐側設備無法操作，火檢監(jiān)視看不到火焰，給粉機均跳閘，CCS自動退出，機組負荷、汽溫和壓力持續(xù)下降；但主燃料跳閘（MFT）未報警，制粉系統(tǒng)未跳閘，機組采取快速減負荷措施。00：17：16，機組負荷14.5 MW，機側主汽溫度下降至450℃，爐側主控屏溫度顯示為385℃，低溫保護未動作（后查原因為MFT信號未發(fā)出），手動停機。事故原因經(jīng)查是FSSS系統(tǒng)機柜中一塊冗余電源模件故障，電源下降引起PFI保護動作，由于給粉機停指令采用的是常閉觸點，正常運行中的給粉機停指令繼電器處于得電狀態(tài)，當卡件停止工作后導致給粉機停指令繼電器處于失電狀態(tài)，所有給粉機都跳閘，包括CCS在內(nèi)的鍋爐自動退出運行，全爐膛熄火。由于未設計失電MFT觸發(fā)功能，導致MFT未動作，進而低溫保護拒動。建議采取以下措施：

（1）對冗余電源的工作電流進行監(jiān)視，工作電流變化時，意味著系統(tǒng)或自身情況發(fā)生變化，要及時報警，提醒熱工人員及時處理，以避免故障發(fā)生或降低危害程度。

（2）環(huán)境溫度對電子元器件的工作特性有較大影響，因此要確?？刂剖?、電子室的環(huán)境溫度符合要求。

（3）針對本次FSSS系統(tǒng)失電未觸發(fā)MFT動作的問題，建議增加MFT擴展繼電器板，通過硬邏輯實現(xiàn)失電MFT功能；將MFT信號和低溫信號引入數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）控制器，在DEH里實現(xiàn)低溫保護；增加MFT關減溫水閥邏輯。

4 時鐘系統(tǒng)異常

時鐘作為一個重要的系統(tǒng)參數(shù)與控制系統(tǒng)許多功能相關，包括事件順序記錄系統(tǒng)（SOE）、歷史趨勢、事件報警等，當系統(tǒng)時鐘失真時，必將影響這些功能的正常工作。系統(tǒng)中所有節(jié)點都與時鐘同步，不同類型節(jié)點其時間精度等級不同。

環(huán)路中最高級別的節(jié)點為時間主站，按照一定的時間間隔以廣播的方式向各節(jié)點發(fā)送時間同步信息，其他較低級別的節(jié)點接收該時間同步信息并進行時鐘調(diào)整。

運行中發(fā)現(xiàn)5號機組DCS操作員站時鐘明顯不準（滯后20 min），并且偏差日益擴大。檢查DCS時鐘系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)：環(huán)路時鐘精度級別顯示為13級，GPS同步時鐘裝置面板時間指示正確，但是實際環(huán)路時鐘日期顯示異常，導致操作員站不斷地調(diào)整其時間去同步錯誤的環(huán)路時鐘。通過對SEM/TKM時鐘模件進行冷啟動、重新配置操作員站時鐘同步等級等操作后，環(huán)路及操作員站時鐘恢復正常。

經(jīng)分析討論，發(fā)現(xiàn)該問題的起因是維修人員對GPS同步時鐘裝置停電進行清灰，在工作結束恢復上電過程中，由于裝置內(nèi)部備用電池失效，上電過程中裝置隨機獲得了一個失真的時間，引起DCS系統(tǒng)時鐘出錯引起。

5 DCS故障預控

隨著控制系統(tǒng)運行時間的延伸，影響系統(tǒng)可靠性的因素會時有發(fā)生，需要熱工人員做好系統(tǒng)設備和檢修運行維護全過程管理，為確保控制系統(tǒng)在各種故障下的處理措施具體且切實可行，提出以下建議：

（1）為減小機組運行中控制系統(tǒng)設備故障處理時的風險，確保機組在運行過程中發(fā)生控制系統(tǒng)故障時，能夠迅速、準確地處理故障，最大限度地降低故障造成的影響。應通過深入專題研究，編制合適的DCS故障應急處理預案，通過完善故障時應急處理方法和定期反事故學習，提高運行維護人員在控制系統(tǒng)故障時的應急處理能力，消除DCS故障時因人員操作處理不當而導致的故障范圍擴大的隱患。

（2）在處理通信故障問題時（特別是機組運行中），要確保其中一個環(huán)網(wǎng)正常運行的前提下，才能對其另一個環(huán)網(wǎng)進行檢查和處理。

（3）熱工人員應非常清楚SYMPHONY系統(tǒng)的冗余熱備狀態(tài)和冷備狀態(tài)的區(qū)別，在組態(tài)設置中對2種冗余情況合理設置，并定時進行冗余切換試驗，以確保系統(tǒng)冗余切換的可靠性。

（4）更換卡件及卡件清灰等工作中要注意對跨接片設置進行檢查確認，機組檢修中對通信連接插件要進行相關的檢查和緊固工作，保證通信線路的正常運行。

（5）防止PFI保護發(fā)生誤動作導致控制系統(tǒng)運行異常事件發(fā)生，取消原PFI保護回路，將機柜直流母線上的+5 V DC引入到PFI信號端子上，保證卡件的正常運行；同時增加對機柜環(huán)境的監(jiān)測。利用控制系統(tǒng)提供的環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測功能，對機柜內(nèi)的電源運行情況、機柜溫度、風扇運行情況等進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)問題及時處理。

（6）GPS同步時鐘裝置進行維護前，要先將送至DCS系統(tǒng)的同步時鐘信號線拆除，在GPS同步時鐘裝置運行正常（面板時間指示正確）后才允許將同步時鐘信號接入DCS系統(tǒng)中。

6 結語

一套控制系統(tǒng)運行情況的好壞，一方面由該系統(tǒng)產(chǎn)品本身的性能及質(zhì)量水平?jīng)Q定，另一方面則由日常運行維護工作質(zhì)量決定。深入掌握控制系統(tǒng)各項工作機理，充分發(fā)揮其功能，能夠很大程度上幫助解決日常工作中遇到的一些問題。當然也沒有一款設備是完美的，肯定存在著或多或少的缺陷，需要在工作中不斷排查、分析和處理。制定相應的預控措施重在到位、貴在堅持，只有堅持不懈的努力，保證控制系統(tǒng)良好的工作環(huán)境，才能保證機組的安全經(jīng)濟運行。

[1]孫長生，朱北恒.提高熱工自動化系統(tǒng)可靠性的技術研究[J].中國電力，2009，42（10）：56-59.

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[3]孫長生.火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預控[M].北京：中國電力出版社，2010.