淺析DCS控制系統(tǒng)硬件老化及預防研究

郭志軍

摘 要：DCS控制系統(tǒng)是發(fā)電廠重要的組成部分，對電廠正常運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，其硬件會發(fā)生不同程度的老化現(xiàn)象，進而導致系統(tǒng)發(fā)生故障，影響電廠的正常運行。因此，電廠在運營過程中應當做好DCS控制系統(tǒng)硬件老化預防的有關工作，避免由此對電力系統(tǒng)運行造成不利的影響。該文結合發(fā)電廠實例對DCS控制系統(tǒng)硬件老化以及預防研究的有關內容進行分析，以供參考。

關鍵詞：DCS控制系統(tǒng) 硬件老化 問題 預防研究

中圖分類號：TE683 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0076-03

1 發(fā)電廠概況

DCS控制系統(tǒng)在長期運行過程中會發(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，增加了維護難度。而此文案例中某發(fā)電廠使用的發(fā)電機組為600 MW亞臨界直接空冷火電機組，且該機組運行的時間有10年之久，導致整個DCS系統(tǒng)發(fā)生了較為嚴重的老化現(xiàn)象，電力系統(tǒng)運行過程中故障發(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，主控單元的型號為SM203，版本號為MACSV1.1.0 SP2 PATH5。該類型DCS控制系統(tǒng)為典型的星型結構，有連接30對控制器的兩對系統(tǒng)服務構成，且兩對系統(tǒng)服務的控制內容不同，其中一對主要控制汽輪機和空冷部分，而另一對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、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方面，即爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)、協(xié)調控制系統(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機組為例共劃分為3個域，分別為#0域、#1域、#2域。其中#0域為公用系統(tǒng)域，包括#38-#41控制站；#1域為汽機域，包括#10-#23控制站，其中#10-#16為空冷控制站，#17-#23為汽機控制站；#2域為鍋爐域，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點數(shù)約9260點，配置3對服務器，2臺工程師站，5臺操作員站，2臺通訊站，1臺網(wǎng)關站。通過介紹了解電廠基本的概況，同時也可以發(fā)現(xiàn)DCS控制系統(tǒng)在電廠運行過程中所扮演的重要角色，一旦其硬件發(fā)生故障將會對電力系統(tǒng)運行產生不可估量的損失。這些年經(jīng)過相關技術人員的分析發(fā)現(xiàn)，DCS控制系統(tǒng)并沒有直接引起機組非停故障，但是在實際的運行過程中也存在著諸多的問題，對電力系統(tǒng)的運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)運行時間近10年，因此系統(tǒng)老化現(xiàn)象比較嚴重，其具體表現(xiàn)在以下幾個方面。第一，DCS控制系統(tǒng)運行時間長，達到電子產品理論運行年限，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，而維護費用呈逐年上漲趨勢。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，一旦運行過程中發(fā)生故障，將會對整個電力系統(tǒng)的正常運行造成嚴重的破壞。且技術人員在進行處理的過程中危險系數(shù)較高，實施的解決措施比較復雜，為電力安全生產埋下了安全隱患。第二，DCS系統(tǒng)主控單元故障原因較多，且相互之間的聯(lián)系比較復雜，規(guī)律性不明顯，這就在一定程度上增加了維修及維護的難度。同時主控單元內部的芯片較多，一旦發(fā)生故障，單純更換一個芯片很難消除故障，使系統(tǒng)恢復正常運行。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為SM430，且該信號的熱電阻卡件已經(jīng)停止生產，而目前生產的卡件與舊型號卡件之間兼容性較差，因此一旦機組熱電阻卡件發(fā)生故障，在運行狀態(tài)下無法進行卡件的更換，必須在停機狀態(tài)下進行硬件組態(tài)，再進行卡件的更換。第四，電廠使用的主控單元的型號為MACSV1.1.0 SP2 PATH5，該型號主控單元在實際的運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，導致故障發(fā)生的原因也越來越復雜。

3 探討硬件老化問題

在正常運行狀態(tài)下，電子產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)的使用時間已經(jīng)接近普通電子產品的極限使用時間，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)，電廠機組DCS系統(tǒng)發(fā)生故障主要分布在以下幾個方面，其中主控單元異常46次，占比19.2%；組態(tài)應用出現(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)絡異常19次，占比7.9%；模塊故障52次，占比21.7%；其他（服務器）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)過對事故調查分析發(fā)現(xiàn)，多種因素的存在對故障的發(fā)生都有一定的引誘作用，單純依靠更換內部芯片很難解決問題。另外，隨著DCS系統(tǒng)使用時間的不斷增加，故障發(fā)生的概率會越來越大，產生的現(xiàn)象也會越來越復雜，增加了技術人員對故障發(fā)生原因判斷的準確性，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，這就可能會導致技術人員判斷故障原因出現(xiàn)錯誤，影響電力系統(tǒng)的安全運行。另外，該電廠所使用的為MACSV1.1.0 SP2 PATH5型號的主控單元，在實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，在運行過程中如果主控單元發(fā)生故障，如單元內部芯片損壞、模塊離線、網(wǎng)段故障以及數(shù)據(jù)不刷新等不能及時地向上位機進行信息傳輸，最終導致主控單元自動切換無法正常完成，極有可能導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)計發(fā)現(xiàn)，該電廠研究機組發(fā)生電源模塊故障共23次，其中電源模塊在運行中電壓不穩(wěn)定的故障發(fā)生概率較大，這對主控單元的正常運行將會造成一定的影響。相關的技術人員對每次停機狀態(tài)下機柜內電源模塊的檢測結果進行了詳細記錄，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，機組中供電電壓產生漂移的現(xiàn)象越來越頻發(fā)，且最近一次結果顯示，近30%的供電模塊已經(jīng)出現(xiàn)了電壓漂移的現(xiàn)象，這將會嚴重縮短電源模塊的使用壽命，同時也會在一定程度上對該機組的正常運行造成嚴重的影響，不利于電力安全生產活動的正常進行。

3.3 熱電阻卡件故障率高

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

3.4 組態(tài)軟件運行中存在問題

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

4 淺析預防研究措施

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)運行過程中發(fā)揮著十分重要的作用。而隨著系統(tǒng)運行時間的增加，老化現(xiàn)象也逐漸顯現(xiàn)出來，因此如何切實提高DCS控制系統(tǒng)可靠性已成為了電廠研究的主要問題之一。針對以上情況分析，對電廠系統(tǒng)進行科學合理的改造以及對老化硬件進行必要的更換將極大地降低DCS系統(tǒng)運行故障，進而為電廠安全生產的順利進行提供了堅實的保障。

4.1 選擇合適的DCS控制系統(tǒng)

電廠在進行DCS控制系統(tǒng)選擇的過程中應當對以下幾個方面引起高度的重視。第一，對相似機組運行情況進行統(tǒng)計分析，為今后DCS系統(tǒng)的選擇提供一定的參考。DCS系統(tǒng)在運行初期故障率較高，但是經(jīng)過一段時間運行磨合之后，DCS系統(tǒng)故障率將會明顯下降，且從長期運行情況分析發(fā)現(xiàn)，DCS系統(tǒng)在經(jīng)歷實際投運以及工廠實驗后，其系統(tǒng)可靠性將會明顯提高，因此電廠在進行DCS系統(tǒng)選擇的過程中應當進行科學合理地對比分析。第二，電廠DCS系統(tǒng)對硬件設備的要求較高，尤其是各種各樣的電子元器件必須符合電力系統(tǒng)運行基本要求，因此在選擇過程中應當對硬件設備的質量標準進行嚴格地測試，以保證控制器的存儲能力和運行能力滿足電力系統(tǒng)運行要求。另外，還應當選擇可熱插拔的電子模件，為今后系統(tǒng)的維護等提供方便。第三，為了避免DCS系統(tǒng)發(fā)生局部故障擴大的現(xiàn)象，在進行系統(tǒng)結構設計的過程中應當應用冗余技術，以實現(xiàn)網(wǎng)絡通訊與控制器之間的自動切換。該技術的應用還可以在一定程度上保證在線排除故障的可操作性，同時也為系統(tǒng)安全性的提高打下了堅實的基礎。

4.2 提高施工工藝標準

發(fā)電廠在確定DCS系統(tǒng)型號之后應當加大對施工工藝執(zhí)行情況的監(jiān)督力度，而相關的施工單位應當根據(jù)電廠的實際情況制定科學合理的施工設計方案及施工具體計劃，同時在施工進行之前應當對DCS系統(tǒng)相關要求進行仔細研究，合理安排施工進度。在進行DCS系統(tǒng)調試及安裝的過程中，應當對以下幾方面的問題引起高度的重視。第一，提高系統(tǒng)電子設備內部環(huán)境標準，保證照明、通風、空調及消防等工作符合相關的要求，尤其是系統(tǒng)內部環(huán)境中溫度及濕度應當嚴格控制在標準范圍以內，避免縮短電子產品的使用壽命。例如空調系統(tǒng)的安裝及使用將會對內部溫度進行一定的調節(jié)，避免溫度過高對系統(tǒng)運行造成影響。另外，在安裝空調系統(tǒng)的過程中應當使出風口朝上，避免正對系統(tǒng)控制設備及機柜，以免冷凝水滲入DCS系統(tǒng)中，進而對內部的電子元件造成損壞。第二，施工人員在鋪設電纜的過程中應當保證弱電和強電處于隔離狀態(tài)，且屏蔽線應保證單點接地，并設立單獨的接地柜。另外，施工人員在具體施工過程中應當嚴格按照施工圖紙進行施工操作，切記擅自更改，影響安全生產。

4.3 優(yōu)化程序設計和調試

為了切實提高電廠DCS控制系統(tǒng)運行可靠性，技術人員應當對組態(tài)程序進行一定的優(yōu)化處理，并通過對連鎖、保護邏輯的判斷，利用軟件保護和硬件接線保護相結合的方式對設備進行控制，進而提高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、保護組態(tài)采用的是三取二保護機制，即將開關量與模擬量進行科學合理地結合，在DCS系統(tǒng)設備處于運行安全的前提下，避免系統(tǒng)發(fā)生誤動作。DCS控制系統(tǒng)模擬量自動調節(jié)系統(tǒng)所使用的信號采用的是三取中保護機制，確保信號準確防止擾動。同時相關的技術人員在DCS系統(tǒng)在設計、測試、在線調試、投入運行、驗收等各個階段應當進行全程監(jiān)督，并根據(jù)自身的經(jīng)驗，對系統(tǒng)中易發(fā)生故障的位置進行嚴密監(jiān)控，一旦系統(tǒng)運行過程中發(fā)生故障，應當對故障發(fā)生的原因進行詳細分析，及時采取有效的措施，避免故障擴大，影響系統(tǒng)整體運行。另外，技術人員應當對組態(tài)軟件設計和邏輯控制保護設計等組織專家進行評審，以保證其的合理性，避免運行中出現(xiàn)故障，影響電力生產的安全進行。

4.4 加強技術培訓

發(fā)電廠應當加大對工作人員技術培訓的力度，以切實提高其專業(yè)素質，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，將會對系統(tǒng)軟件和硬件今后的應用性能造成嚴重的影響，同時也會對電子設備等的運行及安全指標造成一定的影響。因此設計人員在進行DCS系統(tǒng)控制方案設計的過程中，應當汲取一線技術施工人員的相關意見，或者設計過程中邀請技術施工人員的參與，這樣一方面保證了設計方案的準確性和合理性，另一方面也提高了操作人員對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。另外，電廠對操作人員技術水平要求較高，尤其是DCS控制系統(tǒng)手動/自動切換、啟停設備等常規(guī)操作要求較高，因此電廠應當加大對操作人員有關方面的技術培訓，建立健全系統(tǒng)操作行為規(guī)范，并進行一定的考核，落實事故責任制度，增強操作技術人員的責任意識，這將會在一定程度上降低故障發(fā)生率，同時也為DCS系統(tǒng)的運行安全提供了保障。

4.5 日常維護

DCS系統(tǒng)運行可靠性的提高除了系統(tǒng)本身的性能外，日常維護也是十分必要的，因此電廠應當安排專門的技術人員對系統(tǒng)進行定期維護，例如定期對DCS系統(tǒng)進行除濕、除塵，避免由此對系統(tǒng)運行造成不利影響，并禁止相關人員在DCS系統(tǒng)中存儲與系統(tǒng)運行無關的數(shù)據(jù)，或者是讀取與系統(tǒng)無關的光盤，以避免對系統(tǒng)數(shù)據(jù)造成干擾。電廠還應當每天根據(jù)點檢標準對設備進行點檢，一旦發(fā)現(xiàn)操作人員出現(xiàn)錯誤操作的現(xiàn)象，應當立即進行干預，并進行指導，以保障DCS系統(tǒng)的正常運行。另外，技術人員在巡檢過程中一旦發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應當立即采取相應的措施，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)的正常運行。

5 結語

總之，發(fā)電廠DCS系統(tǒng)經(jīng)過長時間的運行后，系統(tǒng)硬件老化現(xiàn)象會越來越嚴重，硬件設備發(fā)生故障的頻率會越來越高，尤其是DCS系統(tǒng)主控單元故障率會明顯提高，進而對整個電廠的安全運行造成嚴重的影響，因此電廠應當根據(jù)自身的條件進行系統(tǒng)改造以及相關硬件更換等，以切實降低由系統(tǒng)硬件老化帶來的不利影響。

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