西門子PCS7型DEH控制系統(tǒng)優(yōu)化

曹龍輝

(神華浙江國華浙能發(fā)電有限公司，浙江 寧波 315612)

0 引言

西門子PCS7系統(tǒng)是完全無縫集成的自動(dòng)化解決方案，可以應(yīng)用于所有工業(yè)領(lǐng)域，包括過程工業(yè)、制造工業(yè)、混合工業(yè)以及工業(yè)涉及的制造和過程自動(dòng)化。作為一種先進(jìn)的過程控制系統(tǒng)，SIMATIC PCS7形成了帶有典型過程的組態(tài)特征，主要包括Step7，CFC，SFC，Simatic Net，WinCC 以 及PDM等軟件，組態(tài)對(duì)象選用S7-400高端CPU，通過現(xiàn)場總線與I/O站點(diǎn)的連接，提供雙向的信息交換，實(shí)現(xiàn)各種控制策略，完成數(shù)據(jù)采集、模擬調(diào)節(jié)、順序控制、高級(jí)控制以及其他不同用戶的特殊功能要求。

1 西門子PCS7系統(tǒng)簡介

浙江國華寧海電廠4×600 MW機(jī)組DEH系統(tǒng)使用西門子公司的PCS7型集散控制系統(tǒng)，主要包括基本自動(dòng)控制系統(tǒng)、操作和監(jiān)視系統(tǒng)、工程師站等。該系統(tǒng)通信采用PROFIBUS-DP通信協(xié)議。

自動(dòng)控制系統(tǒng)采用雙控制器，由冗余的S7-417H CPU及高性能CPU FM458、接口模件EXM448-1、高速I/O采集模塊ADDFEM構(gòu)成。其功能分為常規(guī)邏輯部分及快速動(dòng)作2部分，分別由遠(yuǎn)程I/O站ET200M和高速I/O采集模塊ADDFEM實(shí)現(xiàn)。

操作和監(jiān)視系統(tǒng)包含1套以WinCC為基礎(chǔ)的操作員站。

工程師站負(fù)責(zé)組態(tài)及數(shù)據(jù)庫管理。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)分2塊，其中自動(dòng)控制系統(tǒng)、上位機(jī)、工程師站采用100 Mbit以太網(wǎng)通信方式，由光切換模件OSM作為HUB和電纜連接實(shí)現(xiàn)；自動(dòng)控制系統(tǒng)的CPU與ET200M之間、CPU與ADDFEM之間均采用PROFI BUS DP 連接。

PCS7型集散控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：1對(duì)冗余的控制器S7-417H分別與4對(duì)ET200站相連，用于采集現(xiàn)場信號(hào)；2塊CP443卡件與上層網(wǎng)絡(luò)連接，用于傳送數(shù)據(jù)；2塊高速控制器 FM458通過通信卡EXM448-1驅(qū)動(dòng)4塊ADDFEM卡，負(fù)責(zé)采集、處理DEH系統(tǒng)中的重要信號(hào)，如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)門指令及反饋、發(fā)電機(jī)功率等。

2 PCS7型集散控制系統(tǒng)優(yōu)化的必要性

自投產(chǎn)以來，該系統(tǒng)基本的自動(dòng)控制、操作和監(jiān)視功能等均能滿足機(jī)組的運(yùn)行要求，但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件方面的缺陷，導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。

2.1 雙控制器交叉運(yùn)行故障

417H與FM458在設(shè)計(jì)上是獨(dú)立運(yùn)行的，分別處理不同的現(xiàn)場信號(hào)，但2個(gè)FM458之間的冗余切換需要依靠417H的光纖同步器來完成。如果一側(cè)的417H控制器出現(xiàn)問題，F(xiàn)M458控制器也無法進(jìn)行冗余切換；如果出現(xiàn)交叉故障，即一側(cè)的417H控制器故障，另一側(cè)的FM458控制器故障，那么DEH系統(tǒng)將無法正常運(yùn)行。

2.2 硬件易損壞

EXM448-1通信卡件負(fù)責(zé)連接FM458與ADDFEM卡，一旦出現(xiàn)問題，就會(huì)導(dǎo)致控制器無法對(duì)現(xiàn)場的調(diào)門進(jìn)行控制。在現(xiàn)場實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)EXM448-1卡件運(yùn)行一段時(shí)間后，若在檢修時(shí)斷電后再送電，大概率會(huì)發(fā)生卡件損壞事故，且無法修復(fù)。

2.3 備件缺乏

因EXM448-1通信模件故障率較高，西門子公司已逐步停止生產(chǎn)該卡件。自機(jī)組投產(chǎn)以來，出現(xiàn)多起EXM448-1卡件損壞事故，現(xiàn)有備件基本消耗完，市面上也已沒有該型號(hào)卡件出售。

3 優(yōu)化總體方案

3.1 取消EXM448-1通信模件

由于EXM448-1卡件的功能只是作為FM458與ADDFEM卡的PROFIBUS-DP通信接口，而FM458上本身自帶PROFIBUS-DP通信端口，因此可以考慮取消EXM448-1通信模件，改為FM458與ADDFEM的直連方式，以減少中間環(huán)節(jié)，降低卡件的故障率。通過取消EXM448-1卡件的技術(shù)改造方法，可以解決EXM448-1卡件故障率高且備件停產(chǎn)的問題，同時(shí)也提高了DEH控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。升級(jí)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 升級(jí)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.2 升級(jí)ADDFEM卡

取消EXM448-1卡件后，ADDFEM卡必須由FM458直接驅(qū)動(dòng)，但經(jīng)過廠家測試，6DL3100-8AA型的ADDFEM卡版本較低，不能由FM458直接驅(qū)動(dòng)，因此必須升級(jí)為6DL3100-8AC型。

3.3 組態(tài)程序升級(jí)

必須更新FM458，AS417H及ADDFEM卡用戶程序，包括接口軟件、庫函數(shù)等，這些可在FM458，AS417H及ADDFEM卡中進(jìn)行組態(tài)修改。

4 優(yōu)化方案實(shí)施

4.1 硬件安裝

系統(tǒng)斷電后，拆下EXM448-1卡件，將PROFIBUS-DP通信線拔下，直接插在FM458卡件的X3接口。更換ADDFEM卡，設(shè)置地址，4塊ADDFEM卡從左往右地址依次為3，4，5，6，與硬件組態(tài)中對(duì)應(yīng)。設(shè)置完畢后，將ADDFEM卡轉(zhuǎn)到RUN或者RUN-P狀態(tài)。

ADDFEM卡地址設(shè)置過程：查看原地址，工作模式轉(zhuǎn)到MRES狀態(tài)，地址清零，撥片撥到“0”位置；等USR1燈從慢閃到快閃時(shí)，進(jìn)入地址設(shè)置；設(shè)置好地址，把運(yùn)行模式轉(zhuǎn)到MERS狀態(tài)進(jìn)行保存，工作模式轉(zhuǎn)到RUN狀態(tài)，地址設(shè)置完成。

4.2 修改邏輯組態(tài)

首先，備份原邏輯。修改硬件組態(tài)，組態(tài)中刪除EXM448-1卡件，增加FM458的PROFIBUSDP網(wǎng)絡(luò)，速率為12 Mbs。添加4塊ADDFEM卡，設(shè)地址及配置通道參數(shù)。組態(tài)時(shí)如果找不到ADDFEM卡，必須要導(dǎo)入GSD文件；該文件在ADDFEM卡自帶的光盤中，文件名為SIF080A3.GSE。導(dǎo)入后在硬件庫里可以找到6DL3100-8AC型號(hào)的ADDFEM卡。

其次，打開硬件組態(tài)，刪除EXM448-1卡件和老型號(hào)的ADDFEM卡，在主從側(cè)分別添加新型號(hào)為6DL3100-8AC的ADDFEM卡，并配置好硬件通道類型。

軟件邏輯方面做如下修改：

(1) 將原ADDFEM卡通信接口EXM443.X01修改為4581DP.X3；

(2) 在“ADD7R1”模塊的入口處，新增“SWB_B”模塊，將信號(hào)W05至W22分別斷開后通過“SWB_B”模塊依次連接起來；

(3) 在“ADD7NT”模塊的出口處，交換C11和C12接口的輸出；

(4) 在“ADD7T”模塊的出口處，新增“SWB_B”模塊，依次連接信號(hào)W02至W09。

最后，將修改好的邏輯保存，編譯下裝，下載順序?yàn)橛布W(wǎng)絡(luò)—軟件，在硬件、網(wǎng)絡(luò)及FM458左右兩側(cè)分別下裝。在下裝過程中，可能會(huì)遇到FM458報(bào)錯(cuò)，則要勾選初始登錄選項(xiàng)，相當(dāng)于將原來的邏輯清空，再重新啟動(dòng)CPU。

4.3 硬件檢查及通道測試

4.3.1 硬件檢查

硬件及軟件邏輯修改完畢后，檢查硬件，發(fā)現(xiàn)FM458及ADDFEM卡外部故障報(bào)警紅燈亮起，說明該卡件有故障。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看，F(xiàn)M458外部故障應(yīng)該是ADDFFM卡故障引起的。系統(tǒng)升級(jí)前，ADDFFM卡一直有外部故障，在FM458和ADDFFM卡之間有EXM448-1卡件，所以FM458沒有顯示外部故障，在FM458與EXM448-1卡直連后，該故障報(bào)警就送到FM458顯示。

對(duì)ADDFEM卡進(jìn)行詳細(xì)分析后，發(fā)現(xiàn)ADDFEM卡有空余AI通道及DO通道未使用，導(dǎo)致外部故障報(bào)警。ADDFEM卡有AI/AO/DI/DO 4種信號(hào)類型，AI為12通道，前6個(gè)通道為0—10 V電壓型信號(hào)，7—12通道可設(shè)置為0—20 mA或4—20 mA電流型信號(hào)（或設(shè)置為電壓信號(hào)），而未使用的通道全部組態(tài)為4—20 mA電流信號(hào)，所以卡件認(rèn)為該通道斷線。DO通道則需要外接24 V電源供電，否則卡件認(rèn)為該通道不正常。

因此，可考慮使用2個(gè)方法消除此故障：

(1) 將ADDFEM卡的AI空通道組態(tài)為0—20 mA信號(hào)；

(2) 空余DO通道接入24 V電源。

修改完畢后，ADDFEM及FM458卡外部故障紅燈均消失。

4.3.2 通道測試

硬件及邏輯組態(tài)修改完成后，為保證系統(tǒng)硬件的可靠，需要進(jìn)行通道測試。測試內(nèi)容包括：

(1) AI/DI通道，使用信號(hào)發(fā)生器模擬，記錄組態(tài)邏輯中的輸入值；

(2) DO通道，使用信號(hào)發(fā)生器模擬信號(hào)，在機(jī)柜內(nèi)記錄繼電器是否動(dòng)作；

(3) AO通道，測試時(shí)需要將3個(gè)掛閘信號(hào)短接，在邏輯中修改每個(gè)指令輸出的限制，強(qiáng)制AO通道有輸出，在卡件測量通道的輸出電流。如調(diào)門指令，在PIC功能塊中強(qiáng)制上限LU和下限LL，強(qiáng)制值為-1—+1，對(duì)應(yīng)的輸出值為-30—+30 mA。

4.4 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證DEH邏輯的正確性，在控制系統(tǒng)升級(jí)或邏輯大量修改時(shí)，需要進(jìn)行DEH仿真試驗(yàn)，完全模擬機(jī)組的正常運(yùn)行狀態(tài)，以保證DEH系統(tǒng)的可靠性。

4.4.1 仿真參數(shù)

仿真試驗(yàn)需要修改較多參數(shù)，在仿真試驗(yàn)前需要將邏輯做好備份，在原有邏輯上直接做修改并做好記錄，仿真試驗(yàn)完成后恢復(fù)參數(shù)。需要修改的參數(shù)主要有：功率信號(hào)、轉(zhuǎn)速信號(hào)、掛閘信號(hào)、并網(wǎng)信號(hào)、第一級(jí)壓力信號(hào)等。

仿真試驗(yàn)在沖轉(zhuǎn)過程中遇到轉(zhuǎn)速抖動(dòng)的情況，分析后發(fā)現(xiàn)，是由于仿真試驗(yàn)跟實(shí)際沖轉(zhuǎn)時(shí)汽輪機(jī)的慣性不一致，主汽門及調(diào)門的PID參數(shù)不合適。經(jīng)整定PID參數(shù)后，可以沖轉(zhuǎn)并網(wǎng)，仿真試驗(yàn)得以順利進(jìn)行。

4.4.2 具體操作

(1) 備份原邏輯，修改仿真邏輯并下裝。模擬主蒸汽壓力，模擬中主門開到位信號(hào)，進(jìn)行純仿真試驗(yàn)。在“操作員自動(dòng)”控制模式下，在仿真面板SIM上模擬汽輪機(jī)掛閘，設(shè)閥限108，設(shè)置初始轉(zhuǎn)速目標(biāo)值。

(2) 控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速控制方式下，按機(jī)組啟動(dòng)升速的各階段設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率，轉(zhuǎn)速在2 950 r/min時(shí)進(jìn)行閥切換，由TV控制切換為GV控制，閥切換完畢時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定值3 000 r/min，升速到額定轉(zhuǎn)速，檢查控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的全程調(diào)節(jié)功能。等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min后繼續(xù)如下實(shí)驗(yàn)步驟。

(3) 電超速仿真試驗(yàn)必須在模擬并網(wǎng)前，汽機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時(shí)進(jìn)行。確認(rèn)DEH方式在“操作員自動(dòng)”及“單閥”控制方式，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速3 100 r/min。

轉(zhuǎn)速升至＞103 %額定轉(zhuǎn)速，OPC動(dòng)作后將轉(zhuǎn)速設(shè)定值設(shè)置為3 000 r/min，同時(shí)檢查確認(rèn)OPC信號(hào)輸出是否正常，30CBA03柜K3K4K5K6繼電器動(dòng)作是否正確，畫面上高中壓調(diào)節(jié)汽門是否關(guān)閉。待轉(zhuǎn)速達(dá)到重新開啟閥門的條件時(shí)重新開啟高中壓調(diào)門，維持正常額定轉(zhuǎn)速。

(4) 在DEH操作員站ETS試驗(yàn)畫面上確認(rèn)電超速保護(hù)投入。在DEH控制總貌上選擇“OPC模式”窗口，投入“OPC失效”模式。在DEH控制總貌畫面的“控制設(shè)定值”窗口中設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速3 310 r/min和升速率50 r/min，提升汽機(jī)轉(zhuǎn)速。

(5) 汽機(jī)轉(zhuǎn)速升至電超速動(dòng)作轉(zhuǎn)速3 300 r/min(110 %額定轉(zhuǎn)速)，ETS畫面上“電超速跳機(jī)”亮，確認(rèn)汽機(jī)跳閘、轉(zhuǎn)速下降，各主汽門、調(diào)速汽門關(guān)閉，電超速已動(dòng)作，確認(rèn)30CBA03柜K1K2K7繼電器動(dòng)作正確。在DEH控制總貌上選擇“OPC模式”窗口，切除“OPC失效”模式。

(6) 機(jī)組重新掛閘，按機(jī)組啟動(dòng)升速各階段設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速至2 950 r/min，TV/GV閥切換后升速至3 000 r/min并維持。

(7) 模擬并網(wǎng)帶初始負(fù)荷。設(shè)定負(fù)荷目標(biāo)及負(fù)荷變化率，將負(fù)荷升至200 MW，400 MW，600 MW。負(fù)荷穩(wěn)定至600 MW進(jìn)行單多閥切換試驗(yàn)(閥門由單閥切至順序閥)。

(8) DEH投入遙控方式。DCS側(cè)OM操作設(shè)定負(fù)荷設(shè)定值，將負(fù)荷減至300 MW，檢查控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷控制的全程調(diào)節(jié)功能。進(jìn)行單多閥切換(閥門由順序閥切換為單閥)，切除DEH遙控。模擬機(jī)組打閘，純仿真試驗(yàn)結(jié)束。

(9) 熱控人員短接ETS信號(hào)，使機(jī)組具備掛閘條件（進(jìn)行帶油動(dòng)機(jī)的混仿試驗(yàn)）。在“操作員自動(dòng)”控制模式下，模擬主蒸汽壓力，模擬中主門開到位信號(hào)。運(yùn)行人員啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備，機(jī)組掛閘，設(shè)閥限108，設(shè)置初始轉(zhuǎn)速目標(biāo)值。

(10) 控制系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速控制方式下，按機(jī)組啟動(dòng)升速的各階段設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率，轉(zhuǎn)速在2 950 r/min時(shí)進(jìn)行閥切換由TV控制切換為GV控制，閥切換完畢時(shí)轉(zhuǎn)速設(shè)定值3 000 r/min，升速到額定轉(zhuǎn)速，檢查控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的全程調(diào)節(jié)功能。等待轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在3 000 r/min轉(zhuǎn)后繼續(xù)如下試驗(yàn)步驟。

(11) 電超速仿真試驗(yàn)必須在模擬并網(wǎng)前，汽機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000 r/min時(shí)進(jìn)行。確認(rèn)DEH方式在“操作員自動(dòng)”及“單閥”控制方式，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速3 100 r/min，轉(zhuǎn)速升至103 %額定轉(zhuǎn)速，OPC正確動(dòng)作后將轉(zhuǎn)速設(shè)定值設(shè)置為3 000 r/min，同時(shí)檢查確認(rèn)30CBA03柜K3/K4/K5/K6繼電器動(dòng)作正確，就地OPC電磁閥動(dòng)作正確，高中壓調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉。待轉(zhuǎn)速達(dá)到重新開啟閥門的條件時(shí)重新開啟高中壓調(diào)門，維持正常額定轉(zhuǎn)速，OPC仿真試驗(yàn)結(jié)束。

(12) 在DEH操作員站ETS試驗(yàn)畫面上確認(rèn)電超速保護(hù)投入。在DEH控制總貌上選擇“OPC模式”窗口，投入“OPC失效”模式。

(13) 在DEH控制總貌畫面的“控制設(shè)定值”窗口設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速3 310 r/min和升速率50 r/min，提升汽機(jī)轉(zhuǎn)速。汽機(jī)轉(zhuǎn)速上升至電超速動(dòng)作轉(zhuǎn)速3 300 r/min(110 %額定轉(zhuǎn)速)，ETS畫面上“電超速跳機(jī)”亮，確認(rèn)汽機(jī)跳閘、轉(zhuǎn)速下降，各主汽門、調(diào)速汽門、抽汽逆止門關(guān)閉，電超速已動(dòng)作，確認(rèn)30CBA03柜K1K2K7繼電器動(dòng)作正確。在DEH控制總貌畫面上選擇“OPC模式”窗口，切除“OPC失效”模式。

(14) 機(jī)組重新掛閘，按機(jī)組啟動(dòng)升速各階段設(shè)置目標(biāo)轉(zhuǎn)速和升速率，設(shè)定目標(biāo)轉(zhuǎn)速至2 950 r/min，TV/GV閥切換后升速至3 000 r/min并維持轉(zhuǎn)速不變。

(15) 仿真面板上模擬發(fā)電機(jī)并網(wǎng)帶初始負(fù)荷。設(shè)定負(fù)荷目標(biāo)及負(fù)荷變化率，將負(fù)荷升至200 MW，400 MW，600 MW。負(fù)荷穩(wěn)定至600 MW進(jìn)行主汽門松動(dòng)試驗(yàn)。

(16) 投DCS上DEH概貌畫面中的“VALVE NOT TEST”塊，并確認(rèn)該畫面上所有閥門均未在被選中狀態(tài)。

(17) 在DEH總貌畫面上選中 “TV1松動(dòng)” 試驗(yàn)塊，執(zhí)行“試驗(yàn)投入”。檢查TV1自動(dòng)關(guān)閉至80 %開度，就地檢查動(dòng)作正常，執(zhí)行“試驗(yàn)切除”。檢查TV1自動(dòng)開啟至100 %開度，就地檢查動(dòng)作正常。投DCS上DEH概貌畫面中的“VALVE NOT TEST”塊，并確認(rèn)該畫面上所有閥門均未在被選中狀態(tài)。

(18) 在DEH總貌畫面上選中 “TV2松動(dòng)” 試驗(yàn)塊，執(zhí)行“試驗(yàn)投入”，檢查TV2自動(dòng)關(guān)閉至80 %開度，就地檢查動(dòng)作正常，執(zhí)行“試驗(yàn)切除”，檢查TV2自動(dòng)開啟至100 %開度，就地檢查動(dòng)作正常。投DCS上DEH概貌畫面中的“VALVE NOT TEST”塊，并確認(rèn)該畫面上所有閥門均未在被選中狀態(tài)。

(19) 負(fù)荷穩(wěn)定至600 MW時(shí)，進(jìn)行主從CPU冗余切換試驗(yàn)。檢查切換過程中各項(xiàng)控制參數(shù)是否正常。

CPU切換試驗(yàn)完畢后負(fù)荷穩(wěn)定在600 MW，進(jìn)行單多閥切換試驗(yàn)（閥門由單閥切至順序閥）。

(20) DEH投入遙控方式，DCS側(cè)OM操作設(shè)定負(fù)荷設(shè)定值，將負(fù)荷減至300 MW檢查控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)組負(fù)荷控制的全程調(diào)節(jié)功能。進(jìn)行單多閥切換（閥門由順序閥切換為單閥）。切除DEH遙控。負(fù)荷設(shè)定值100 MW，負(fù)荷降至100 MW。

(21) 運(yùn)行按手動(dòng)停機(jī)，機(jī)組停運(yùn)。解除邏輯中信號(hào)強(qiáng)制，恢復(fù)原邏輯。

5 總結(jié)

西門子PCS 7系統(tǒng)優(yōu)化后，解決了如下問題。

(1) DEH控制系統(tǒng)CPU冗余切換慢。FM458與ADDFEM卡件通信需要依靠EXM448-1卡件，切換時(shí)可能出現(xiàn)故障。

(2) EXM448-1卡件故障問題。檢修期間停送電后，EXM448-1卡件極易損壞，且不可修復(fù)，只能更換。

(3) EXM448-1卡件備件問題。EXM448-1卡件已經(jīng)停產(chǎn)，現(xiàn)在使用庫存?zhèn)浼?，且價(jià)格極其昂貴。

經(jīng)過本次系統(tǒng)優(yōu)化，減少了系統(tǒng)通信環(huán)節(jié)，優(yōu)化了控制策略和控制工藝，簡化系統(tǒng)維護(hù)工作，提高了西門子PCS7型DEH控制系統(tǒng)的可靠性，保證了汽輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

下?期?要?目

● 大型發(fā)電企業(yè)外包工程安全管理問題及對(duì)策

● 基于遠(yuǎn)程診斷技術(shù)開展的設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化實(shí)踐

● SNCR-SCR聯(lián)合脫硝工藝影響因素探析

● 輸變電設(shè)備集中監(jiān)控信息專家?guī)旖ㄔO(shè)

● 低壓配電網(wǎng)三相不平衡補(bǔ)償裝置研究