DCS通信故障實(shí)例及分析

謝培嚴(yán)

（浙江鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江寧波315208）

DCS通信故障實(shí)例及分析

謝培嚴(yán)

（浙江鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江寧波315208）

例舉DCS控制系統(tǒng)內(nèi)部通信故障實(shí)例，從控制系統(tǒng)硬件和軟件2個(gè)方面分析了引起故障的可能性，針對(duì)發(fā)電廠維護(hù)無(wú)法解決的控制系統(tǒng)自身缺陷，提出通過(guò)軟件優(yōu)化提高控制系統(tǒng)容錯(cuò)能力的方法，以提高控制系統(tǒng)的可靠性。

DCS；硬件故障；程序優(yōu)化；容錯(cuò)能力；ABB

近年來(lái)，DCS（分散控制系統(tǒng)）由于其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，絕大多數(shù)發(fā)電企業(yè)尤其是大型機(jī)組的生產(chǎn)過(guò)程控制，均采用了各型進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)DCS。

雖然DCS技術(shù)先進(jìn)，功能強(qiáng)大，但實(shí)際應(yīng)用中仍存在諸多問(wèn)題。資料顯示，由于DCS原因引起熱控保護(hù)誤動(dòng)而造成的機(jī)組跳閘在全部熱控保護(hù)誤動(dòng)中占很大比例，其中除了DCS設(shè)計(jì)、維護(hù)以及管理不當(dāng)?shù)仍蛲?，由于DCS自身硬件缺陷引起的熱工保護(hù)誤動(dòng)也不在少數(shù)。

本文針對(duì)ABB的DCS控制系統(tǒng)內(nèi)部模件間通信瞬間中斷問(wèn)題，詳細(xì)分析造成通信故障的各種可能，并提出了解決問(wèn)題的方法。

1 DCS通信網(wǎng)絡(luò)概況

在ABB的DCS控制系統(tǒng)中，為更好地把數(shù)據(jù)傳遞至相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，通信網(wǎng)絡(luò)采用如圖1所示的多層獨(dú)立環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包括3個(gè)數(shù)據(jù)層，分別為：

圖1 DCS通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）過(guò)程數(shù)據(jù)管理層：CNET（Control Network）。

（2）過(guò)程控制數(shù)據(jù)層：CW（Control Way）。

（3）過(guò)程I/O數(shù)據(jù)層：擴(kuò)展總線或子模件總線XB（Expander Bus）或SLAVE BUS。

以下涉及的通信故障發(fā)生在過(guò)程控制數(shù)據(jù)層，即CW，它是一個(gè)冗余的串行鏈路，傳輸速率為1M波特率，支持最多32個(gè)節(jié)點(diǎn)，用于控制器（MFP與BRC）之間以及控制器與NPM（網(wǎng)絡(luò)處理模件）之間的數(shù)據(jù)交換。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理模件傳送CNET的組態(tài)下裝數(shù)據(jù)，控制回路整定參數(shù)以及例外報(bào)告等，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制器間信號(hào)傳遞和共享。CW通信協(xié)議采用自由競(jìng)爭(zhēng)方式協(xié)議。自由競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議的工作方式是以總線結(jié)構(gòu)連接的所有節(jié)點(diǎn)均是獨(dú)立的、平等的通信主體，以廣播方式發(fā)布信息，而其余節(jié)點(diǎn)處于接收狀態(tài)。控制通道的通信網(wǎng)絡(luò)一般安裝在機(jī)柜內(nèi)，抗干擾較好。

為了控制和減少網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息量，DCS采用例外報(bào)告技術(shù)，即在過(guò)程控制中，產(chǎn)生的涉及測(cè)量數(shù)據(jù)、操作、報(bào)警、管理的信息經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)處理后，形成一種反映信息值的專門(mén)報(bào)告。產(chǎn)生例外報(bào)告有三大判斷條件：數(shù)據(jù)的變化率，即例外報(bào)告死區(qū)；采集數(shù)據(jù)的時(shí)間是否達(dá)到例外報(bào)告的最大、最小時(shí)間；數(shù)據(jù)超過(guò)限制值或返回到報(bào)警限。例外報(bào)告的最大、最小時(shí)間與數(shù)據(jù)超過(guò)限制值可以通過(guò)組態(tài)進(jìn)行設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)傳遞的信息量。不同測(cè)量點(diǎn)可設(shè)定不同例外報(bào)告參數(shù)，可使重要參數(shù)更多的占用網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信的目的。

ABB的DCS控制系統(tǒng)為上世紀(jì)八十年代的產(chǎn)品，由于受當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)水平的影響，其通信網(wǎng)絡(luò)的容量和速率都比較低，CNET通信速率為10M波特率，CW通信速率僅為1M波特率。但由于采用例外報(bào)告技術(shù)和數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)手段，相對(duì)于同時(shí)期其他DCS產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)通信具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這也使得ABB多年來(lái)在這方面鮮有創(chuàng)新和突破，而其他DCS廠家不斷采用最新的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，不斷完善和優(yōu)化控制網(wǎng)絡(luò)，通信容量和速度已比ABB的產(chǎn)品高幾十倍。

2 CW通信故障實(shí)例

2.1 故障一

某發(fā)電廠鍋爐主蒸汽溫度低和低低同時(shí)瞬間報(bào)警，造成汽輪機(jī)跳閘，報(bào)警時(shí)間小于1 s，其他無(wú)任何報(bào)警，該溫度低報(bào)警是通過(guò)主蒸汽溫度模擬量信號(hào)在控制程序中設(shè)置的軟報(bào)警，事后查看模擬量信號(hào)沒(méi)有發(fā)生過(guò)變化。由于模擬量信號(hào)例外報(bào)告的組態(tài)在4號(hào)控制器中，溫度低和低低信號(hào)組態(tài)和報(bào)警例外報(bào)告在6號(hào)控制器中，所以排除其他因素后，懷疑是CW通信異常造成該故障，這2個(gè)控制器分別為BRC300和MFP03，而這2個(gè)控制器內(nèi)的其他信號(hào)由于缺少監(jiān)視手段，無(wú)法確認(rèn)其他信號(hào)是否發(fā)生過(guò)通信異常情況。

2.2 故障二

某發(fā)電廠在機(jī)組停機(jī)過(guò)程中，鍋爐汽包水位2低、3低同時(shí)發(fā)信，1 s以內(nèi)又同時(shí)恢復(fù)，造成鍋爐跳閘。檢查報(bào)警記錄，無(wú)其他報(bào)警，卡件運(yùn)行正常，現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)模擬量水位信號(hào)和汽包壓力信號(hào)都沒(méi)有發(fā)生大幅度的波動(dòng)。

汽包水位2低、3低信號(hào)運(yùn)算如下：由現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)模擬量水位信號(hào)通過(guò)3取中，再乘以汽包壓力修正系數(shù)，然后通過(guò)高低限比較獲得。而汽包壓力修正系數(shù)是在另外一個(gè)控制器計(jì)算后通過(guò)CW通信獲得。應(yīng)用排除法基本可以肯定該故障是由于汽包壓力修正系數(shù)信號(hào)通信丟失，瞬間值變零引起。模件間其他通信未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

3 故障原因分析

通過(guò)查DCS趨勢(shì)及進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，確定這2起故障都可能是控制器間CW通信異常所致。ABB的控制系統(tǒng)在其他使用廠家也曾出現(xiàn)過(guò)類似問(wèn)題，總結(jié)CW通信異常可能原因有以下幾種（不包括硬件損壞的情況）。

3.1 CW芯片本身的問(wèn)題

2007年ABB公司曾出過(guò)技術(shù)通報(bào)，由于芯片可能會(huì)發(fā)生CW通信丟失，所以對(duì)BRC300，NPM12，NIS21，MFP12，CPM02模件辨識(shí)芯片6644789A1或FPGA芯片型號(hào)為E19B要求進(jìn)行升級(jí)。因此為了排查芯片本身問(wèn)題，檢查了所有模件CW芯片，確認(rèn)所有控制器芯片不屬于ABB公司通報(bào)的問(wèn)題CW芯片。

3.2 通信量太大

CW的通信速率為1M波特率，當(dāng)通信量比較大時(shí)，容易引起通信堵塞。該廠主模件控制對(duì)象功能劃分不是很合理，對(duì)余熱鍋爐的控制采用2對(duì)主模件，其中1對(duì)主要負(fù)責(zé)I/O信號(hào)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)級(jí)的控制，而另1對(duì)主模件主要用于設(shè)備驅(qū)動(dòng)的邏輯條件運(yùn)算，不帶I/O模件。以泵的控制為例，泵的相關(guān)狀態(tài)由前1對(duì)主模件采樣，然后通過(guò)CW通信至邏輯條件運(yùn)算的模件進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果再通過(guò)CW通信返回至原主模件控制泵的指令輸出。按這種方式，每個(gè)控制對(duì)象都需要通過(guò)2對(duì)模件共同來(lái)完成，大大增加了CW通信量。

另外，組態(tài)不合理時(shí)也會(huì)大大增加通信量。如例外報(bào)告死區(qū)的設(shè)置，一般情況下例外報(bào)告死區(qū)設(shè)置為1%，如果死區(qū)設(shè)置成0.1%，那么該點(diǎn)信號(hào)將產(chǎn)生正常設(shè)置數(shù)十倍的通信量。事后檢查例外報(bào)告參數(shù)設(shè)置，未發(fā)現(xiàn)設(shè)置不合理的情況。

3.3 信號(hào)干擾

故障的原因也可能由于信號(hào)干擾引起。但CW的整個(gè)通信都在同一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，對(duì)模件柜內(nèi)可能存在的信號(hào)干擾進(jìn)行排查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)有干擾源。事故發(fā)生時(shí)，沒(méi)有在該機(jī)柜內(nèi)開(kāi)展工作，測(cè)試也未發(fā)現(xiàn)異常。

3.4 模件或CW芯片的匹配問(wèn)題

控制系統(tǒng)的硬件升級(jí)一般都非常頻繁，以ABB的控制系統(tǒng)的主模件為例，近10年來(lái)先后經(jīng)歷了從MFP02/03到MFP12，再到BRC系列，BRC系列也由最初的BRC100發(fā)展到現(xiàn)在的BRC400。而主模件的芯片和CW芯片的版本更是多不勝數(shù)，每年都有版本更新。一些DCS使用年限較長(zhǎng)的用戶不可能緊跟廠家的開(kāi)發(fā)步調(diào)，有時(shí)為了節(jié)約成本，往往出現(xiàn)多種版本的卡件同時(shí)使用的情況。出現(xiàn)CW通信故障的2對(duì)主模件正是不同版本的卡件，其中1對(duì)是MFP03，另1對(duì)為BRC300，主模件芯片和CW芯片也是不同的版本，這也可能會(huì)造成通信故障。

3.5 主模件負(fù)荷率高

部分主模件負(fù)荷率較高，有的甚至達(dá)到70%以上。這是因?yàn)楫?dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有充分考慮主模件的余量；主模件版本比較老，CPU運(yùn)算速率較低，再加上后期進(jìn)行了大量的外圍系統(tǒng)設(shè)備DCS控制改造，也增加了DCS負(fù)擔(dān)。主模件負(fù)荷率高對(duì)DCS系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性肯定會(huì)有影響，以上兩起CW通信故障不排除主模件負(fù)荷率高這一原因。

4 解決措施

在以上CW通信故障的可能原因中，模件或CW芯片不一致、主模件負(fù)荷率高以及通信量大這3種原因造成故障的可能性最大。由于這種故障頻率很低，出現(xiàn)時(shí)又是瞬間，普通的技術(shù)手段很難監(jiān)測(cè)或試驗(yàn)。所以真正原因還是不能確定，也不排除DCS設(shè)備不穩(wěn)定引起，廠家應(yīng)加強(qiáng)對(duì)這方面進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)前面分析的情況，主要做了以下這些工作。

4.1 芯片版本升級(jí)

針對(duì)模件或CW芯片不一致可能對(duì)CW通信故障造成影響的問(wèn)題，在廠家的協(xié)助下進(jìn)行芯片版本升級(jí)：

（1）控制器芯片（包括網(wǎng)絡(luò)處理NPM）升級(jí)：控制器芯片版本升級(jí)不需要更換任何硬件，而是用廠家專用的程序通過(guò)電腦的并口連接到卡件進(jìn)行程序更新，該項(xiàng)工作需要卡件離線時(shí)進(jìn)行。

（2）CW通信芯片升級(jí)：CW通信芯片有2種，一種是普通的CW芯片，一種是FPGA芯片（可編程邏輯器件），普通的CW芯片只能通過(guò)更換來(lái)實(shí)現(xiàn)升級(jí)，F(xiàn)PGA芯片升級(jí)可以通過(guò)重寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)，方法類似于控制器芯片的升級(jí)。

4.2 主模件升級(jí)

主模件升級(jí)一方面能夠解決主模件負(fù)荷率高的問(wèn)題，另一方面可以提高CW通信的可靠性。但是鑒于全部更換主模件的費(fèi)用問(wèn)題，遵循CW通信量、目前使用的負(fù)荷率以及模件控制對(duì)象的重要性3個(gè)原則，選取其中3對(duì)控制器進(jìn)行更換。MFP02/03控制器升級(jí)成BRC300。主模件更換后，負(fù)荷率由原來(lái)的70%降到30%左右，其他模件通過(guò)損壞更新方式逐步過(guò)渡進(jìn)行升級(jí)。

4.3 信號(hào)冗余和容錯(cuò)處理

由于以上僅是對(duì)故障可能原因的處理措施，不保證該故障已經(jīng)被徹底的消除，所以在此基礎(chǔ)上，還增加了重要通信信號(hào)的信號(hào)冗余和信號(hào)容錯(cuò)功能，通過(guò)邏輯優(yōu)化將該故障對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行的影響降到最低。

首先對(duì)所有模件間通信的重要信號(hào)進(jìn)行排查，根據(jù)組態(tài)邏輯，對(duì)通信故障引起信號(hào)突變情況下可能會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行的信號(hào)進(jìn)行控制邏輯優(yōu)化，這樣大大縮小了優(yōu)化工作的范圍。信號(hào)優(yōu)化的方法有：

（1）增加信號(hào)范圍限制。有些模擬量參數(shù)，有一個(gè)特定的范圍，如汽包壓力修正系數(shù)正常情況下始終是一個(gè)大于“1”的系數(shù)，因此在汽包壓力修正系數(shù)通信后數(shù)據(jù)與常數(shù)“1”進(jìn)行“大選”運(yùn)算，即在任何情況下，使該值不會(huì)再小于“1”，這樣避免該信號(hào)在通信故障情況下再次發(fā)生同類問(wèn)題。

（2）通過(guò)壞質(zhì)量檢測(cè)進(jìn)行信號(hào)切換。在通信故障情況下，信號(hào)為壞質(zhì)量，可以通過(guò)信號(hào)壞質(zhì)量檢測(cè)功能碼檢測(cè)，在通信故障時(shí)，用常數(shù)或其它同類型測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行替代。如汽包水位的控制，信號(hào)通過(guò)質(zhì)量判斷功能碼的檢測(cè)，如果判斷為壞值，就用參數(shù)0代替，避免超限壞值對(duì)計(jì)算控制的影響。

（3）增加信號(hào)延時(shí)或變化速率限制。由于模件間系統(tǒng)通信故障時(shí)間都很短，根據(jù)控制對(duì)象對(duì)保護(hù)時(shí)限要求，加適當(dāng)?shù)男盘?hào)延時(shí)或變化速率限制，可以躲過(guò)通信信號(hào)瞬間故障的影響。

（4）增加冗余方法。在信號(hào)發(fā)送的模件中，對(duì)于重要信號(hào)同時(shí)發(fā)送6路，在信號(hào)接收的模件中，對(duì)接收的6路信號(hào)進(jìn)行6取3，這樣大大提高信號(hào)的可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著DCS使用時(shí)間變長(zhǎng)和DCS廠家新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，DCS的用戶都將面臨著控制卡件升級(jí)問(wèn)題，在對(duì)卡件進(jìn)行部分升級(jí)的過(guò)程中，應(yīng)注意不同版本控制卡件的兼容性問(wèn)題，在備件采購(gòu)和更換時(shí)，應(yīng)注意芯片的版本，定期進(jìn)行卡件芯片升級(jí)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

對(duì)于ABB的控制系統(tǒng)，盡量將同一批有相關(guān)邏輯關(guān)系的控制對(duì)象組態(tài)在同一控制器，減少不同控制器間的通信；合理設(shè)置例外報(bào)告，控制通信的數(shù)據(jù)量?？刂葡到y(tǒng)的硬件故障很多可以通過(guò)程序的合理組態(tài)，避免事故的擴(kuò)大，控制程序的優(yōu)化對(duì)一個(gè)軟件編程人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)永無(wú)止境的追求。

[1]程永紅，秦東亮，李勇.DCS系統(tǒng)故障分析處理及維護(hù)防范措施[J].中國(guó)儀器儀表，2011（2）∶58-61.

[2]張建創(chuàng)，賀賢峰，趙萬(wàn)榮，等.國(guó)電北侖電廠DCS調(diào)試存在問(wèn)題及對(duì)策[J].電力技術(shù)，2010（2）∶63-64.

（本文編輯：陸瑩）

Example and Analysis of DCS Communication Fault

XIE Pei-yan
（Zhejiang Zhenhai Power Generation Co.，Ltd.，Ningbo Zhejiang 315208，China）

By the example of internal communication faults of DCS，the paper，which considers the following aspects∶software and harclware of coutrol system，analyse probable of leading to tronbles，aiming at deficiency of the control system that the Power Plant can not solve through maintenance，proposes a method and idea of improving fault tolerance capacity of the control system by software optimization so as to improve the reliability of the control system.

DCS；hardware failure；program optimization；fault tolerance；ABB

TP273+.5

：B

：1007-1881（2013）07-0052-04

2012-09-28

謝培嚴(yán)(1977一)，女，浙江寧波人，工程師，從事發(fā)電廠熱控系統(tǒng)維護(hù)工作。