某燃機(jī)電廠DCS升級(jí)改造實(shí)例分析

朱樓

[摘? ? 要]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)于電力能源的需求也日益增加。DCS控制系統(tǒng)作為火力發(fā)電廠自動(dòng)發(fā)電的控制核心，其穩(wěn)定性對(duì)于火電廠發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行愈發(fā)重要。隨著DCS運(yùn)行年限的增加，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)設(shè)備故障，性能下降，備件缺失等問(wèn)題，無(wú)法滿足機(jī)組自動(dòng)化控制的要求，因此需要對(duì)DCS進(jìn)行升級(jí)改造。文章就某9F燃機(jī)電廠的DCS控制系統(tǒng)升級(jí)改造實(shí)例進(jìn)行介紹。

[關(guān)鍵詞]DCS;自動(dòng)控制;升級(jí)改造

[中圖分類號(hào)]TM73 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–00–03

Case Analysis of Upgrading DCS System in a Gas Turbine Power Plant

Zhu Lou

[Abstract]With the rapid development of China's economy， the demand for power resources is also increasing. As the control core of automatic power generation in thermal power plants， the stability of DCS control system becomes more and more important for the safe and stable operation of thermal power plants. With the increase of the operation life of DCS system， it is bound to have equipment failure， performance degradation， lack of spare parts and other problems， which can not meet the requirements of unit automation control， so it is necessary to upgrade the DCS system. This paper introduces the upgrading of DCS control system in a 9F gas turbine power plant.

[Keywords]DCS ; auto-Control; upgrading

1 項(xiàng)目概述

1.1 項(xiàng)目背景

DCS是電廠自動(dòng)化生產(chǎn)的控制核心，其是否能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行直接關(guān)系到電廠機(jī)組的運(yùn)行安全，同時(shí)也會(huì)影響電廠的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

張家港華興電廠2號(hào)機(jī)組采用的是艾默生公司的Ovation2.3.1控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)硬件配置見(jiàn)表1。

系統(tǒng)已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行超過(guò)14年，各工作站的穩(wěn)定性明顯下降，多次出現(xiàn)電腦風(fēng)扇故障、硬盤(pán)故障、電腦不明情況的死機(jī)、重啟等故障。目前電廠所有的備件均已投入使用，但是還會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，讓維護(hù)人員疲于應(yīng)對(duì)，且當(dāng)下使用的工作站均已停產(chǎn)多時(shí)，市面上已經(jīng)很難采購(gòu)到備件，即使可以買(mǎi)到庫(kù)存?zhèn)浼?，也存在價(jià)格昂貴、數(shù)量有限且性能難以保障的問(wèn)題。

工作站的操作系統(tǒng)為Windows Server 2003和Windows XP，目前微軟公司已停止對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)，無(wú)法安裝更新和補(bǔ)丁，系統(tǒng)安全問(wèn)題突出，這也是業(yè)主的一大痛點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)使用的是Ovation OCR161控制器硬件以及Ovation2.3.1的軟件，使用年限也已超過(guò)14年，控制器性能在逐漸下降，軟件容量也難以滿足越來(lái)越復(fù)雜的控制要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)改造和擴(kuò)容產(chǎn)生了制約，且控制器同樣存在著硬件老化以及缺少備件的困擾，因此此次升級(jí)改造項(xiàng)目迫在眉睫。

通過(guò)此次升級(jí)改造解決了以下主要問(wèn)題：①戴爾工作站的硬件老化以及備件匱乏已經(jīng)給系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)此次升級(jí)改造可以解決此問(wèn)題，提高整個(gè)DCS的穩(wěn)定性、安全性和可維護(hù)性;②通過(guò)此次升級(jí)改造解決了操作系統(tǒng)存在的安全漏洞，采用最新的操作系統(tǒng)并安裝相應(yīng)的補(bǔ)丁以及殺毒軟件，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性，以應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)安全挑戰(zhàn);③歷史站DROP160不在Ovation網(wǎng)絡(luò)中，安裝的歷史軟件是EDB，歷史數(shù)據(jù)只能夠保存一年左右的時(shí)間，且調(diào)取歷史趨勢(shì)不方便;④控制器硬件由OCR161升級(jí)到OCR1100，Ovation軟件由2.3.1升級(jí)到3.6.0，提高系統(tǒng)運(yùn)算速度，擴(kuò)大了系統(tǒng)容量;⑤改進(jìn)系統(tǒng)的開(kāi)放性能，使系統(tǒng)能夠通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，如Modbus，OPC等，與第三方進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

1.2 項(xiàng)目方案

為了解決上述問(wèn)題，保證DCS高效穩(wěn)定安全運(yùn)行，確保電廠的生產(chǎn)正常進(jìn)行，通過(guò)與電廠熱工自動(dòng)化工程師進(jìn)行充分調(diào)研和討論后，得出結(jié)論：由于項(xiàng)目工時(shí)和經(jīng)費(fèi)的限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的全部替換，本次升級(jí)改造針對(duì)主要矛盾進(jìn)行，保持原系統(tǒng)各種卡件，與各設(shè)備以及系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不變，保持系統(tǒng)機(jī)柜組成，電源系統(tǒng)不變，保持原系統(tǒng)各畫(huà)面，控制邏輯SAMA圖，各算法參數(shù)不變，而將控制器，交換機(jī)，操作站進(jìn)行必要的升級(jí)改造，并安裝最新的操作系統(tǒng)和Ovation軟件。這樣既能提高DCS的穩(wěn)定性、安全性、開(kāi)放性和可維護(hù)性，解決當(dāng)下的矛盾焦點(diǎn)，又能減少硬件設(shè)備的更換，大大降低了改造難度和成本，節(jié)省了改造時(shí)間。綜合以上考慮，最終確定了此次升級(jí)改造的方案。

（1）更換所有的上位機(jī)，安裝最新的操作系統(tǒng)，殺毒軟件以及Ovation軟件，新增一臺(tái)OPC站，作為OPC Server，與廠級(jí)SIS系統(tǒng)進(jìn)行通信。

（2）增加一臺(tái)歷史站DROP160，安裝最新的OPH軟件包，擴(kuò)大了歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，由過(guò)去的1年增加到5年，且增加了單位時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)量，使得歷史趨勢(shì)圖更貼近現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。

（3）更換所有交換機(jī)為最新版本的CISCO 2960Plus，新增一臺(tái)路由器作為OPC通信的網(wǎng)絡(luò)隔離。

（4）更換所有的控制器為OCR1100，無(wú)需更換電源模塊以及各類IO卡件。

升級(jí)改造后的系統(tǒng)硬件配置見(jiàn)表2。升級(jí)后的系統(tǒng)總貌圖如圖1所示。

2 項(xiàng)目歷程

#2機(jī)組DCS升級(jí)改造由張家港華興電力有限公司生產(chǎn)技術(shù)部牽頭，會(huì)同維護(hù)部、運(yùn)行部、艾默生公司以及施工單位一起制定了施工實(shí)施方案和步驟。

2.1 升級(jí)前的準(zhǔn)備工作

（1）為了保證升級(jí)過(guò)程中各數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證升級(jí)前后的一致性，由艾默生公司工程師對(duì)2號(hào)機(jī)組原DCS中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行了備份，備份的內(nèi)容包括全數(shù)據(jù)庫(kù)，分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，畫(huà)面，邏輯，算法參數(shù)，字體庫(kù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第三方通信參數(shù)，邏輯執(zhí)行順序，控制器信息以及重要畫(huà)面的截屏等。

（2）為保證升級(jí)前后系統(tǒng)各IO卡件的狀態(tài)無(wú)異常，提前對(duì)卡件的狀態(tài)進(jìn)行記錄，記錄各卡件的型號(hào)，位置，是否有E燈或者I燈報(bào)警等。

（3）由于升級(jí)后，控制器更換，點(diǎn)的強(qiáng)制信息會(huì)丟失，因此在升級(jí)前，整理并記錄原系統(tǒng)的所有強(qiáng)制點(diǎn)信息，形成清單，與廠里的熱控工程師進(jìn)行逐一比對(duì)確認(rèn)，對(duì)于無(wú)需強(qiáng)制的點(diǎn)及時(shí)解除強(qiáng)制，對(duì)于升級(jí)后仍需強(qiáng)制的點(diǎn)比照清單進(jìn)行逐步恢復(fù)強(qiáng)制。

（4）為防止控制器在上電初始化的過(guò)程中會(huì)誤動(dòng)設(shè)備，需要整理出所有DO指令的信號(hào)狀態(tài)，對(duì)于采用常閉觸點(diǎn)和常為1信號(hào)的DO指令要整理出相應(yīng)的設(shè)備清單，做好停運(yùn)后的安全措施。

（5）考慮到系統(tǒng)恢復(fù)后，系統(tǒng)初始化對(duì)模擬量的輸出指令不確定的影響，在升級(jí)開(kāi)始前，對(duì)相關(guān)設(shè)備做停電，停氣，切斷信號(hào)等操作，確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全。

（6）與運(yùn)行部溝通，升級(jí)期間所有需要運(yùn)轉(zhuǎn)的設(shè)備全部切換到就地操作和監(jiān)視，并安排巡檢。

（7）新的服務(wù)器取電做開(kāi)機(jī)測(cè)試，并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)和邏輯，畫(huà)面，比照之前記錄的各算法參數(shù)進(jìn)行逐一核對(duì)，確保升級(jí)前后參數(shù)不變，尤其是模擬量控制的相關(guān)PID參數(shù)，f（x）函數(shù)等。

2.2 升級(jí)過(guò)程

由于現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)工期比較緊張，設(shè)備到貨之后，按照系統(tǒng)布置（圖2）和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖3），將此次需要更換的上位機(jī)，顯示器，交換機(jī)以及網(wǎng)線等放置到位，待準(zhǔn)備工作完成，機(jī)組停機(jī)后立即進(jìn)行更換。

（1）機(jī)組停機(jī)，確定各項(xiàng)安全措施實(shí)施到位后，斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)電源柜到各控制柜的電源空開(kāi)，更換控制器。

（2）斷開(kāi)交換機(jī)的電源，更換新的交換機(jī)，并安裝路由器支架以及新增加的路由器。

（3）按照?qǐng)D3所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，將各網(wǎng)線插到相對(duì)應(yīng)的端口上。

（4）DCS升級(jí)后送電。①網(wǎng)絡(luò)電源柜送電。由電廠電氣專業(yè)人員分別將廠用電和UPS電源送到網(wǎng)絡(luò)電源柜，并檢查電源質(zhì)量是否符合要求，合上電源總空開(kāi)，確保網(wǎng)絡(luò)電源柜電源正常，檢查其他設(shè)備狀態(tài)是否正常以及交換機(jī)各端口指示燈是否正常。②操作臺(tái)送電。逐個(gè)將操作臺(tái)的電源空開(kāi)合閘，確保操作臺(tái)兩路電源正常。服務(wù)器和各操作站取電開(kāi)機(jī)，接入新的Ovation系統(tǒng)，數(shù)據(jù)初始化，并判斷數(shù)據(jù)庫(kù)是否全部分配完畢，各站的功能是否正常。③控制柜送電。首先確定各控制器底板上的開(kāi)關(guān)是處在關(guān)閉狀態(tài)，然后逐個(gè)將控制柜的電源空開(kāi)合閘，測(cè)量送到控制柜的電源質(zhì)量，符合要求的，將控制柜內(nèi)的電源空開(kāi)合閘，此時(shí)控制柜得電，柜內(nèi)各卡件指示燈點(diǎn)亮，用萬(wàn)用表測(cè)量A17，A18端子是否有DC24 V電壓。④控制器送電。合上控制器底板上的開(kāi)關(guān)，在服務(wù)器上打開(kāi)Error Log軟件，讀取控制器MAC地址，并寫(xiě)入系統(tǒng)，待出現(xiàn)“Ready to be downloaded”語(yǔ)句時(shí)，對(duì)控制器進(jìn)行Download，Reboot，Clear，Load操作，直至在系統(tǒng)狀態(tài)圖上可以看到控制器的狀態(tài)。

（5）確定網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接狀態(tài)，I/O卡件，交換機(jī)以及操作站的工作狀態(tài)。

（6）與電廠的熱控工程師一起審核升級(jí)后的邏輯，完成對(duì)于新舊邏輯圖，數(shù)據(jù)庫(kù)，I/O清冊(cè)等核對(duì)工作，并逐項(xiàng)簽字確認(rèn)。

（7）完成升級(jí)后Ovation系統(tǒng)的電源切換，網(wǎng)絡(luò)切換以及控制器切換，確保各冗余功能正常。

（8）與維護(hù)部、運(yùn)行部一起逐一對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，確保所有設(shè)備可操可控，并完成相應(yīng)的聯(lián)鎖保護(hù)試驗(yàn)、順控試驗(yàn)以及機(jī)組大聯(lián)鎖試驗(yàn)，確保升級(jí)后的系統(tǒng)安全可靠。

2.3 改造工作內(nèi)容

2.3.1 DCS與GE系統(tǒng)通信

應(yīng)業(yè)主要求，在此次DCS升級(jí)期間完成與GE燃機(jī)的MARK Ⅵ操作系統(tǒng)的通信改造。系統(tǒng)新增加了兩臺(tái)Field Router作為與GE系統(tǒng)通信的路由，兩臺(tái)Field Router一端連著GE的交換機(jī)，一端連接DCS的交換機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的冗余。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

同時(shí)，在DCS側(cè)的控制器中選擇CTRL1/51作為與GE系統(tǒng)燃機(jī)側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行通信，CTRL3/53與GE系統(tǒng)汽機(jī)側(cè)進(jìn)行通信。

2.3.2 OPC通信

由于電廠原SIS系統(tǒng)使用年限太久，軟件無(wú)法維護(hù)，所以此次DCS升級(jí)的同時(shí)，廠級(jí)SIS系統(tǒng)也進(jìn)行了改造，為了配合SIS改造，新增了一臺(tái)DMZ Router，作為DCS與SIS之間的物理隔離。

此次OPC改造由DCS側(cè)作為Server，SIS側(cè)作為Client，統(tǒng)一用戶名和密碼。具體信息見(jiàn)表3。

3 升級(jí)改造效果

（1）通過(guò)此次DCS的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)操作界面的更新，使得工藝控制過(guò)程更加安全、高效和靈活。并且，將SIS系統(tǒng)與DCS連接起來(lái)，提高了DCS的擴(kuò)展性和兼容性。

（2）最新的Ovation系統(tǒng)為用戶提供更多的工具和功能，也提供了更大的擴(kuò)展空間，為以后的技改項(xiàng)目提供容量。最后，解決了用戶一直擔(dān)心的備件問(wèn)題，消除了由于DCS老化帶來(lái)的不穩(wěn)定運(yùn)行所可能導(dǎo)致的非計(jì)劃停機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)，改造升級(jí)后，DCS安全穩(wěn)定，運(yùn)行維護(hù)工作量大大減少，備件采購(gòu)難度減少，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備安全，經(jīng)濟(jì)效益的雙贏目標(biāo)。

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