熱控DCS控制系統(tǒng)狀態(tài)檢修方法的探討和應(yīng)用

華能威海發(fā)電有限責(zé)任公司 吳建國(guó) 馬東森 于信波 薛 松 楊 春 陳 湘 常曉杰 王少君 北京必可測(cè)科技股份有限公司 羅小龍 鄭雪琴

通過(guò)對(duì)DCS 控制系統(tǒng)的質(zhì)量碼信息進(jìn)行深入研究，當(dāng)出現(xiàn)質(zhì)量碼狀態(tài)異常時(shí)，尋找與系統(tǒng)各部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而分析得出可能存在的問(wèn)題根源，問(wèn)題擴(kuò)大前進(jìn)行人為干預(yù)，可有效避免DCS 控制系統(tǒng)的突發(fā)故障。同時(shí)結(jié)合歷史故障記錄、投運(yùn)壽命等信息對(duì)DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合的健康度評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性檢修更換。

1 現(xiàn)有技術(shù)及本文所研究的主要內(nèi)容

目前，DCS 主控單元通常以兩個(gè)主控單元雙冗余配對(duì)使用，主從控制單元通過(guò)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。其電源系統(tǒng)采用冗余供電，配置2～4塊電源模塊，除電源模塊同時(shí)損壞的極端情況外，其中任意一個(gè)模塊故障均不影響主控單元的正常運(yùn)行。當(dāng)其中一個(gè)控制單元故障時(shí)，看守檢測(cè)電路將禁用主控的I/O 接口，并將故障告知副控。隨后副控接管I/O 總線控制，開(kāi)始執(zhí)行過(guò)程控制應(yīng)用程序。整體過(guò)程為自動(dòng)無(wú)擾切換，保證DCS 系統(tǒng)I/O 柜的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)發(fā)出故障報(bào)警，提醒熱控人員處理。

主控狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要依賴于系統(tǒng)內(nèi)部的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，提供給用戶實(shí)時(shí)狀態(tài)：主控、副控、離線、故障等，并以質(zhì)量碼方式呈現(xiàn)具體報(bào)警內(nèi)容。DCS 系統(tǒng)的日常維護(hù)則主要以定期工作為主，通過(guò)檢修期的定期切換試驗(yàn)，線路緊固檢查，日常巡檢狀態(tài)檢查、電子溫濕度控制等方式，保證主控單元的正常。

本文針對(duì)當(dāng)前存在問(wèn)題，通過(guò)對(duì)狀態(tài)質(zhì)量碼的深度解析，將系統(tǒng)狀態(tài)代碼轉(zhuǎn)化為易于普通用戶使用的語(yǔ)言。使得用戶在控制器出現(xiàn)異常變化初期，即可清晰直觀獲取相關(guān)信息，并融合各類DCS 歷史故障案例及專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，整合各類故障現(xiàn)象，形成系統(tǒng)化故障診斷模型，第一時(shí)間為用戶提供故障原因分析及處理建議，提升故障處理的及時(shí)性準(zhǔn)確率。同時(shí)結(jié)合外部綜合因素，如環(huán)境溫濕度、投用壽命、電源狀態(tài)、盤柜狀態(tài)、歷史故障信息等對(duì)DCS 系統(tǒng)進(jìn)行綜合狀態(tài)診斷。因此，開(kāi)展DCS 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷能減少系統(tǒng)故障造成的突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障及隱患的提前感知與報(bào)警，自動(dòng)診斷故障隱患點(diǎn)，進(jìn)而有效提升發(fā)電機(jī)組運(yùn)行可靠性、安全性。熱控設(shè)備實(shí)施狀態(tài)檢修的意義主要表現(xiàn)在以下方面：

設(shè)備狀態(tài)深度解析。通過(guò)對(duì)主控單元狀態(tài)質(zhì)量碼的深度解析及綜合整合研判，將系統(tǒng)狀態(tài)代碼轉(zhuǎn)化為易于普通用戶識(shí)別和使用的語(yǔ)言，使得用戶可清晰直觀獲取相關(guān)狀態(tài)信息。在控制器出現(xiàn)異常變化初期，即可根據(jù)質(zhì)量碼狀態(tài)發(fā)現(xiàn)早期異常，并為用戶提供異常生成原因及處理建議；專家故障診斷。將DCS 廠家知識(shí)庫(kù)、歷史故障案例及專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，以故障模型方式融入診斷系統(tǒng)，形成系統(tǒng)化故障診斷模型，第一時(shí)間為用戶提供故障原因分析及處理建議，提升故障處理的及時(shí)性準(zhǔn)確率。

系統(tǒng)內(nèi)部綜合診斷。采集DCS 系統(tǒng)其他部件狀態(tài)信息如電源、網(wǎng)絡(luò)、接口卡、I/O 卡件、盤柜等，尋找與主控單元相互間關(guān)聯(lián)規(guī)律，充分整合離散式報(bào)警信息，形成全方位多角度綜合研判算法。通過(guò)分散的信息數(shù)據(jù)呈現(xiàn)集中的狀態(tài)預(yù)警；系統(tǒng)外部綜合診斷。結(jié)合外部綜合因素，如環(huán)境溫濕度、投用壽命、歷史故障信息、定期/巡檢工作記錄、檢修記錄等，對(duì)DCS 主控單元進(jìn)行綜合狀態(tài)診斷，進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)價(jià)及庫(kù)存壽命評(píng)估。為用戶進(jìn)行狀態(tài)檢修、預(yù)防性維護(hù)更換，提供實(shí)際數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

2 基于質(zhì)量碼解析的故障診斷和健康評(píng)估方案

DCS 控制系統(tǒng)功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通過(guò)單一的診斷方法無(wú)法全面監(jiān)測(cè)狀態(tài)信息，進(jìn)而進(jìn)行準(zhǔn)確的狀態(tài)診斷及智能預(yù)警，須通過(guò)多方位特征狀態(tài)信息對(duì)其進(jìn)行綜合性的狀態(tài)診斷評(píng)估。本方案從故障診斷和健康狀態(tài)評(píng)估兩個(gè)維度對(duì)主控單元開(kāi)展研究。

2.1 故障診斷

DCS 系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)主控單元及各部分有著較為全面的監(jiān)測(cè)方式，能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的絕大部分異常并提供報(bào)警給用戶。但一般以“報(bào)警”“故障”或“離線”等較為籠統(tǒng)的匯總式報(bào)警信息呈現(xiàn)出來(lái)，用戶很難通過(guò)報(bào)警全面了解系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題的具體原因，需人員進(jìn)入軟件內(nèi)部進(jìn)行查詢。查詢方式及獲得的信息專業(yè)性極強(qiáng)，普通的電廠熱控維護(hù)人員不易理解，造成問(wèn)題處理的遲滯[1]。本文通過(guò)對(duì)DCS 系統(tǒng)質(zhì)量碼信息的深入解析和分析整合，結(jié)合DCS 各部件、各工藝參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)DCS 系統(tǒng)的狀態(tài)形成更加全面、直觀的故障監(jiān)測(cè)診斷方法。包括建立數(shù)據(jù)庫(kù)、質(zhì)量碼解析、建立模型及狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷四個(gè)步驟，以下就每個(gè)步驟展開(kāi)論述：

2.1.1 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

建立數(shù)據(jù)庫(kù)作為整體診斷系統(tǒng)的信息源，明確每一個(gè)DCS 部件的唯一點(diǎn)名及其對(duì)應(yīng)的信息，內(nèi)容主要包含設(shè)備點(diǎn)名、點(diǎn)描述、盤柜號(hào)、型號(hào)規(guī)格、投用日期、序列號(hào)等信息，以設(shè)備臺(tái)帳形式導(dǎo)入軟件系統(tǒng)中，采用設(shè)備點(diǎn)名檢索，匹配相關(guān)信息。

2.1.2 質(zhì)量碼解析

在DCS 系統(tǒng)當(dāng)中，針對(duì)每個(gè)站點(diǎn)（包含主控單元、工程師站、操作員站、歷史站等）、模塊卡件、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)及I/O 點(diǎn)等狀態(tài)，通常使用質(zhì)量碼來(lái)表達(dá)其不同狀態(tài)及導(dǎo)致該狀態(tài)的可能原因。例如艾默生公司的Ovition 系統(tǒng)支持四種質(zhì)量狀態(tài)：GOOD（正常）、FAIR（強(qiáng)制）、POOR（算法狀態(tài)）、BAD（故障）。

每種狀態(tài)指出點(diǎn)的操作和運(yùn)算條件。某種質(zhì)量狀態(tài)的點(diǎn)可能有多個(gè)原因，這些原因存儲(chǔ)在狀態(tài)字（如1W2W 字段）的數(shù)據(jù)位中。可能的質(zhì)量原因包括點(diǎn)值被保持、硬件出錯(cuò)、點(diǎn)振蕩、傳感器標(biāo)定、掃描被停止、數(shù)據(jù)鏈路故障、工程值限值、接地故障、電源消失等。這些信息可呈現(xiàn)出當(dāng)前點(diǎn)位的狀態(tài)及原因，為進(jìn)一步故障診斷提供了準(zhǔn)確可靠的基礎(chǔ)信息。通過(guò)對(duì)這些信息的篩取、組合、分析，形成綜合故障診斷模型，對(duì)所監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)全面性、前瞻性、綜合性的智能預(yù)警診斷。

質(zhì)量碼解析方法為：參照《DCS 系統(tǒng)記錄類型參考手冊(cè)》整理質(zhì)量碼信息清單，根據(jù)DCS 故障手冊(cè)定義質(zhì)量碼信息含義及應(yīng)用場(chǎng)景。通過(guò)與DCS 控制系統(tǒng)建立通訊對(duì)接，通常以O(shè)PC 通訊方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)通。通過(guò)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)點(diǎn)名實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)接，然后根據(jù)站點(diǎn)狀態(tài)字段編號(hào)及數(shù)據(jù)位編號(hào)，提取到相應(yīng)的質(zhì)量碼信息。按照點(diǎn)名——字段編號(hào)——位編號(hào)的檢索順序，提取到對(duì)應(yīng)的點(diǎn)的質(zhì)量碼信息。例如獲取#1盤柜#1主控的當(dāng)前控制模式信息：首先在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢到點(diǎn)名為“DROP1”，字段FB、位編號(hào)4為“真”時(shí)，表示當(dāng)前狀態(tài)為主控模式。

其中一部分質(zhì)量碼信息可直接用于主控單元狀態(tài)顯示及預(yù)警，如“控制模式”、“備用模式”、“網(wǎng)絡(luò)超時(shí)”、“主副控不匹配”等，這些信息可直觀呈現(xiàn)出主控單元的當(dāng)前狀態(tài)，用戶收到報(bào)警信息后可第一時(shí)間做出判斷和處理，因此無(wú)需二次處理，質(zhì)量碼狀態(tài)為真時(shí)可直接進(jìn)行報(bào)警。

另一部分質(zhì)量碼如“離線模式”、“檢測(cè)到此站發(fā)生故障”、“站處于報(bào)警狀態(tài)”、“檢測(cè)到無(wú)效控制回路頁(yè)”等，這些信息發(fā)出時(shí)用戶無(wú)法根據(jù)信息直接得知系統(tǒng)存在的問(wèn)題，需同時(shí)與其他信息進(jìn)行綜合研判解析，進(jìn)行二次診斷后生成狀態(tài)預(yù)警信息。例如“檢測(cè)到此站發(fā)生故障”，需同步檢索當(dāng)前站點(diǎn)所含電源狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、主控狀態(tài)、IOIC 卡狀態(tài)，I/O 卡件狀態(tài)，及其他發(fā)生變化的質(zhì)量碼信息。根據(jù)不同狀態(tài)異動(dòng)確定此站發(fā)生故障的原因，從而為用戶提供直觀的綜合故障信息。例如同步檢測(cè)到IOIC 卡狀態(tài)異常，則可研判為“IOIC 卡狀態(tài)異常導(dǎo)致站點(diǎn)故障報(bào)警”。

2.1.3 模型建立

質(zhì)量碼獲取到后，如何判斷當(dāng)前狀態(tài)是否正常，因此模型的建立是確定設(shè)備是否異常的關(guān)鍵步驟，通過(guò)分別建立主控單元正常模型與故障模型，建立主控正常與故障的判斷基準(zhǔn)。

建立正常模型：通過(guò)正常模型的建立，可為系統(tǒng)建立一套正常運(yùn)行及正常停運(yùn)狀態(tài)下的基準(zhǔn)值，包含狀態(tài)開(kāi)關(guān)量點(diǎn)、正常運(yùn)行區(qū)間值、正?；蛲＿\(yùn)狀態(tài)時(shí)各設(shè)備的狀態(tài)信息。當(dāng)狀態(tài)偏離此模型時(shí)視為設(shè)備存在異常；建立故障模型。參考《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》、《GBT 35731-2017火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)與試驗(yàn)技術(shù)規(guī)程》、《火電廠熱控系統(tǒng)可靠性配置與事故預(yù)控》、DCS 故障案例、專家經(jīng)驗(yàn)等相關(guān)主控單元案例，建立主控單元異常故障診斷模型。

建立趨勢(shì)模型。主控單元的負(fù)荷率總應(yīng)維持到一個(gè)合理范圍內(nèi)，當(dāng)負(fù)荷率突然變化超出范圍時(shí)，代表主控運(yùn)算量過(guò)多，容易發(fā)生主控死機(jī)等故障。產(chǎn)生原因主要有兩方面：一類是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際操作量和變化量突然增多，此類造成的負(fù)荷率短時(shí)突升屬于正常情況，可排除主控異常風(fēng)險(xiǎn)，但長(zhǎng)時(shí)負(fù)荷率居高不下則代表主控長(zhǎng)期運(yùn)算量加大、存在故障風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)應(yīng)對(duì)負(fù)荷率重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)應(yīng)調(diào)整主控所帶設(shè)備數(shù)量；另一類是主控本身或關(guān)聯(lián)部件存在異常，造成的負(fù)荷率突升，此類是重要需重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和解決的風(fēng)險(xiǎn)。因此根據(jù)負(fù)荷率與主控部件的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立相應(yīng)的趨勢(shì)模型。

采集主控單元負(fù)荷率，顯示負(fù)荷率實(shí)時(shí)及歷史趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)負(fù)荷率趨勢(shì)的監(jiān)測(cè)，可對(duì)主控負(fù)荷異常突升、頻繁大幅波動(dòng)、長(zhǎng)期高于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間或歷史區(qū)間等非正常負(fù)荷變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從另一維度開(kāi)展對(duì)主控單元的診斷預(yù)警。

2.1.4 狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷

通過(guò)以上數(shù)據(jù)庫(kù)建立、質(zhì)量碼解析、正常與故障模型建立后，所有診斷算法模型均置入到系統(tǒng)中，在系統(tǒng)內(nèi)部建立故障診斷知識(shí)庫(kù)，故障診斷條件滿足時(shí)，根據(jù)算法模型發(fā)出預(yù)警或報(bào)警；實(shí)現(xiàn)主控單元實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

2.2 健康狀態(tài)評(píng)估

主控單元除上述實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)診斷外，其他非實(shí)時(shí)性設(shè)備信息，如歷史故障記錄、同批次設(shè)備信息、投用壽命時(shí)長(zhǎng)、環(huán)境溫濕度等，也對(duì)主控單元的使用壽命產(chǎn)生影響，因此應(yīng)結(jié)合上述信息對(duì)主控單元進(jìn)行綜合健康狀態(tài)評(píng)估，為狀態(tài)檢修策略提供數(shù)據(jù)依據(jù)。健康狀態(tài)評(píng)估與故障診斷從兩個(gè)維度同步進(jìn)行，形成完整的監(jiān)測(cè)診斷評(píng)價(jià)體系[2]。

歷史故障記錄：按每個(gè)盤柜中所包含的部件建立存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，每次主控單元發(fā)生故障時(shí)，將故障信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，形成歷史故障信息記錄表。如：當(dāng)IOIC 卡編號(hào)0001設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信的方式會(huì)讀取到該設(shè)備存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)棧的故障信息，并將該故障信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)通過(guò)該設(shè)備的KKS 編號(hào)等標(biāo)識(shí)信息以及根據(jù)配置的周期時(shí)間，在數(shù)據(jù)庫(kù)中查找該設(shè)備在周期內(nèi)發(fā)生過(guò)的歷史故障信息，通過(guò)故障編號(hào)進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)在歷史故障信息表中匹配到了相同的故障編號(hào)，就可判定在周期內(nèi)再次發(fā)生了同類故障系統(tǒng)自動(dòng)記錄故障時(shí)間、故障內(nèi)容，并將故障原因存儲(chǔ)至對(duì)應(yīng)部件的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，健康狀態(tài)評(píng)估為“存在重復(fù)故障，建議擇機(jī)檢查處理”，建議檢修期進(jìn)行更換或重點(diǎn)處理。

同批次設(shè)備關(guān)注：與上述方法類似，通過(guò)事先建立的設(shè)備臺(tái)帳數(shù)據(jù)庫(kù)，將設(shè)備投運(yùn)時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)任一故障發(fā)生時(shí)，調(diào)取設(shè)備臺(tái)帳中投用壽命同月份主控單元，同批次主控列入關(guān)注清單；一定周期內(nèi)同批次其他主控單元出再次出現(xiàn)該故障，同批次主控顯示報(bào)警，健康狀態(tài)評(píng)估為“同批次設(shè)備存在重復(fù)故障，建議擇機(jī)檢查處理”，建議檢修期進(jìn)行更換或重點(diǎn)處理。

超壽命評(píng)估：調(diào)取“設(shè)備臺(tái)帳”投運(yùn)時(shí)間，自動(dòng)匹換算為小時(shí)單位，投運(yùn)壽命大于87600h 或最早批次主控列入關(guān)注清單；任一故障在最早批次主控單元發(fā)生，推送全部同批次主控單元清單，列入重點(diǎn)關(guān)注清單；該故障在最早批次主控單元重復(fù)發(fā)生，輸出超壽命報(bào)警。健康狀態(tài)評(píng)估為“設(shè)備超壽命運(yùn)行且出現(xiàn)過(guò)故障，建議擇機(jī)檢查處理”，同時(shí)推送至檢修管理模塊，檢修前60天推送狀態(tài)檢修設(shè)備名細(xì)，建議檢修期進(jìn)行更換或重點(diǎn)處理。

綜上，此狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法可擴(kuò)展至DCS 各部件，將DCS 系統(tǒng)內(nèi)部的信息加以識(shí)別和分析研究，不僅可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到各部件的狀態(tài)，通過(guò)綜合的研判機(jī)理，對(duì)健康度及可用壽命進(jìn)行評(píng)估，更可將難以直觀識(shí)別的質(zhì)量碼信息進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)換，變成易于熱控檢修人員理解的狀態(tài)信息。對(duì)對(duì)DCS 控制系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和故障預(yù)防，有著積極和實(shí)用的輔助作用。