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神華陜西國華錦界能源有限責任公司 郭志軍

摘要：DCS控制系統是發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控制系統應用年限的增加，硬件會加速老化，故障率會明顯提升，進而導致設備發生異常，會產生系統性風險，影響發電機組的安全穩定運行。因此電廠在運行過程中應當做好DCS控制系統硬件老化治理的相關工作，避免由此對發電廠設備運行造成不利的影響。本文結合火力發電廠實例對DCS控制系統硬件老化可靠性治理的有關內容進行分析，以供參考。

關鍵詞：DCS；老化；對策

1　DCS系統概況

某火力發電廠使用的發電機組為600MW亞臨界直接空冷機組，使用的DCS控制系統為和利時公司的MACSV系統，該類型DCS控制系統為典型的星型結構，以單臺機組為例，連接32對控制器、三對系統服務器，且三對系統服務器的控制內容不同，其中機側服務器主要控制汽輪機和空冷設備，爐側服務器主要控制鍋爐（脫硝）和電氣設備，脫硫服務器主要控制脫硫設備，包含I/O點數13472點，配置3臺工程師站，8臺操作員站（主機5臺，脫硫3臺）。另外還有一、二期公用系統，四機公用系統總共配置三對獨立的服務器、19對控制器，I/O點數5782點。DCS主要控制功能包括以下幾個方面，即爐膛安全監控系統、協調控制系統、模擬量控制系統、順序控制系統等多種控制功能。

2　硬件老化引發的主要問題

2.1　主控單元異常較多，引發的問題較為突出

該電廠機組主控單元共發生故障46次，統計周期為10年（2006年~2016年），其中2014年到2016年三年間，共發生主控單元異常17起，占整個統計周期異常次數的37%，這個數據是該電廠在2015、2016年為了應對DCS故障率偏高，對#1、#2、#3組協調、給水、凝結水、送引風、脫硝等主要控制站更換了92個主控單元后的統計數據，從以上數據分析，DCS主控單元后三年故障比較集中。另外從機組主控單元故障的分布來看，#1機組11次，#2機組5次，#3機組10次，#4機組13次，公用系統7次，沒有一定的規律性。主控故障主要表現在以下方面：（1）主控單元死機，不能正常切換。（2）主控故障切換短時間內恢復正常。（3）主控狀態燈全滅或故障燈變紅，主控正常切換。（4）停機后主控手動切換不能正常進行。（5）所有網間通訊變量不能正常通訊。由于系統內電廠發生主控單元在更換過程中發生機組跳閘的不安全事件，該廠也在處理主控單元異常時，按雙主控離線進行措施制訂，將主要的設備打在就地，自動運行的設備打在手動位，相關保護全部退出，在執行措施和恢復措施的過程中，或在設備運行的過程中都增加了一些不可控的風險。嚴重影響了機組的安全穩定運行。

2.2　電源模塊故障偏多，模塊更換風險較大

該電廠機組電源模塊共發生故障29次，統計周期是10年，其中2014年到2016年這三年間，共發生電源模塊異常11次，主要現象就是RUN燈熄滅，檢查結果大部分都是保險絲熔斷，故障次數占整個統計周期異常次數的38%，這個數據也是該電廠在2015、2016年為了應對DCS系統硬件故障率偏高，對#1、#2、#3組協調、給水、凝結水、送引風、脫硝等主要控制站主控單元所在框架，AO模塊、DO模塊所在框架更換了196塊電源模塊后的統計數據，從以上數據分析，DCS電源模塊在統計周期的后三年故障比較集中。另外從機組故障的分布來看，#1機組10次，#2機組8次，#3機組5次，#4機組2次，公用系統4次，沒有一定的規律性。該廠在處理電源模塊異常時，其中主控單元所在框架按雙主控離線進行措施制訂，將主要的設備打在就地，自動運行的設備打在手動位，相關保護全部退出。更換AO、DO模塊所在框架電源模塊異常時，將受控設備打在就地位。在執行措施和恢復措施的過程中，或在設備運行的過程中都增加了一些不可控的風險，嚴重影響了機組的安全穩定運行，風險基本上接近主控單元的更換。

2.3　新型熱電阻卡件兼容性較差，無法在線更換

所有應用的卡件在10年的統計周期內，AI模塊故障7次，DI模塊故障2次，DO模塊故障3次，熱電阻卡件發生故障12次，熱電阻模塊故障的概率較高，而該電廠使用的熱電阻卡件為6通道，已經停止生產，目前生產的卡件為8通道，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生故障，在正常運行狀態下無法進行卡件的更換，必須在停機狀態下進行硬件組態，再進行卡件的更換。各主要輔機的軸承溫度都通過熱阻卡件實現其保護功能，熱電阻卡件的安全性也影響機組的可靠性。

2.4　服務器故障率高，機組的操作、報警不能正常進行

該電廠使用的服務器從PowerEdge2900、T610、T630 逐步進行升級換型，基本上四年就更換一次。但在10年的統計周期內，共發生故障22次，主要表現在服務器死機、硬盤故障，負荷率突然升高（5%~70%），歷史數據無法收集，部分數據不刷新，嚴重影響機組的正常操作和設備信息的正常反饋。

3　DCS硬件老化問題的成因

3.1　運行時間較長，電子產品進入老化期

在正常環境狀態下， 冬季環境溫度保持在18℃~22℃；夏季環境溫度 保持在24℃~28℃之間；相對濕度保持在40%~70%之間，無凝結狀態。電子產品理論使用壽命年限為10年左右，通常為9年（環境溫度下的硬件的壽命為80000小時左右），而該電廠運行時間已經10年，硬件產品已進入老化期。

3.2　電子間粉塵較大，影響電子產品的使用壽命

控制室內空氣應清潔，其凈化要求為塵埃小于0.2mg/m3，該電廠電子間地處我國西北地區，粉塵較大，一個周如果不打掃衛生，地面已有明顯積塵。電路板吸附粉塵，影響電子元器件阻抗，從而影響設備使用壽命,同時粉塵會妨礙設備散熱，導致部件溫度過高而損壞設備。

3.3　定期工作不到位、設備操作流程不規范影響硬件的可靠性

主控、服務器、操作員站、工程師站不能按時重啟,增加計算機內的垃圾文件；濾網不定期更換，風扇不定期清理，會影響機柜的散熱，都會增加設備故障的機率。操作流程不規范，比如電源模塊電壓沒有調整在合理的范圍內（5.1±0.15V），這對主控單元的正常運行將會造成一定的影響。另外組態下裝不規范，比如操作頻繁等，也會導致主控單元異常。

3.4　組態軟件運行中存在問題也會影響硬件的可靠性

單元冗余切換判據不全面，容易產生雙主控離線。由于軟件存在的問題也會影響硬件的可靠性。

4　DCS硬件老化的對策

通過對DCS控制系統硬件老化引起的主要問題分析可知，作為電廠的核心組成部分DCS控制系統在發電運行過程中發揮著十分重要的作用。但隨著設備運行時間的增加，設備老化暴露出來的問題也逐漸顯現出來，因此如何切實提高DCS控制系統可靠性已成為了電廠需要迫切解決的主要問題之一。針對以上情況分析，對電廠系統老化硬件進行必要的更換，以及科學合理改造將極大的降低DCS系統運行的風險，進而為電廠安全穩定運行奠定良好的基礎。

4.1　選擇硬件可靠性高，軟件相對成熟地DCS控制系統

火力發電廠在進行DCS控制系統選擇的過程中應當對以下幾個方面引起高度的重視。第一，對不同類型DCS的運行情況進行統計分析，為今后DCS系統的選擇提供一定的參考。DCS系統在運行初期故障率較高，但是經過一段時間運行磨合之后，DCS系統故障率將會明顯下降，且從長期運行情況分析發現，DCS系統通過現場應用后不斷改進，其可靠性將會明顯提高，因此電廠在進行DCS系統選擇的過程中應當進行科學合理的對比分析。第二，電廠DCS系統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運行基本要求，因此在選擇過程中應當對硬件設備按質量標準進行嚴格的測試，在保證其合理壽命的前提下，也要保證主控單元控制器的存儲能力和運行能力滿足電力系統運行要求。另外還應當選擇可熱插拔的電子模件，為今后系統的維護等提供方便。第三，為了避免DCS系統發生局部故障擴大的現象，在進行系統結構設計的過程中應當應用冗余技術，以實現網絡通訊與控制器之間的無擾切換。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，同時也為系統安全性的提高打下堅實的基礎。

4.2　嚴格執行施工工藝標準

火力發電廠在確定DCS系統型號之后應當加大對施工工藝執行情況的監督力度，而相關的施工單位應當根據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系統相關要求進行仔細的研究，合理安排施工進度。在進行DCS系統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，提高系統電子設備內部環境標準，保證照明、通風、空調及消防等工作符合相關的要求，尤其是系統內部環境中溫度、濕度、清潔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。例如空調系統的安裝及使用將會對內部溫度進行一定的調節，避免溫度過高對系統運行造成影響；在安裝空調系統的過程中應當使出風口朝上，避免正對系統控制設備及機柜，以免冷凝水滲入到DCS系統中，進而對內部的電子元件造成損壞；另外應急消防通風系統擋板應密封良好，防止粉塵進入，影響電子產品壽命。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，計算機電纜一般應集中放置在電纜橋架的最下面一層。且屏蔽線應保證單點接地，并設立單獨的接地柜，接地電阻應滿足DCS廠家的要求。

4.3　切實改進程序設計和嚴格按照調試規程進行調試

為了切實提高火力發電廠DCS控制系統運行的可靠性，技術人員應當對組態程序進行一定的優化處理，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控制系統的可靠性。一般情況下，電廠DCS控制系統聯鎖、保護組態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的結合，在DCS系統設備處于運行安全的前提下，避免系統發生誤動作。DCS控制系統模擬量自動調節系統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。有時為了防止設備誤動，部分10kV設備跳閘接點串聯。另外將功能相同的主要測點分布在不同的卡件，防止卡件故障，導致設備誤動或拒動。同時相關的技術人員在DCS系統在設計、測試、在線調試、投入運行、驗收等各個階段應當進行全程監督，并根據自身的經驗，對系統中易發生故障的位置進行嚴密的監控，一旦系統運行過程中發生故障，應當對故障發生的原因進行詳細的分析，及時采取有效的措施，避免故障擴大，影響系統整體運行。另外技術人員應當對組態軟件設計和邏輯控制保護設計等組織專家進行評審，以保證其合理性，避免運行中出現故障，影響電力生產的安全運行。

4.4　強化人員技術培訓，規范人員操作行為

火力發電廠應當加大對工作人員技術培訓的力度，以切實提高其專業素質，保證DCS系統安裝的順利完成。DCS系統在維護過程中，一旦出現點檢不到位或操作失誤的情況，將會對DCS系統的應用造成嚴重的影響，因此維護人員通過培訓熟悉DCS的性能，建立標準的作業流程，這樣才能保證DCS系統的正常維護，為今后工作順利開展提供基礎。另外電廠對操作人員技術水平要求較高，尤其是DCS控制系統手動/自動切換、啟停設備等常規操作要求較高，因此電廠應當加大對操作人員有關方面的技術培訓，建立健全系統操作行為規范，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生率，同時也為DCS系統的運行安全提供保障。

4.5　規范日常行為，提高維護水平

DCS系統日常維護要建立授權操作制度，只有經考核合格才能進行對DCS系統日常維護操作，要通過流程制度對DCS系統進行有效管控。重點要強化計算機病毒管理，DCS系統所有計算機禁止使用U盤，只能通過光盤拷出數據，如果需要拷入數據，經兩臺以上的計算機殺毒才能使用，避免病毒等對系統造成破壞。

編制DCS點檢標準，根據點檢標準通過日點檢、周點檢對設備進行點檢，一旦發現系統出現故障，應當立即采取相應的措施，消除故障隱患，保障DCS系統的正常運行。

編制DCS定期工作標準，根據DCS定期工作標準，對系統進行定期備份、定期重啟、定期切換、定期更換濾網，提高設備的可靠性。另外機組停運后對備用主控、服務器進行重啟，重啟正常后進行切換，刪除主控單元、服務器的垃圾文件，恢復設備性能。

編制DCS應急處理方案，要以各個DCS機柜為單位，以主控單元為界，編制DCS主控單元故障處理方案，應對DCS硬件、軟件異常等突發事件。同時利用機組檢修模擬各種卡件異常更換演練，熟悉各種卡件異常工況下設備的運行狀態，從而完善應急處置方案。

DCS系統運行可靠性除了規范日常的行為外，還要定期更換部分主要備件，也能提高設備的可靠性。比如在7年左右為了應對多發的硬件故障，可以先對部分主要控制站的主控單元，以及主要控制站主控單元、主要AO卡件、DO卡件所在框架的電源模塊進行更換。5年左右對服務器、操作員站進行更換。訂制六通道SM430模塊，確保模塊故障后能在線更換。通過上述措施暫時解決DCS硬件的安全運行問題。

4.6　選擇合適的時機進行DCS改造

關于DCS改造的期限沒有明確的要求，一般進口DCS系統15年左右進行改造，國產DCS系統12年左右進行改造，但也可根據自己的統計分析結果或通過第三方權威機構對設備進行綜合評估，再結合計劃檢修時間適時對DCS進行改造。改造重點把握好以下五個階段的工作。（1）前期準備：重點是規避兄弟電廠存在的問題；對轉化后的邏輯、畫面進行檢查修改；會同相關專業技術人員確定DCS系統改造的開票方式、隔離措施，并明確各個部門相關責任人的職責。（2）機柜卡件安裝： 制訂卡件安裝計劃，提前一天會同運行人員進行相關設備隔離，斷開繼電器柜電源，另外每天開工前，對DO模塊接線進行驗電，防止人員觸電。（3）測點傳動、邏輯傳動： 制訂傳動計劃，在測點傳動，SCS邏輯靜態傳動的過程中，要同時驗證畫面是否正確。并組織電科院專業技術人員對MCS、RB、一次調頻、AGC、協調等邏輯進行檢查修改，并進行靜態傳動（仿真），確保邏輯正確。（4）設備單體調試： 運行人員在單體試運過程中，檢修人員要全程參與，驗證邏輯畫面是否正確。 同時要對主要風機、泵進行動態聯鎖試驗，確保主要設備聯鎖正常。（5）帶負荷邏輯性能測試：MCS、協調邏輯優化，RB，一次調頻、AGC試驗數據合格。

5　結語

總之，火力發電廠DCS系統經過長時間的運行后，系統硬件老化發生故障的頻率會越來越高，進而對整個電廠的安全穩定運行造成嚴重的影響，因此電廠應根據自身的條件進行系統改造以及相關硬件更換等，以切實降低由系統硬件老化帶來的不利影響。

作者簡介：

郭志軍（1975-），男，陜西神木人，本科，現就職于陜西國華錦界能源有限責任公司，研究方向為火電廠熱控設備可靠性研究。

參考文獻：

[1] 劉一福. 安徽省火電機組分散控制系統故障分析及建議[J]. 安徽電力，2015（03）.

[2] 張國斌. 電廠分散控制系統改造工廠關鍵技術分析[J]. 內蒙古電力技術，2016（01）.

摘自《自動化博覽》2017年7月刊