摘要：DCS控制系统涉及全厂所有设备控制、数据采集等关系到整个机组安全稳定的运行。由此看出网络稳定可靠的重要性，DCS网络是否完善可靠一直是我们所关注，只有真正解决问题才能保证机组的运行。本文以大唐锡林浩特电厂的实际情况并参照托电三期，对DCS系统可能存在的问题进行研究和优化。
关键字：网络；冗余；电源；通讯
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
Research on reliability of large scale thermal power plant DCS system based on redundancy concept
XuHongming
(InnerMonglia Datang International Xilin Hot Power Generation Co.Ltd.,Xilin Hot 026000,China)
Abstract:Dcs control system involves all equipment control and data acquisition in the whole plant, which is related to the safe and stable operation of the whole unit. From this we can see the importance of stable and reliable network. whether DCS network is perfect and reliable has always been our concern. only by truly solving the problem can we ensure the operation of the unit. Based on the actual situation of Datang xilinhot power plant and with reference to the third phase of power supply, this paper studies and optimizes the possible problems in DCS system.
Key words: network; redundancy; power supply; communication.
1前言
随着电力事业飞速发展，火力发电厂在我国占据主要部分，同样火力发电机组需要监视的参数以及被控设备和对象也越来越多越来越重要，所以，DCS被越来越广泛的应用于火力发电机组。现在安全生产日益重要，员工对安全的工作环境也是有很高的要求，所以DCS系统的安全性稳定性越来越被重视。而DCS作为一个电子产品，长时间连续运行中，其必然会出现一些不可预知的故障，而这些故障却是无法避免的，比如DCS电源故障或网络故障因控制器内部原因造成死机等，DCS系统中的电源或网络故障时，极有可能导致整个网络异常，网络的重要性可想而知，一旦网络故障，将会导致整个机组失控，后果不堪设想。我们也看到某些电厂进行过电源的改动或者是网络的升级工作等。但DCS是一个整体，任何一个环节故障，都可能导致DCS系统故障，给电厂带来无法弥补的损失并造成恶劣的影响，该项目从DCS系统整体出发，不放过任何一个环节，对其研究并优化，最终实现DCS系统零故障。
2 正文
2.1 DCS系统网络结构分析优化与实施
锡电#1、#2号机分别于2018年底2019年十月投产发电，使用美国西屋公司生产的ovaiton控制系统，控制主网络为百兆以太网络结构，ovation版本为3.6。相比托电三期ovation版本为1.6.2，控制器采用单网冗余结构，每对控制器互为冗余配置，主控制器通过一根网线连接至交换机，备用控制器通过一根网线连接至另外一台交换机，控制器和交换机均采用冗余配置，当主控制器网络故障，系统将自动切换至备用控制器。该配置虽然做到了控制器及网络的冗余，但连接控制器的网络故障时会导致控制器切换。机组运行中，控制器切换存在很大的风险，比如备用控制器故障无法切换或切换超时等。并且，在线处理故障网络时，对整个网络系统也存在一定的威胁，如果不处理，则当备用控制器故障时，无法切换至主控制器，从而就会导致整对控制器故障，现场设备失控。优化之前，网络结构见图1。
从优化前后的两张图片可以看出，优化后的DCS网络，每台控制器设置两路网络连接，且两路网络所连接的两台交换机采取冗余配置，若一台控制器故障时，控制器可进行切换，若任意一路网络或任意一台交换机故障时，网络能够正常运行，控制器也不会进行切换，系统报警会提示运行人员网络故障，及时处理。并且优化后的网络，采用独立的GPS装置，避免了由于多网故障导致DCS系统无法接受时钟信号，另外，即使单独的控制器故障，系统会动切换到备用控制器运行，不会导致系统故障，即任何一个装置，或者环节故障，都不会导致现场设备失去监视和失控，极大地提高了网络运行的安全水平。同时辅控等外围设备通过子级交换机经光线送至辅网交换机，该线路及交换机均未冗余设置，光缆敷设路径也为两条防止因特别原因导致两条均损坏导致通讯中断。
2.2 DCS系统网络柜电源供电方式优化策略与实施
参考托电原DCS系统网络柜电源初始设计为来自热控电源柜两路UPS和两路保安，每一路UPS和保安电源切换后输出一路电源，共输出两路，两路电源经过电源切换装置为网络柜供电，由于电源切换装置属于电子器件，受使用寿命等影响，存在损坏或切换故障的可能，从而可能导致网络柜内交换机失电。初始设计见图3。
从上图可以看出，来自5（或6）号机组的UPS和保安电源虽然经过一个继电器进行了切换，实现了冗余，但切换后的两路电源送入一个AC自动切换装置，不难看出，AC自动切换器为一个最大的隐患点，如果该装置故障，极有可能导致切换器输出端失电这样就会导致整个DCS网络柜失电，进而导致DCS系统瘫痪，DCS系统一旦瘫痪，现场的所有设备将失去监视。
经过研究分析决定，我们取消了继电器切换装置，取消了AC自动切换装置，采用两台先进的APC自动切换装置来代替继电器和自动切换器，一方面减少了故障点，另一方面，实现了冗余配置。优化后的网络柜电源图见图3。
从上图可以看出，经过电源优化后，取两路UPS和两路保安电源，一路UPS和保安经过切换送出A路电源，另一路UPS和保安切换后送出B路电源。APC装置A所带网络柜中A网设备，B装置带B网设备。所以，即使其中一台APC装置彻底故障，不输出电压，也只是影响到一路网络，由于网络采用双网冗余配置，所以，网络可以正常运行。该做法本质上不能降低设备的故障率，事实上，电子设备的故障也无法做到百分百可控，该思路只是将一个大的故障点分散到多个设备上，而单个设备故障不会影响整个系统，从而极大的提高了网络柜的安全运行水平，保证了机组的安全运行。
2.3 DCS系统机柜风扇电源优化策略与实施
DCS系统机柜风扇电源原取至控制器电源，而机柜的风扇装置厂家一般购买其他厂家的产品直接安装，其设计的可靠性和安全性远不如DCS产品，所以DCS机柜风扇经常会出现风扇卡涩或者风扇电机烧毁等现象，考虑其他厂曾出现过风扇内部短路导致控制器电源故障的事故，而风扇作为机柜重要的降温设备不能取消，所以，我们从供电入手，专门为风扇设计一路电源电源上口与DCS控制器电源上口不同防止风扇故障顶跳控制器电源，电源取自隔壁MCC间PC段分别为机柜正面和反面的风扇供电。经过优化后，控制器电源不再为一个容易故障的风扇供电，而且，即使其中一路电源故障，也能保证机柜的通风，消除了隐患。该优化的思路是，考虑每一个细节，细节往往容易被人们忽略，而这些细节方面一旦出现问题，有可能导致重要设备故障，所以，需要将故障率较高且重要性相对较低的而又是从DCS系统取电的设备独立出来，单独供电，提高DCS系统的安全性。
2.4工程师站供电方式优化策略与实施
DCS系统工程师站内共有1台服务器，一台工程师站，一台历史站，一台AMS（数据管理），一台OPC服务器（用作SIS系统数据发送）。历史站负责收集历史操作记录、历史报警以及SOE事件等，OPC负责为SIS系统传送数据，这两台站对于事故分析和历史追忆有着非常重要的意义，一旦故障，将会无法收集相关历史数据。并且，工程师站和服务器的权限最高，可以进行一些数据点的退出扫描等功能，如果失电，则无法进行紧急情况的保护投退操作。
初始设计为：热控UPS电源柜和热控保安电源柜各送出一路220VAC电源，经过继电器切换后送往蓄电池，然后由蓄电池的输出为各台站供电。该设计存在几方面的缺陷，一方面，继电器存在节点老化或硫化现象，导致切换故障，另一方面蓄电池经过常年充放电过程，已经严重老化，并经常出现故障现象，导致工程师站内设备断电，数据不收集、网络扰动等。鉴于此，我们经过分析研究，取消了继电器和蓄电池，改为3台先进的APC切换装置，从UPS和保安各取三路电源，每路UPS和保安经过APC装置切换后送出一路电源，共三路电源为工程师站内设备供电。并且将OPC和历史站分开供电，工程师站和服务器分开供电，即使其中的某一台APC装置故障失电，也只是导致其中某台站失电，避免了由于电源设备故障导致的多台重要工作站同时退出的事件，大大的提高了系统的安全性。另外，即使在极端情况下APC装置故障，也不会发生历史数据无法收集和重要功能无法使用的现象。
2.5操作员站供电方式优化策略与实施
我厂共11台操作员站（210-216）。参考托电三期初始设计为热控UPS电源柜和热控保安电源柜各送出三路电源，每一路UPS和保安电源经过继电器切换后送往蓄电池，共三个蓄电池，然后每个蓄电池的输出带两到三台操作站。该设计存在几方面的缺陷，一，继电器存在节点老化或硫化现象，导致切换故障，另一方面蓄电池故障率高，经常导致操作员站失电，最大的问题是，切换电路通过一个继电器完成，如果继电器故障，即使其中一路电源存在，切换回路仍然可能失电。切换装置见图5.
其他电厂也出现过由于操作员站全部失电导致的机组异常事件，鉴于此，我们研究分析，从UPS直接取三路电源，从保安电源柜直接取四路电源，为11台操作员站供电，取消所有切换装置和蓄电池。托电公司每台机组配置两名监盘人员，即使保安电源或者UPS电源失去，也能保证至少有三台操作员正常运行，完全能保证正常的监盘需求，避免了全部操作员站失电的恶性事件。该优化思路与工程师站电源优化思路略有不同，操作员站数量较多共11台，且功能完全一样，而监盘人员较少，所以，为了保证在异常情况下，至少半数操作员站能够正常运行，允许一半的操作员站失电。这种设计，取消了所有中间环节，包括切换继电器、蓄电池、端子排等，直接从电源柜取电，减少了故障点，大大提高了系统的安全性。
2.6其他方面的优化
DCS系统继电器寿命及可靠性评估。DCS系统继电器作为DCS重要的输出环节，负责向外输出开关量节点，负责所有阀门、执行机构以及重要保护的输出，我们从机组投产开始，每隔一年抽样检查100个继电器，对继电器的接点在闭合时进行电阻值检查并记录，通过分析数据我们发现，随着运行时间的增加，节点的阻值逐年增大，硫化现象比较严重，甚至部分继电器无法正常闭合，并且，个别常带电继电器偶尔会出现开路现象，导致信号丢失，造成设备误动。所以，我们制定了继电器更换计划与方案，每隔5年，利用机组检修机会对所有继电器进行更换，更换完毕后，抽样检查继电器接点电阻，若出现一个不合格继电器，则重新更换所有继电器，做到万无一失。每台机组大约2000只继电器，更换一次费用大约2万元，按照5年更换一次，一年的费用只有4千元，而由于继电器误动或拒动造成的设备异常，每次的损失远远不止4千元。
网络柜及远程柜夏季超温的研究与优化。我厂厂址区域条件属于中温带大陆性季风气候区西风带，夏季受太平洋副热带高压控制，多年最高气温38.4℃，非常炎热。所以，在夏季高温期间，DCS温度是一直是高度关注对象。虽然，DCS电子间加装了中央空调，但是，中央空调一旦故障，电子间温度很快就会上升，并且，DCS网络柜中电源装置以及交换机等设备散热量较大，所以，仅仅通过风扇降温已经不能满足特殊情况的需求，为此，我们在机柜柜门重新开通散热孔，散热孔布满整个柜门，柜门正、背面顶部安装两个风扇向机柜内部吹风，经过换热后的热风从柜门的散热孔排出，有效的提高了散热效果，提高了网络柜内交换机、电源等设备的安全运行水平。另外，安装于炉侧汽包平台的炉顶壁温远程柜在夏季时也经常存在温度超标的现象，因为夏季高温时锅炉厂房温度较高，且环境粉尘较大，所以，通过简单的风机换热不能满足要求，为此，我们将炉顶壁温远程柜柜顶拆除，安装一台空调，直接向机柜制冷，并实现温度自动调节，经过改造后，大大降低了机柜内温度，同时避免了粉尘对电子设备的危害，减少了维护量，降低了设备损坏率，降低了维护成本，提高了设备以及机组的安全运行水平。
DCS系统温度监视优化与DCS系统管理优化。为了实时监视DCS系统温度，我们对DCS的温度监视进行了优化，在DCS电子间、DCS机柜内、DCS远程柜内均增加了温度测点，并送入DCS显示，除此之外，全厂的DCS相关温度送入同一个SIS画面，便于了其他人员以及管理人员等实时监视DCS的温度，便于及时发现异常。在DCS系统管理方面，我们制定了详细的DCS系统巡检制度，每天对DCS控制器、网络设备以及环境温度、湿度进行巡检。在机组停机时，必做的工作就是DCS系统吹灰和机柜滤网更换工作，吹扫时引用压缩空气，避免了电吹风产生的静电对电子设备的影响。
结束语
当前国内一些企业对DCS也进行过一些改造，但都是在本厂或其他电厂发生安全事故后进行的局部整改，未从整体进行分析研究，导致同一个企业DCS系统发生多次故障，而本项目从整体进行研究，从网络方面、电源方面以及小到机柜风扇电源方面进行全面彻底研究，并最终成功实施。另外，本项目还从细节出发，认真分析导致电子元器件故障的原因并通过技术改造和管理手段等多方面进行了改进，降低了电子元器件的故障率，提高了设备的安全水平。目前我厂多台机组已经优化完毕，经过优化后的DCS系统在各个环节稳定性安全性大大提升，DCS系统未发生由于个别设备故障导致的任何故障。
论文作者:张卫宝、杨国春、杨会敏、刘冰洲、王文占、徐宏明
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：电源论文; 故障论文; 继电器论文; 系统论文; 控制器论文; 网络论文; 机柜论文; 《当代电力文化》2019年第9期论文;