摘要：本文对华能伊敏电厂DCS控制系统的组成、网络结构等方面进行了简要介绍，并以实际使用和生产维护工作中存在的问题为例，对出现的故障问题进行了分析和妥善处理，对提高控制系统可靠性方面提出了一些想法和建议，在同类型设备维护上有一定的借鉴意义，仅供参考。
关键词：DCS；SymphonyHIS；HCU
1引言
DCS是分布式控制系统的英文缩写（Distributed Control System），分散控制系统已经广泛应用于现代化大型数字化电厂，华能伊敏电厂共建设三期6台机组，总装机容量3400MW，6台机组的DCS控制系统均采用ABB公司的Symphony系统，Symphony系统各控制器和控制逻辑有效分布于各个HCU单元，而操作、记录和管理等的功能却高度集中，突出体现了分散控制的特点。Symphony系统在伊敏电厂6台机组均获得了成功的应用，机组的安全性和控制的可靠性都大大的提高，大大降低了运行监盘和检修维护的劳动强度。但由于DCS系统硬件设备长时间不间断运行，电子元器件老化、电子间静电大、硬件版本与HCU通讯总线不匹配以及现场数据量大造成通讯模件负荷率超标等原因，在生产和维护过程中多次发生DCS控制系统在机组运行中出现DCS模件故障和通讯中断等问题。
2 Symphony系统组成及功能介绍
Symphony系统硬件共分为三部分：通信网络、人系统接口(HSI)、现场控制单元(HCU)。各部分的硬件组成功能如下：
2.1 通信网络
通信网络是将操作员站与现场控制单元连接在一起，以便让控制室内的操作员充分获取现场信息的数据高速公路。Symphony系统通信网络为多层各自独立的标准总线和环形网络结构。其中最上层为管理层，通信结构为总线网络。第二层为控制数据层，为HCU结构内的控制总线网络C.W，主要承担网络与控制器之间的通信。最下一层为I/O数据层，在HCU结构内的网络为扩展子总线X.B，即I/O总线，它是MFP所控制下的I/O子模件之间的通讯通道。
2.2 人系统接口HSl (HumanSystemInterface)
人系统接口作为通信网络中的节点，主要包括操作员站、工程师站、历史趋势站以及仿真机动态数据接口服务器。
2.3 现场控制单元(HCU)
HCU主要由多功能处理器MFP、通信模件对、I／O子模件、电源模件等组成，主要负责现场过程信号的采集和处理，而这些功能的完成，都由多功能处理器MFP模件和相应的I／O子模件来实现。控制系统的核心就是多功能处理器MFP，MFP是一个多回路控制、顺序控制、批处理控制的高级处理器。
现场控制单元面向生产过程，完成对过程信息的数据采集、闭环控制和顺序逻辑控制，完成过程控制级功能。现场控制站HCU它包括以下模件：
2.3.1通讯模件
通讯模件是现场控制单元HCU与控制网络Cnet的接口，NIS和NPM模件通过他们之间的子总线结合成一个通信模件对，共同完成HCU对Cnet的所有通讯功能。
2.3.2控制器模件
控制器除了完成多回路模拟量控制，顺序控制和批量控制外，还可以处理特殊控制和信息处理应用。它能执行数据密集，程序密集或两者均密集的过程控制应用程序。
2.3.3各种输入输出子模件
火电厂需要连续进行检测的信号，如:温度、压力、流量、液位、电流、电压、转速、频率、振动等;开关量信号，如:阀门的开关状态，设备的运行状态，监测点质量的好坏。
3 Symphony系统的通讯结构
控制网络：Cnet
控制总线：C.W
I/O总线：X.B
4 Symphony系统的通讯协议
C.net：存储/转发协议；
C.W：自由竞争协议；
X.B：无标称协议；
5 Symphony系统的通讯网络技术
例外报告技术
数据压缩技术
确认重发技术
6 实际应用的故障案例
6.1 主控制器模件故障
2011年8月10日上午10:06分，某电厂#1机组由于DCS机柜HCU01主辅BRC100模件同时故障，炉膛压力低保护动作，锅炉MFT，机组停运。
图1 Symphony系统HCU配置图
图2
主模件LED灯红亮，故障代码：00110010；表示地址或总线出错。
辅模件LED灯绿闪，故障代码：00001111；主模件出错，为现行组态，备用模件没有接替控制。
原因分析：
6.1.1 切换前，备用模件已经故障；
6.1.2 同时受到外部电磁或电压波动干扰，造成模件出错；
6.1.3 模件长期投入工作或自身质量问题，电子电路元件性能出现下降，造成切换超时，模件报错；
6.1.4 控制器组态负荷率偏高，在模件性能下降的情况下超负载运行，导致主辅切换超时，模件报错；
6.1.5 主辅模件冗余链接触不良或冗余链存在故障；
6.1.6 人为对控制器组态或控制器非法操作。
经上述分析，可先排除6.1.1、6.1.6项。事后组织人员对机柜电源、接地、C.W总线均进行了全面检查，没有发现问题。事发时，也没有人在机柜附近使用过大功率电磁设备，若是电源出现波动，该机柜内的第二对控制器也同样会出现切换或故障，因此可排除6.1.2项；如果冗余链存在故障或接触不良，通过巡检可以发现；事发后对冗余链进行了检查，未发现接触松动，因此判断冗余链不存在故障，可排除6.1.5项；对于6.1.3、6.1.4，经过查找资料和咨询ABB相关专家，DCS模件确实存在长期工作性能下降问题，当达到使用寿命后，模件可能出现故障。
防范措施：
6.2.1机组检修时，对所有控制器进行冗余切换试验和硬初始化，并离线下装一次。
6.2.2 提高对DCS机柜的巡检要求，定期检查控制器主备状态。
6.2.3 对工作年限较长的重要设备控制器，抓紧进行更新升级备件操作。
6.2.4 加强对工程师站组态逻辑的管理，严禁非法操作。尽量避免逻辑组态逻辑的无限增加和在线下装控制器组态。
6.2.5 严禁野蛮用力开关DCS机柜柜门，开DCS机柜前，释放静电，以防止身上静电影响模件正常运行。
6.2.6 全面抓好对DCS系统巡检、维护等技术能力的培训。
6.2.7 做好对DCS系统各类备件的储备，确保备件质量。
6.3 通讯主模件故障
2017年3月18日上午07:24分，#3机组HCU44机柜备用通讯模件组（NIS21和NPM12）故障，经检查主用通讯模件组工作正常。
图3
图4
备用模件LED灯红亮，故障代码：00110001；表示存储器或CPU故障。对故障模件复位后工作正常。
6.4、数据通讯中断案例
2016年7月20日15：17，伊敏电厂#3机组负荷438MW，15:17:18 5台操作员站、2台大屏幕、值长站画面大部分测点变粉。各操作员站服务器通讯模件、计算机接口模件、DCS机柜通讯模件、控制器模件均正常运行，无自动切换及报警发出，检查所有通讯模件端子板及环网线均无异常。热工人员于15:29重新启动3台操作员站服务器，15:44 #3机组所有操作员站、值长站、大屏幕恢复正常。
原因分析：
通过对离线数据的逐一分析，发现大部分离线数据均为HCU34、HCU37模件柜上的数据，检查这两个模件柜所带的全部数据均在15:17时发生过离线，而其他模件柜上的数据只有少部分离线，且离线的数据均在15:17时或之后发生。因此，判断本次数据变粉事故原因为HCU34、HCU37模件柜故障导致其他模件柜数据受到影响而离线。后通过与ABB贝利公司技术人员的咨询和判断，主要原因为这两个控制柜内的通讯模件版本过低、稳定性差。其中，环网接口模件INNIS21版本为F4版本，该版本模件稳定性相对较差；环网处理模件为INNPM12，该型号的模件设计上有些缺陷，存在Controlway通讯错误的可能。
防范措施：
6.4.1全面普查各机组环网接口模件INNIS21版本，保证模件版本在F8版本以上，提高设备的可靠性。
6.4.2提报升级改造计划，将存在缺陷的环网处理模件升级为INNPM22，同时升级控制器模件Controlway版本，以适应新模件，保证设备安全可靠运行。
6.4.3对热工专业全体人员进行培训，要求热工专业全体员工熟练掌握各机组DCS系统操作员站启动步骤，提高热工人员处理DCS系统数据中断事故的应急能力，确保出现类似离线事件时，现场人员能够在第一时间进行分析、判断和处理。
6.5其他故障事件
6.5.1 单一HCU瞬间离线（15-30S），造成该控制柜内所有数据状态离线。控制柜内测点离线变粉，部分测点带调节门的被调量，造成部分电动调节型执行机构退出自动调节，更换两对冗余的通讯模件组后工作正常。
6.5.2 液压伺服子模件（HSS03）故障，造成DEH系统高调门切单阀方式运行，更换新模件后正常；
6.5.3模拟量输入子模件（ASI23）故障，造成所带温度测点故障，操作员画面显示粉色，更换新模件后正常；
6.5.4端子板接入现场信号电缆屏蔽层接触不良，造成测点显示值不定时摆动；或现场信号电缆屏蔽不好，现场电磁干扰信号强，造成整个端子板所接多个测点同时摆动；
7 结合以上故障案例的分析对提高控制系统可靠性提出以下几个方面建议
7.1分散控制系统DCS应配有可靠的两路独立的供电电源，并确保DCS电源系统稳定，热控仪表电源柜及辅控系统，应与DCS机柜电源来源相同，所有热控设备电源应专用，严禁非控制系统用电设备与控制系统电源相连接，严禁热控电源取自检修段电源。
7.2 必须重视DCS系统接地问题，应保证DCS系统满足“一点接地”的要求，整个接地系统最终只有一点接到接地地网上，DCS系统机柜内应配置独立的安全地、屏蔽地、信号参考地和相应的接地铜排，并保证各项接地可靠，其任意两地间电阻应大于2M欧；除设备厂家要求外，均不应采用控制电缆屏蔽层作为信号地线使用，由于发电机、励磁机电磁干扰较大，热控测量设备、管线等与其轴承座间应确保绝缘合格；独立接地的系统接地电阻应不大于2欧姆，连接电气接地网时应不大于0.5欧姆。
7.3 充分采用冗余技术，DCS机柜内的电源块、主控制器、通讯模件均使用冗余配置，重要保护、主要调节监视参数的I/O子模件也均应配置为冗余结构，并且配置在不同I/O子模件上，同时确保保护信号和自动调节信号分开的独立性原则。
7.4 合理配置DCS系统主控制器的工作任务，如送引风机、空预器、循环水泵、给水泵等多台配置的重要辅机应分别配置在不同控制器中，每对控制器控制I/O点数原则上不大于400点；CCS系统与DEH系统间重要信号采用跨控制器的通讯方式传输的，建议应采用硬接线方式冗余连接至各控制器间。
7.5 做好DCS系统运行状态监测，做好主控制器模件负荷率、通讯负荷率监视，所有控制器负荷率恶劣运行情况下应不大于60%，数据通讯负荷率最繁忙时应不大于40%。
7.6 认真核实DCS组态逻辑，梳理无效逻辑并及时清除数据标签，同时合理设置热工各项参数报警定值，避免参数频繁报警和报警通道始终被触发，堵塞DCS环网数据通信通道，增加主控器运算工作任务，影响操作员服务器运行速度，严重时可造成通信系统瘫痪。
7.7 做好运行控制器组态与离线组态逻辑的比对工作，保证组态逻辑的同步性，并推荐每个检修期均对各主控器进行一次格式化和离线下装工作，人为将主控器执行“重启”功能，提高控制器运行稳定性。
7.8 停机检修或机组临检时必须进行DCS主控制器模件、电源模件、通讯模件切换试验，并且试验考核期应大于24小时。
7.9 完善各DCS机柜温度监测工作和模件故障的报警功能，做到故障及时发现及时处理。
7.10 制定完备的故障处理措施和设置可靠硬手操功能，确保当DCS系统发生故障（如全部电源失去、DCS系统失灵、主控器模件重启、通讯网络中断等），运行人员无法通过操作员站对机组进行控制的情况下，能保证机组安全停机。
7.11 事故追忆功能完备，SOE配置数量、范围、追忆时间满足要求；历史站数据储存内容能力、时间分辨率，历史数据检索、趋势曲线、调用时间满足要求。
7.12 做好DCS系统各硬件设备的健康档案，合理评估使用寿命，与DCS系统厂家保持技术交流，做到DCS硬件设备版本的定期升级更新。
7.13 重视DCS电子间的静电问题，保证DCS电子间温度在18℃—24℃，相对湿度宜保持在45%—65%（任何情况下不允许结露）。同时做好电子间防尘和清扫，做好电子间等设备环境维护工作，按照计划做好DCS系统机柜定期检修工作，最大程度降低静电影响。
7.14 严格规范电子间、工程师站、历史站的管理制度，做好DCS操作系统的防病毒措施，工程师站、操作员站应配置不同的登录权限，做到专人专职专管，杜绝非专业人员操作。
7.15 制订软件修改和软件升级管理制度，并严格执行。
7.16 完善资料管理，做好热控设备检修、校验记录，定期进行保护信号与电源电缆绝缘测试并做好记录，做好DCS控制系统硬件检修记录，DCS系统故障与异常情况统计台账健全，DCS系统组态修改审批流程记录齐全并严格归档。
7.17为提高控制系统可靠性，应定期进行扰动试验，机组保护系统也应进行在线定期试验。
7.18认真做好控制系统硬件及软件设备的巡检工作，每天巡检不少于1次，在机组检修期间进行严格按照分散控制系统相关检修规范开展控制系统的检修工作。
7.19 规范运行人员操作，防止无效操作和非法操作发生。如果同一操作端操作动作频繁或不同操作员站同一画面调用次数过多，操作间隔时间过短，必然会使画面刷新缓慢，操作指令反馈时间加长，严重时会导致画面死锁，操作员站死机。
7.20加强和重视热工专业技术人员的培训工作，认真开展事故应急演练，逐步提高热工专业人员事故分析和应急处理能力，最大限度缩短事故处理时间。
8 结束语
伊敏电厂DCS控制系统近年来虽然在生产运维中出现了一些问题，但是经过认真仔细的分析和妥善处理，故障和问题在最短的时间内均已经处理完毕，目前DCS控制系统运行良好。伊敏电厂检修部热工专业在控制系统及其附属设备的运行维护和检修过程中也总结和积累了丰富的经验，2016年华能伊敏电厂实现全厂6台机组全年无非停，其中#5机组实现连续运行630天的目标，这些优异成绩的取得与DCS控制系统可靠运行是分不开的，因此提高控制系统运行可靠性是现代化火电机组的重要课题。
参考文献
[1]DLT659-2016 火力发电厂分散控制系统验收测试规程.
[2]DLT 261-2012 火力发电厂热工自动化系统可靠性评估技术导则.
作者简介
李刚，男，大学本科，工程师，发电厂热工自动化方向，热工专业主管，具有该专业13年工作经验。
论文作者:李刚
论文发表刊物:《电力设备》2019年第1期
论文发表时间:2019/6/26
标签：系统论文; 控制系统论文; 故障论文; 机组论文; 离线论文; 控制器论文; 操作员论文; 《电力设备》2019年第1期论文;