DCS系統網絡通訊故障危害及預防

高龍剛，陳紅征，李誠香

（山東萊城發電廠，山東 萊蕪 271113）

0 引言

DCS系統已經在火力發電廠得到廣泛應用，但無論哪種DCS系統，網絡通訊故障都是影響機組安全穩定運行的重要原因。由原國家電力公司發布的 《防止電力生產重大事故的二十五項重點要求》［1］對DCS系統的配置和緊急處理措施作了詳細的要求，各家電廠也根據自己的系統實際制定了專門的防止DCS系統失靈措施，這些都為DCS系統的安全可靠運行奠定了基礎。

1 系統簡介

TELEPERM_XP系統由德國西門子公司制造，該系統主要包括自動過程控制系統（AS620）、過程處理及監視系統（OM650）、工程組態及調試系統（ES680）和SINEC總線系統。SINEC總線系統采用了以廠網和終端網為主體的雙環網結構，采用CSMA/CD，TCP/IP通訊協議，其網絡結構如圖1所示，其核心部件是星形耦合器［2］。

OM650系統主要由過程處理單元（PU）、歷史服務單元（SU）、操作員站（OT）、外部網絡連接單元（XU）組成。PU配雙網卡，一端聯接廠網，一端聯接終端網，完成數據的傳送、處理、短期歸檔及報警功能；SU掛在終端網上，完成數據的長期歸檔及描述功能；OT掛在終端網上，完成畫面監視及操作功能；XU配雙網卡，一端聯終端網，一端聯SIS網絡，完成DCS數據向SIS的傳輸。機組的OM650系統均配置 6臺 OT、4臺 PU、2臺 SU、1臺XU。機組的AS620系統配置8個AP柜及一個APF柜。

圖1 TELEPERM_XP系統網絡結構圖

2 典型故障

機組負荷288 MW，制粉系統A、B磨全磨運行，C磨C1層噴燃器運行，煤量161 t/h，爐膛負壓-71Pa，機組在手動方式下穩定運行。17：11：19，BTG 盤“RB”報警發出，DCS上“RB 跳 B 磨”、“RB跳C磨”信號發出，B、C磨同時跳閘。機組MFT，首出原因“爐膛壓力低低”。風機RB、一次風機RB同時發出。

機組負荷296 MW，制粉系統A、B磨全磨運行，煤量152 t/h，運行人員發現 2臺 OT（OT1、OT2）死機。然后其他OT相繼死機，所有運行參數均無法監視，熱控人員檢查廠網及所屬AP均運行正常。

以上兩次均為TXP系統典型故障，一個是底層通訊一個是上層通訊，而且此類故障在同型號DCS上或多或少均有出現。

3 通訊原理

TXP中的工業以太網（Ethernet）使用CSMA/CD訪問機制 （帶沖突檢測的載波偵聽多路存取）。在CSMA/CD總線上，所有站都與總線檢查或偵聽相連，偵聽在總線上的發送。每個站在任何時候都有權在其它站不使用總線的情況下訪問傳輸介質 （邊對話邊偵聽）。如果其它站在傳輸數據時，一個站想發送數據，則該站只好等待，等到正在發送的數據包被接收后，再經過一個時間間隔，此站才能開始發送數據。如果傳輸站檢測到沖突，該站會停止發送數據，沖突后丟失的數據包重新發送。

過程圖象傳遞。AP<>AP及AP<>FUM卡件通訊通過傳遞過程圖像來完成，AP系統軟件從附屬層獲取過程數據，并將其貯存在輸入的過程圖象（PAE）中。反過來，AP系統軟件將由用戶程序已經產生的數據和貯存在輸出的過程圖象（PAA）中的數據傳送到附屬層。過程圖象傳遞能使用戶程序在兩個AP中通過SINEC H1 FO來交換數據。數據交換是通過AP<>AP鏈進行的。鏈的數目（多達32個）可以被組態，每個鏈允許最長256個字節的一個數據塊被接收或循環地傳遞。如果一個信息幀在一有關鏈的時間內通過一個完整的鏈而沒有收到，則一個信息（DMZ）就產生了。如果一個AP<>AP鏈完全故障，則也發布一個信息。

圖2 AP處理器與FUM卡件過程圖像傳遞

圖3 AP處理器與上位系統過程圖像傳遞

4 故障原因分析

4.1 底層通訊故障

TXP系統硬件連接如圖4所示，根據硬件接線及過程圖像通訊原理、AP源文件組態，可以得出AP的通訊鏈路是左側AP與其他左側AP通訊，右側AP與其他右側AP通訊，該通訊通過網卡CP1430實現，通訊時左右AP通過IM324R和IM304卡來保證兩側AP過程圖像一致，當AP、CP1430故障導致其固有通訊中斷，則通過CP1430<>AP<>IM324<>IM304<>AP<>CP1430環形通訊鏈通訊，這時候如有硬件或軟件故障，則通訊中斷。

圖4 TXP系統硬件連接圖

本次底層故障前AP9右側AP故障，退出運行，使右側AP通訊中斷，AP9與AP4通訊僅靠左側通訊，此時AP4左側AP故障重新啟動，造成左側通訊鏈路也中斷，此時兩AP自身及AP與上位系統通訊雖然正常，但兩AP之間數據中斷，送、引風機、一次風機運行信號消失，導致AP9內RB邏輯誤判斷發出跳磨煤機信號，爐膛負壓瞬間下降機組MFT。

4.2 上層通訊故障

上層處理器 OT、PU、SU功能分布如表1所示，分別為人機接口（MMI）、AS 通訊（ASR）、短期歸檔（ARC）、處理功能（MAC）、描述數據管理程序（BDM）、長期歸檔（LTA）、運行記錄/打印（PRT）、筆記本（NTB）功能，同時SU由于長期歸檔，每一個服務器單元通常配備磁光盤的內部MOD驅動器。

表1 上層處理器OT、PU、SU功能分布

目前該機型配置為CPU為奔騰II系列，主頻166 MHz，內存64 MB；顯卡采用加拿大MATRON公司的彩顯，顯存8 MB，硬盤采用西捷公司的1.9G SCSI硬盤，SCSI卡為 ULTRA2-LVD/SE，版本2.0，網卡型號為3COM EtherLink III，ESIA接口，最大傳輸速率10 Mbps。SU配置有明顯的弱點：硬盤容量較小，僅為1.9 G。傳輸速率較低，還配有MOD光驅。現在運行人員在操作及問題分析時經常長期調用歷史曲線，歷史曲線調用時耗費大量的資源，特別是周期較長曲線，有時還會讀取MOD，若此時通訊發生沖突或硬盤、MOD偶發小故障，導致歷史曲線較長時間調不出來，通常會在其他OT上調用，導致數據傳輸量加大，通訊沖突加劇，系統會發送大量的故障信息，由于硬盤容量較小，信息積累到一定程度會導致SU、PU、OT死機，整個上位系統癱瘓，而SU硬盤容量較大機組則不容易發生此類問題。

5 防范及應急措施

5.1 底層通訊防范應急措施

加強電子間環境、溫濕度檢查，特別做好灰塵、濕度控制，防止因為灰塵積累在空氣濕度大情況下造成卡件故障。

加強設備巡回檢查，每天兩次對AP、卡籠通訊模塊狀態記錄，報警信息檢查記錄，出現問題及時分析并采取相應措施。

對AP柜間通訊點進行全面排查，對于重要的聯鎖保護、自動通訊點進行整理，盡量避免采用柜間通訊方式，減少通訊故障時危害，確實無法避免的柜間通訊，應采取防誤動措施，在邏輯中進行甄別，可根據生產實際采取兩個以上通訊點同時發生中斷抑制措施。

硬件故障發生后，迅速進行判斷，對于AP故障可以采取清灰、更換措施，IM通訊卡、CP1430網卡、電源模件應在停機時更換，此時應加大巡回檢查頻次，并對另一側AP采取通風、抽濕等特護措施，做好事故預想，爭取合適機會予以停機消除。

對于卡籠通訊模塊IM614故障應及時對本卡籠內I/O卡件進行檢查，排除現場因素，并對本卡籠I/O點失效進行預想，避免問題擴大。

5.2 上層通訊防范應急措施

1）減少長時間調用長周期歷史曲線次數，特別要避免曲線調用不出時在其他多個OT上同時調用。

2）避免操作MOD光驅，減少MOD光驅產生故障信息及垃圾文件。

3）定期檢查工控機負荷、重啟機器，清除垃圾文件，防止硬盤空間過小。

4）保持工程師站環境、溫濕度合格，減少粉塵對上微機危害。

5）利用機組停運機會加大SU硬盤容量、MOD，如無法更換暫時在軟件中將MOD設備刪除。

6）操作員站故障應急處理措施：長按XU主機電源按鈕，停掉XU；長按所有OT主機電源按鈕，停掉OT（包括工程師站室內的OT）；從屏幕切換器或工程師站上對所有PU、SU執行init 0操作，若無法執行init操作時，則長按主機電源按鈕，停掉 PU、SU（可同時停）；P1a上電重啟，若 OM軟件不自動啟動，執行Om.Start操作；用PL-t命令，查看P1a運行正常后，P2a上電重啟，若OM軟件不自動啟動，執行Om.Start操作；P2a運行正常后，SUa上電重啟，若OM軟件不自動啟動，執行Om.Start操作；SUa啟動正常后，可將控制室內的任一臺OT上電啟動，該OT的功能正常后，可依次啟動控制室內的其它OT；依次啟動P1b、P2b、SUb、XU及工程師站內OT；用PL-t檢查所有上位機的運行情況。

注意事項：不能同時啟動兩臺及以上的OM上位機；當PU重啟不成功時，將終端網停電，1min后上電，再次重啟PU；異常處理過程中，當有OT功能正常后，運行人員不要查看曲線，并盡量減少操作。

6 結語

DCS系統上層及底層網絡通訊故障都會對電廠安全穩定運行造成重大影響，而通信問題則是DCS系統維護工作最為復雜和難以控制的。通信故障大都因通訊設計存在一定局限性，僅在特定工況下才表現出來，需要對通信原理進行系統分析并找出薄弱環節才能制定針對性預防措施，從消除導致通訊故障的特定工況作為切入點，完善應急處理方案，保證DCS系統可靠穩定運行。