淺析DCS控制系統硬件老化及預防研究

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控制系統使用年限不斷地增加，其硬件會發生不同程度的老化現象，進而導致系統發生故障，影響電廠的正常運行。因此，電廠在運營過程中應當做好DCS控制系統硬件老化預防的有關工作，避免由此對電力系統運行造成不利的影響。該文結合發電廠實例對DCS控制系統硬件老化以及預防研究的有關內容進行分析，以供參考。

關鍵詞：DCS控制系統 硬件老化 問題 預防研究

中圖分類號：TE683 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）05（b）-0076-03

1 發電廠概況

DCS控制系統在長期運行過程中會發生硬件老化的現象，其中主控單元因系統老化發生的故障具有一定的分散性，增加了維護難度。而此文案例中某發電廠使用的發電機組為600 MW亞臨界直接空冷火電機組，且該機組運行的時間有10年之久，導致整個DCS系統發生了較為嚴重的老化現象，電力系統運行過程中故障發生的概率明顯提升。該電廠使用的DCS控制系統為XXX公司的MACSV系統，控制系統的版本為MACSV1.1.0，主控單元的型號為SM203，版本號為MACSV1.1.0 SP2 PATH5。該類型DCS控制系統為典型的星型結構，有連接30對控制器的兩對系統服務構成，且兩對系統服務的控制內容不同，其中一對主要控制汽輪機和空冷部分，而另一對主要控制鍋爐和電氣部分。從中可以發現案例中發電廠的DCS控制系統是集機、爐、電、空冷等控制功能為一體的控制系統，它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、空冷控制系統、旁路控制系統等多種控制功能。電廠以#3機組為例共劃分為3個域，分別為#0域、#1域、#2域。其中#0域為公用系統域，包括#38-#41控制站；#1域為汽機域，包括#10-#23控制站，其中#10-#16為空冷控制站，#17-#23為汽機控制站；#2域為鍋爐域，包括#24-#37、#42-#43控制站，其中#24-#33為鍋爐控制站，#34-#37為電氣控制站，#42、#43為脫硝控制站。包含I/O點數約9260點，配置3對服務器，2臺工程師站，5臺操作員站，2臺通訊站，1臺網關站。通過介紹了解電廠基本的概況，同時也可以發現DCS控制系統在電廠運行過程中所扮演的重要角色，一旦其硬件發生故障將會對電力系統運行產生不可估量的損失。這些年經過相關技術人員的分析發現，DCS控制系統并沒有直接引起機組非停故障，但是在實際的運行過程中也存在著諸多的問題，對電力系統的運行造成了一定的影響。

2 發電廠DCS控制系統硬件老化引起的主要問題分析

DCS控制系統是電廠電力系統的重要組成部分，而此文案例電廠中DCS控制系統運行時間近10年，因此系統老化現象比較嚴重，其具體表現在以下幾個方面。第一，DCS控制系統運行時間長，達到電子產品理論運行年限，因此現階段系統老化現象明顯，尤其是系統硬件系統發生故障的概率明顯提高，而維護費用呈逐年上漲趨勢。例如DCS系統主控單元和電源模塊發生故障較多，作為電力控制系統重要組成部分，主控單元與電源模塊在其中發揮著十分重要的作用，一旦運行過程中發生故障，將會對整個電力系統的正常運行造成嚴重的破壞。且技術人員在進行處理的過程中危險系數較高，實施的解決措施比較復雜，為電力安全生產埋下了安全隱患。第二，DCS系統主控單元故障原因較多，且相互之間的聯系比較復雜，規律性不明顯，這就在一定程度上增加了維修及維護的難度。同時主控單元內部的芯片較多，一旦發生故障，單純更換一個芯片很難消除故障，使系統恢復正常運行。第三，DCS系統中熱電阻卡件發生故障的概率增加，而該電廠使用的熱電阻卡件型號為SM430，且該信號的熱電阻卡件已經停止生產，而目前生產的卡件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。第四，電廠使用的主控單元的型號為MACSV1.1.0 SP2 PATH5，該型號主控單元在實際的運行過程中存在著一定的弊端。第五，DCS系統中主控單元發生故障的現象越來越多，且之間存在著一定的差異，導致故障發生的原因也越來越復雜。

3 探討硬件老化問題

在正常運行狀態下，電子產品理論使用壽命年限為11年左右，通常為10年，而此文電廠DCS控制系統的使用時間已經接近普通電子產品的極限使用時間，因此系統發生老化現象是必然的。經過分析發現，電廠機組DCS系統發生故障主要分布在以下幾個方面，其中主控單元異常46次，占比19.2%；組態應用出現的異常20次，占比8.3%；數據不刷新異常16次，占比6.7%；不明原因異常29次，占比12.1%；網絡異常19次，占比7.9%；模塊故障52次，占比21.7%；其他（服務器）異常58次，占比24.2%；其中硬件所占異常的比例為65.1%。

3.1 主控單元故障概率高

該電廠研究機組主控單元共發生故障約46次，其中控制站雙主控離線故障3起，經過對事故調查分析發現，多種因素的存在對故障的發生都有一定的引誘作用，單純依靠更換內部芯片很難解決問題。另外，隨著DCS系統使用時間的不斷增加，故障發生的概率會越來越大，產生的現象也會越來越復雜，增加了技術人員對故障發生原因判斷的準確性，為消除系統故障帶來了一定的困難。例如故障指示燈與故障發生的現象不一致，這就可能會導致技術人員判斷故障原因出現錯誤，影響電力系統的安全運行。另外，該電廠所使用的為MACSV1.1.0 SP2 PATH5型號的主控單元，在實際使用過程中存在著一定的缺陷，如單元冗余切換判據不全面，在運行過程中如果主控單元發生故障，如單元內部芯片損壞、模塊離線、網段故障以及數據不刷新等不能及時地向上位機進行信息傳輸，最終導致主控單元自動切換無法正常完成，極有可能導致電力安全事故的發生。

3.2 電源模塊故障率高

經過統計發現，該電廠研究機組發生電源模塊故障共23次，其中電源模塊在運行中電壓不穩定的故障發生概率較大，這對主控單元的正常運行將會造成一定的影響。相關的技術人員對每次停機狀態下機柜內電源模塊的檢測結果進行了詳細記錄，經過分析發現，機組中供電電壓產生漂移的現象越來越頻發，且最近一次結果顯示，近30%的供電模塊已經出現了電壓漂移的現象，這將會嚴重縮短電源模塊的使用壽命，同時也會在一定程度上對該機組的正常運行造成嚴重的影響，不利于電力安全生產活動的正常進行。

3.3 熱電阻卡件故障率高

電廠DCS系統隨著運行時間的不斷增加，熱電阻卡件發生故障的頻率也會越來越頻發。該文電廠使用的是型號為SM430熱電阻卡件，該型號的熱電阻卡件已經停產，而目前生產的卡件與原型號卡件之間兼容性較差，因此一旦系統運行中熱電阻卡件發生故障，在正常運行中不能更換，對電力系統的正常運行造成干擾，為安全生產埋下隱患。

3.4 組態軟件運行中存在問題

在DCS控制系統組態軟件在運行的過程中，相關參數修改時，離線和在線不能同步進行，這就可能造成離線和在線參數出現不一致的情況，而技術人員為了保障兩者參數相同不得不在停機狀態下對離線和在線情況下的參數進行比對，這就在一定程度上增加了工作量，且由于是人工進行比對，因此過程中可能會發生一定的誤差，影響組態軟件的正常工作。

4 淺析預防研究措施

通過以上研究分析可知，作為電廠重要的組成部分DCS控制系統在電力系統運行過程中發揮著十分重要的作用。而隨著系統運行時間的增加，老化現象也逐漸顯現出來，因此如何切實提高DCS控制系統可靠性已成為了電廠研究的主要問題之一。針對以上情況分析，對電廠系統進行科學合理的改造以及對老化硬件進行必要的更換將極大地降低DCS系統運行故障，進而為電廠安全生產的順利進行提供了堅實的保障。

4.1 選擇合適的DCS控制系統

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，對相似機組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系統在經歷實際投運以及工廠實驗后，其系統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地對比分析。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的質量標準進行嚴格地測試，以保證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自動切換。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了堅實的基礎。

4.2 提高施工工藝標準

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及濕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。另外，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DCS系統中，進而對內部的電子元件造成損壞。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，且屏蔽線應保證單點接地，并設立單獨的接地柜。另外，施工人員在具體施工過程中應當嚴格按照施工圖紙進行施工操作，切記擅自更改，影響安全生產。

4.3 優化程序設計和調試

為了切實提高電廠DCS控制系統運行可靠性，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地結合，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。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，以保證其的合理性，避免運行中出現故障，影響電力生產的安全進行。

4.4 加強技術培訓

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系統在安裝過程中，一旦出現操作失誤的情況，將會對系統軟件和硬件今后的應用性能造成嚴重的影響，同時也會對電子設備等的運行及安全指標造成一定的影響。因此設計人員在進行DCS系統控制方案設計的過程中，應當汲取一線技術施工人員的相關意見，或者設計過程中邀請技術施工人員的參與，這樣一方面保證了設計方案的準確性和合理性，另一方面也提高了操作人員對DCS系統的操作控制能力，為今后工作順利開展提供了基礎。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了保障。

4.5 日常維護

DCS系統運行可靠性的提高除了系統本身的性能外，日常維護也是十分必要的，因此電廠應當安排專門的技術人員對系統進行定期維護，例如定期對DCS系統進行除濕、除塵，避免由此對系統運行造成不利影響，并禁止相關人員在DCS系統中存儲與系統運行無關的數據，或者是讀取與系統無關的光盤，以避免對系統數據造成干擾。電廠還應當每天根據點檢標準對設備進行點檢，一旦發現操作人員出現錯誤操作的現象，應當立即進行干預，并進行指導，以保障DCS系統的正常運行。另外，技術人員在巡檢過程中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，更換損壞卡件，發揮系統冗余功能，保障電力系統的正常運行。

5 結語

總之，發電廠DCS系統經過長時間的運行后，系統硬件老化現象會越來越嚴重，硬件設備發生故障的頻率會越來越高，尤其是DCS系統主控單元故障率會明顯提高，進而對整個電廠的安全運行造成嚴重的影響，因此電廠應當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。

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