運維之道-6B級燃機控制系統通訊故障案例分析與探討

魏巍 李明

摘要：通過對6B級燃機控制系統硬件及內部邏輯進行排查分析，辨別匯總通訊故障時出現的現象，提出解決故障的方法，為燃機機組安全穩定運行提供建議和幫助。

關鍵詞：燃機;邏輯;通訊故障;配置;穩定運行

中圖分類號：TM611.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）11-0186-02

1? 機組情況

某燃機電廠一臺6B型燃氣-蒸汽聯合循環發電機組，燃機功率力為42MW（設計工況），燃機由一臺17級的軸流式壓氣機、10個低NOX燃燒器組成的燃燒系統、一臺3級透平和有關輔助系統組成。燃氣輪機額定轉速5163r/min，通過減速齒輪箱將轉速降至3000r/min，帶動發電機運行?？刂葡到y采用3冗余配置。機組于2007年投產，2014年進行DLN改造，運行情況基本良好。隨著時間的推移，燃機控制系統部分設備老化，燃機運行中的不確定性因素增加，機組運行過程中曾出現過由于燃機通訊故障間接導致的機組非計劃停運，通過對機組運行期間異常情況和機組事件案例進行總結分析，此次非停是由于S控制器通訊故障并且R控制器或T控制器出現數據波動導致。為了降低機組非停概率，重點對燃機控制系統硬件結構、通訊故障時的現象、分析解決通信故障的方法等進行歸納探討，消除燃機的安全隱患，便于確認排查故障方向。

2? 6B型燃機控制系統配置簡述

2.1 控制系統數據通訊網絡

控制系統設置有三級數據通訊網絡：PDH 網、UDH 網和IONET網。

PDH 網是系統用來與電廠離散控制系統（DCS）或者第三方設備之間進行數據通訊的途徑。

UDH是基于Ethernet 網絡，它提供燃機控制器、汽機控制器、余熱鍋爐控制器、發電機勵磁控制器、靜態啟動器、PLCs 之間高速的端與端對等通訊。

IONET是以EthernetTM為基礎的用于控制器內三個控制處理器、三個保護模塊以及擴展模塊間通訊的網絡，該網絡也是三冗余的。IONET使用的是ADL對控制器數據進行表決。

2.2 控制系統硬件配置

控制系統采用3冗余控制模塊以及3冗余P保護處理器（X、Y、Z保護模塊），R、S、T控制模塊都采用了21 槽標準的VME型機架，在第一個槽上有一個VCMI 通訊卡，它負責與VME底版上的I/ O 卡件進行通訊，并與其它控制模塊的VCMI卡交換數據，對數據進行表決;表決得到的數據被傳輸到位于第二槽的主控制器上;其他卡件，由于6B機組的測點數量與分布情況等因素，部分數據并未進行完全三冗余配置，因此有些I/ O 卡件采用簡化型卡件配置。

6B機組常見的簡化型卡件有VCMI卡、VRTD卡、VTCC卡等。常見的未完全冗余的測點有輪間溫度熱電偶、排氣熱電偶、燃機回油溫度、發電機定子熱電阻、壓氣機進口熱電偶等。

3? 機組通訊故障現象與分析

3.1 通訊故障異?，F象匯總

3.1.1 事件1故障現象

①2019年11月14日，燃機出現異常報警信息：

1）<R> SLOT 1 VCMI模塊通訊卡診斷報警;

2）<S> SLOT 1 VCMI模塊通訊卡診斷報警;

3）<T> SLOT 1 VCMI模塊通訊卡診斷報警;

4）<Y> VPRO模塊保護卡診斷報警;

5）<S> SLOT 21 VTCC 模塊熱電偶卡診斷報警;

6）<S> SLOT 10 VTUR DIAGNOSTIC ALARM（S模塊透平控制卡診斷報警）;

7）輪級間溫度差異高;

8）排氣熱電偶卡件通訊故障;

9）S模塊通訊卡I/O狀態交換失敗。

②異常報警出現的同時，操作站監視畫面上出現部分數據為零，包括：1）4個輪級間熱電偶測量數據變為0;2）6個排氣熱電偶數據變為0;3）燃機二瓦回油熱電偶1個數據變為0;4）13個發電機定子熱電阻數據變為0。

在燃機運行過程中，以上報警信息一直是不定期出現，報警狀態短暫保持后又會自動消除，其中2019年11月14日報警持續12分鐘，2019年12月7日報警持續6分鐘，2019年12月12日報警持續3分鐘，2019年12月13日報警持續3分鐘。在近期報警頻繁多次出現，持續時間最長的是12分鐘。

3.1.2 事件2故障現象

①2021年2月4日，燃機出現異常報警信息：

1）<R> SLOT 1 VCMI R模塊通訊卡診斷報警。

2）<T> SLOT 1 VCMI T模塊通訊卡診斷報警。

3）主保護啟動檢查ETR故障。

4）滑油回油與滑油溫差高高報警。

5）滑油回油與滑油溫差高報警。

6）壓氣機進口熱電偶不一致。

7）輪級間溫度差異高。

8）排氣熱電偶卡件通訊故障。

9）V S模塊通訊卡I/O狀態交換失敗。

②異常報警出現的同時，操作站監視畫面上出現部分數據為-17，并持續了2小時左右，包括：1）4個輪級間熱電偶;26個排氣熱電偶;3）燃機二瓦回油熱電偶1個;4）13個發電機定子熱電阻;5）1支壓氣機進口熱電偶。

通過以上異?，F象，結合6B型燃機機組的非完全3冗余的特殊性，初步判斷是網絡通訊問題引起的，以上是故障時刻出現的典型的報警匯總。下面就異常報警的產生進行分析，并排查引起網絡通訊問題的原因。

3.2 通訊故障事件分析

首先以上現象看，報警時刻<S>機架通訊確實存在異常，由于系統配置三冗余功能，數據3取2的機制，機組<S>模塊上的三冗余數據中異常數據會被系統的容錯功能隱藏而不被顯示出來，但是該模塊上的單一信號（非完全冗余部分）如所有的熱電偶和熱電阻，就會直接顯示出數據異常，這樣一來，<S>模塊上的熱電偶卡件、熱電阻卡件會出現診斷報警，大量相關報警如滑油回油與滑油溫差高報警、輪級間溫度差異高、壓氣機進口熱電偶不一致等報警也會被報出，也會出現一些診斷報警如排氣熱電偶卡件通訊故障、S機架通訊卡I/O狀態交換失敗等（舉例圖1、圖2）。

3.3 通訊故障排查與探討k tfj

通訊網絡問題排查方向確認，因操作站監控畫面的數據包括程序內數據都是來自控制系統的控制器，控制器的數據輸入和輸出，都是通過通訊卡進行傳遞，通訊卡作為I/O卡和控制器之間的數據橋梁。通過檢查排除能引起橋梁數據丟失的，初步可判斷在通訊板卡、機架電源、通訊電纜上。

辨別通訊板卡是否故障可在通訊異常時刻通過查看<S>機控制器內部程序，控制器數據是通過<S>機通訊卡讀取到IO數據的，若在工程師站軟件上能讀到<S>機數據，說明<S>機IO板卡無異常，通訊板卡與控制器數據交換無異常。若在工程師站軟件上讀不到<S>機數據，說明<S>機通訊板卡與控制器數據交換異常，如此故障可更換<S>機VCMI通訊板卡解決。

如若<S>;機通訊卡無異常，需進一步排查機架電源。排查<S>機機架電源可查看程序中VCMI通訊卡內的診斷報警，若卡內發出125V控制電壓越線診斷報警，分析可能是<S>機處理器電源轉換模塊元件性能不穩定，瞬間輸出高電壓和浪涌電壓、浪涌電流導致VCMI卡件失效，從而導致通訊故障。此種情況，在排除外部因數影響的情況下，可通過更換機架電源解決這類問題。如若未出現相關診斷報警，可排除電源機架的因數，需進一步進行排查。

若排除了VCMI通訊板卡與機架電源導致通信故障，應重點檢查IONET通訊網上的通訊電纜。本臺機組出現通訊異常的為<S>機數據，亦排除了VCMI通訊板卡與機架電源的可能，<S>機通訊網絡為IONET2，IONET2通訊網絡共有3條同軸電纜及2個終端電阻組成，<S>機通訊卡至<R>機通訊卡一條，<R>機通訊卡至<T>機通訊卡一條，<S>機通訊卡至<Y>模塊一條，IONET2網絡<T>機與<Y>模塊配有終端電阻，通過檢查排除了同軸電纜存在故障的可能，終端電阻阻值為50歐姆也正常，但觸碰<Y>模塊IONET2網絡終端電阻同時觀測程序時發現<S>機數據通訊異常，再次觸碰時數據又恢復正常，更換其他終端電阻，進行轉動測試未在出現通訊異?，F象。更換終端電阻后起機運行，機組再未出現上述報警，機組多年的通訊問題得到了解決。經分解檢查，終端電阻出現開焊現象，進行阻值測量無法準確判斷其好壞。終端電阻用作吸收信號及回波，而如果阻抗不連續以及不匹配便會產生信號反射，從而對傳輸信號產生干擾。如果把終端電阻單獨加在線上，相當于開環狀態，這種連接方式會使單線上阻抗更加不連續，在末端突然變為0，會導致反射成倍增加。故如若排查類似故障時，IONET網絡終端電阻也應被重點排查。

4? 結語

通過對燃機通訊故障的整理及梳理，了解到6B機組控制系統的內核可能不完整，未完全達到3冗余的設計初衷，在某種特定的情況下，通訊方面不能做到真正的冗余，如若有一路網絡出現問題，3取2表決將變成2取1，大大增加了控制系統誤動作的可能。因此對燃機運維人員來講，更深入了解機組各方位的特性，更多的積累分析與處理問題方法變得尤為重要。燃機事業是一項需要長期研究、持續深入的工作，本文通過對排除燃機通訊故障舉例分析，希望可以為同類型的機組建設和安全運行提供消除隱患方面的建議和幫助，降低燃機緊急停運故障率，提高機組的運行穩定性。

參考文獻：

[1]章素華.燃氣輪機發電機組控制系統[M].中國電力出版社，2018.

[2]中國華電集團公司.大型燃氣-蒸汽聯合循環發電技術叢書控制系統分冊[M].中國電力出版社，2015.

[3]朱達.燃氣輪機發電機組控制系統典型故障分析與處理[M].中國電力出版社，2019.