基于物聯網技術的故障預診斷報警系統

天津國能津能濱海熱電有限公司 潘 鐸

1 項目背景

現用火電廠DCS系統雖然采用諸多如設備冗余配備、定期性能實驗等措施增強系統運行可靠性，但其由于結構龐大、附屬測點多、持續運行時間長的特點，極易造成在運行狀態中出現DPU重啟、IO模件故障閃斷、離線等情況，此類故障持續時間短、現象隱蔽，不易被運行及檢修人員發現，從而不斷累積，易發生重大故障，如汽輪機純電調型六線制閥門伺服模塊由于長期運行出現的元件及程序故障，造成一主蒸汽閥門失控，直接影響發電機功率。

因此考慮電子設備自身壽命、線纜老化破損、積塵存污等客觀情況，DCS系統容易發生突發性設備故障或隱蔽的故障隱患，若不加以監測，會直接影響機組發電及供熱的穩定運行。基于這一需求研發一套DCS控制系統的輔助系統，以完成DCS系統在運行中的安全穩定監控任務。但由于DCS系統處于生產網絡的核心位置，其對網絡安全、信息安全、運行性能的要求極高，其總線網絡、通訊網絡不得有任一節點與互聯網相連接，這就提高實時監控系統狀態的難度。通過分析現有SIS系統，雖然其可以實現部分功能，但其投入成本高，運維專業性極強，熱控人員上手難度大，數據庫、服務器等軟硬件結構復雜，系統架構龐大，且僅可在廠區內部使用，無法在第一時間通知廠外人員。

因此放棄現有技術，獨立研發一套系統規模小，成本低廉實用性強的預警系統，是與DCS配合的優質選擇。近年來快速發展的物聯網技術可以通過物理電信號與DCS系統通訊，不影響網絡安全，且安裝成本低、維護簡單、可拓展性強。同時，在研發中發現諸多物聯網功能，如溫濕度檢查與控制、漏水監測，很貼合熱控設備監控、電子間環境控制的需要，但對熱控人員來說，DCS系統編程難度低且熟練度高，所以決定以DCS系統為處理核心，物聯網系統提供通訊與傳感輔助，建立了一套DCS系統協同物聯網技術共同完成的故障預診斷報警系統。

2 系統設計與實施

該系統的設計初衷是為了提高DCS系統在運行過程中的故障暴露率，在投運后也切實發現了諸多模組、電源等設備的隱蔽故障，且該系統在建立過程中充分發揮出了DCS系統與物聯網系統的優點，其系統硬件區域分布廣但模塊化、標準化程度高，可以分批次、分功能投入使用，每一個區域、功能的獨立性強、互不干擾，使得整套系統的建立過程都可以看到實際效果。該系統在等保測評、網絡安全大檢查等多次網絡信息安全檢查中均得到檢查人員的一致好評，采用物理電信號進行信號傳遞無疑為DCS系統的拓展提供了一個很好的思路——將聯網部分與可不聯網的部分分開布置，兩者之間只傳遞關鍵信號，輔助通訊與環境監測控制等需要實時聯網的功能設計于物聯網部分實現功能，這樣完全保留了DCS系統的原網絡結構，進一步保證了生產大區的網絡信息安全。在安裝與維護過程中，熱控人員上手難度低，對系統的認可程度、認識程度高，可以集思廣益推動整套系統的改進與擴展。

2.1 系統的功能設計

該項目過程中依托DCS與物聯網系統的模塊化特點進行設計，各個功能相互獨立，主要包括：DCS信息采集與監控子系統包含DCS電子設備健康度預診斷功能，主輔機重要保護故障預診斷功能，重要電源故障預診斷功能，DCS系統環境異常預診斷功能，環保數據超標及成本預診斷功能；物聯網監控與通訊子系統包含電子間溫濕度監測控制功能，5G通訊功能。

各子系統具體功能如下：

DCS電子設備健康度預診斷功能：以國能智深EDPF-NT+DCS系統為例，該系統硬件可靠性高，但在長期運行中不可避免的會出現程序錯誤或硬件故障，且電子設備運行壽命公認約在8至10年，在此期間會出現大量DCS系統的硬件故障，而整體更換DCS系統硬件的時間成本、人工成本、材料成本非常高，且在更換過程中易造成事故擴大，因此很少會有公司集中更換所有DCS硬件設備，所以在運行過程中監控DCS系統模塊的工作狀態就十分必要。且如廠用6kV、啟備變、燃料、化水等長期工作的公用系統，其DCS控制設備的檢修機會極其難得，需要在極短時間內準確判斷故障點及薄弱點，該功能的實現就為檢修工作提供了極大幫助，公用系統的檢修的手段就不僅限于臨時測試系統，而是可以長期監測故障區域、故障點，以點概面，找到急需維護的區域。如在化水綜合給水系統的PC段遠程站IOtrans模塊因環境潮濕造成通訊偶發中斷，拆卸后發現內部供電回路存在水蝕間歇短路的情況，而此類電源故障模塊本身報警不會發出，僅能在通訊中斷等現象中發現，而通訊中斷持續時間斷3到5秒，不易被運行監視人員及檢修巡檢人員發現，該系統投入后，此類隱蔽故障就直接暴露出來，避免了出現廠區供水中斷的情況出現。綜上，大部分DCS系統模件完全損壞前會有一定故障現象出現，主要表現包括溫度異常升高、CPU負荷率異常升高、通訊中斷，所以在本系統DCS硬件健康度監測的功能設計中，主要監視這三個狀態，出現模件通訊故障報警、DPU斷網告警、DPU負荷率與核心溫度到達報警值或在一定時間內有異常增長，即向物聯網通訊系統發出故障告警，該告警無法在物聯網側消除，直至工作人員完成檢修任務后，確認系統無故障，在DCS系統中確認消除。

根據相關規程要求及現場硬件自身條件與環境條件，限定DPU及其附屬卡件應于環境溫度15℃至35℃的條件下運行，且溫度變化速率不超過5℃/h，DPU正常運行其負荷率應小于40%，惡劣條件下負荷率不應超過60%。考慮到DPU自發熱的特性，與DPU正常運行時負荷率穩定的特點，設定相關報警定值如下：DPU核心溫度超溫40℃時，DPU核心溫度異常增長5℃/h時，DPU負荷率高40%時，DPU負荷率異常增長5%/5min（600掃描周期）時。

主輔機重要保護故障預診斷功能：火電發電機組主要保護測點如凝汽器真空低、潤滑油壓低、給水流量低等，為避免出現單個變送器、壓力開關、取樣管路等環節出現故障而造成保護誤動的情況，多數保護采用“三取二”或“四取二”保護邏輯。以主汽輪機EH安全油壓低保護為例，采樣管路分兩路從主汽輪機左右側EH油母管處引出兩根采樣管路，進入EH油試驗模塊，該試驗模塊為安全油系統運行中EH油壓低保護傳動試驗使用，每路采樣管路有單獨的壓力表及無壓回油管路用以試驗保護回路是否正常，其在試驗模塊有單獨的出口，輸出后分別送入兩個壓力開關進行監視，共計四個壓力開關，當兩個支路上每路至少有一個壓力開關因安全油壓力低動作后，ETS系統判定汽輪機安全油壓力低主保護動作，汽輪機跳閘，聯動MFT及發電機主保護，機組停運。此類保護最大程度上避免了保護誤動的情況，但由于整個回路結構復雜，有多個可能的故障點，且單一故障點出現后雖不會引起主保護動作，但由于主保護測點不在運行人員調整畫面中顯示，且各類保護測點數量龐大，無法被運行人員第一時間發現，這就為機組安全運行埋下了重大安全隱患，直接影響發電與供熱穩定。因此需要本系統對所有重要測點進行監視，當任一測點動作或異常時向物聯網系統發出告警，提醒檢修人員及時進行排查，預防該類故障造成機組非停。機組重要測點異常告警測點監視涵蓋主機凝汽器真空低、安全油壓力低、潤滑油壓力低、主機轉速、定子冷卻水流量低；汽動給水泵真空低、安全油壓力低、潤滑油壓力低、小機轉速。

重要電源故障預診斷功能：火力電廠TSI系統、MTSI系統、DEH系統、MEH系統、ETS繼電器柜、METS繼電器柜、MFT繼電器柜、交換機網絡通信柜等均采用雙路供電以保證系統電源穩定安全。如DEH系統中OPC電源、METS系統等通電動作的系統，電源故障無法直接反應在系統狀態上，以小汽輪機MEH系統為例，小汽輪機進汽門以兩個掛閘電磁閥、兩個跳閘電磁閥共四個電磁閥進行控制，在掛閘或跳閘時電磁閥通電四秒，以脈沖形式控制，常態電磁閥不通電，當MEH電源出現故障時，備用路投入，此時還可以進行控制，但當電磁閥回路因故障失電，而MEH柜未失電的情況，此小汽輪機無法進行跳閘和掛閘，但系統無法發現該故障，極易造成重特大事故。由此該系統為避免出現各電磁閥包含AST、OPC、小機掛/跳閘電磁閥由于故障出現的失電誤動、拒動的情況，持續監視每路電磁閥電源情況，保證各保護電磁閥動作正常。同時核心交換機及機組交換機直接關系到機組運行的參數調整與監視一旦出現雙路失電的情況會直接造成機組控制網絡中斷，造成機組非計劃停運。綜上該系統監視各電源系統工作情況，當單路電源出現故障時及時向物聯網通訊系統發送告警信息，為檢修提供時間與條件。

DCS系統環境異常預診斷功能：由于DCS電子設備間布置于汽機廠房內，整體結構受振動、老化等影響易出現滲漏縫隙，而當機組出現異常疏水、跑漏的情況時，極易出現電子設備間漏水，而電子設備間進水會直接造成控制信號、保護信號短路，DCS機柜進水燒毀等嚴重情況。決定采用漏水檢測電纜結合地面漏水監測器的方式對電子間頂部、地面全面監測。同時加入環境監控傳感器、煙霧報警器等，全天候對電子間溫度、濕度、漏水情況進行監視，當電子間出現溫濕度失調、房屋漏水等情況，該功能先接入一臺物聯網主機，由主機監測電子設備間的環境情況，避免漏水監測電纜引入大電流損壞DCS系統，主機監測到出現異常向DCS發出一路報警，同時向通訊模組發出告警，避免出現如電子間溫度過高、濕度過大造成的DCS系統異常，同時也能全天候監視電子間，避免出現漏雨、進水等情況，保證電子間DCS系統與電源系統運行的環境安全。

環保數據超標及成本預診斷功能：近年來對環保要求不斷提高，且隨各級環保預警等級調整，而運行人員易形成調整習慣，對環保排放要求可能存在政策傳達不及時等情況。且如脫硝系統噴氨過量易造成氨逃逸，影響空預器等設備的運行安全。綜上，參考當地政策，建立了一套環保數據超標及成本預診斷子系統。該系統會實時監視環保數據，計算出十分鐘平均值、小時平均值、日平均值，并根據環保部門要求及時修改環保報警限值，當十分鐘平均值超過環保限值時即發出告警，避免出現小時均值超標的情況，從而避免出現環保考核。而啟停機等不可避免的超標情況根據當月運行小時數和超標小時數，自動計算超標小時占比，以保證享受環保電價，該系統同步計算實時小時數據占比，給出剩余可超標小時數據，給出該機組環保數據是否滿足季度內啟停要求等，為機組運行協調給出建議。同時，根據脫硝反應公式、反應物摩爾質量、尿素水解產品汽濃度、脫硝SCR反應器入口濃度，實時計算反應所需產品汽流量，避免產品汽噴入量過大。

電子間溫濕度監測控制功能：該系統直接布置于物聯網系統，由于電子設備間溫濕度控制主要依靠空調及除濕機。而隨物聯網系統發展有已成型的物聯網溫濕度測量傳感器、紅外遙控插座、控制主機等。本套系統布置于電子間后可直接控制電子設備間空調及除濕機設備，對提高電子間溫濕度穩定性、降低空調除濕機電耗、及時發現空調設備故障等方面都起到了很好的作用。

5G通訊功能：通訊模塊在2019年初始設計采用的是4G微機通訊模塊，隨5G技術的普及與發展，進一步升級為集成5G通訊模塊的PLC主機，該主機仍保持與DCS系統使用純粹的物理開關量電信號進行通訊，以保證DCS系統的網絡安全，但自身設備可靠性、計算功能等均有很大提高，為以后本系統的發展提供了良好的條件。

2.2 系統的硬件安裝

該系統主要硬件部分分為DCS系統與物聯網系統，其中DCS系統采用現有的DCS機柜及模件，不產生硬件安裝的工作。物聯網系統主要設備分電子設備間設備及通訊設備。電子設備間設備主要包含煙霧傳感器、紅外遙控模塊、溫濕度傳感器、漏水檢測設備等。煙霧報警器、溫濕度傳感器直接安裝于電子設備間頂部，紅外遙控模塊安裝于電子設備間空調及抽濕機處，漏水檢測設備分兩部分，漏水檢測線纜往復布置安裝于電子間頂部，充分監視電子間頂部漏水情況，浸水檢測器安裝于墻角位置，預防墻壁或其他位置進水造成的浸水事故。物聯網設備之間的通訊方式采用Zigbee方式進行連接，該種方式無線信號通訊功率低，不會對機柜內的DCS設備造成干擾。通訊模塊安裝于靠近DCS廠房外墻的DCS遠程站處，通訊模塊供電采用DCS遠程站電源，且內部自帶電池，當外部電源丟失后同樣會發出報警信號，以免因電源中斷造成系統失效。

3 項目優勢

該系統充分發揮火電機組DCS等系統自身功能，結合物聯網無線模塊的獨特優勢，取兩者所長，使兩者相互配合，有以下優點。

系統間隔離性好：由于物聯網模塊與DCS系統之間采用開關量進行信號傳遞，兩系統間不涉及互聯網的聯通，所以能保證DCS系統的安全性。因此，即便物聯網采用廣域互聯網進行遠程報警、發送短信或撥打告警電話，不會影響DCS系統的安全。物聯網系統可以借由物聯網模塊將感知層（感知元件或DCS系統）所采集到信息借由無線通信模塊傳輸至網絡層，從而傳遞到應用終端（包含移動終端、網頁終端及臺式機終端），由于傳遞協議的變更，應用層網絡并不會影響到感知層的網絡安全。同時各層級部件拓展維護等除唯一性部件外互不影響。

系統模塊化好：物聯網系統采用標準化的模塊來實現自身功能，當以后需要添加新的功能或維護時，僅需要新增、維修或替換相應模塊，降低拓展、使用與維護的成本。同時物聯網模塊可采用電池供電，模塊移動與安裝便捷。如漏水檢測模塊，可依據需求對漏水檢測電纜進行布置、延申、替換。

系統互補性強：物聯網系統可提供DCS系統無法提供的功能如遠程報警、漏水檢測、紅外遙控等功能。而DCS系統又可提供復雜的程序運算與便捷的程序編輯功能，兩系統相互配合，可以用最簡易的辦法實現復雜的功能，同時，此類系統設計可以打破專業壁壘，能夠使普通熱控人員對整套系統自行編制與修改，降低物聯網系統在應用中的技術難度，使物聯網系統在火電行業應用的門檻降低。