300 MW機組DCS的故障分析處理與預控

徐文輝，林 勇

（浙能溫州發電有限公司，浙江 溫州 325602）

溫州發電廠建于1989年，現有4臺300 MW機組在運行中，其分散控制系統（DCS）都采用了ABB SYMPHONY控制系統，該系統由過程控制單元、人系統接口單元、系統組態維護工具、計算機接入網絡的接口、過程管理數據傳遞的網絡等部分組成。控制系統通信網絡為環網結構，采用存儲轉發式通信方式。控制單元根據其功能特點分為控制模擬調節（MCS）、順序控制（SCS）、爐膛安全監控（FSSS）和數據采集（DAS）四部分，通過邏輯組態實現對汽機、鍋爐設備和部分電氣設備的集中控制和監測。

SYMPHONY控制系統在溫州發電廠投用以來，曾發生通信異常、設備硬件故障、參數設置不合理等故障，對機組的安全運行造成了不同程度的影響，此時快速、準確地判斷及排除故障就顯得尤為重要。為此將故障分析處理過程中的一些經驗與教訓進行總結，以提高控制系統故障的分析處理能力。

1 網絡通信故障

1.1 控制網絡故障

某日，3號機組操作員站通信異常，經過分析后，確定為環路通信板故障，更換通信板后，在操作過程中誤將“Loop2 Out”端口作為“Loop1 Out”端口拆除，導致整個控制網絡Loop1和Loop2通信同時中斷，好在當時機組正在停機檢修中，未對系統造成實質性的影響。

SYMPHONY控制系統通信網絡采用雙網環形結構實現其網絡通信的冗余功能，正常情況下單路網絡故障不影響系統的正常運行，即使該節點的通信卡件電源中斷，也能通過硬回路自動旁路該節點，從而保證整個網絡的正常運行。因此在機組運行中處理通信故障問題時，要保證其中一個環網正常運行的前提下，才能對另一個環網進行檢查和處理。

1.2 網絡間通信故障

4號機組循環水系統運行中經常短時間“離線”后又自動恢復正常，而3號機組的循環水系統監控畫面卻未出現異常。3，4號機組循環水系統采用公用配置方式，其過程控制單元配置在公共環路中。

從故障現象分析可排除控制單元部分故障的可能，問題基本確定在4號機組控制環與循環水系統公共環路間的通信部分。對該通信節點檢查發現，該節點通信采用INICT冗余配置（冷備方式）， 其中“INIIT03”卡件的硬件參數“SW2”中“Failover to secondary module on power system status alarm”選項設置為使能方式，而該控制機柜內的電源系統中有1塊IPSYS01卡件存在潮流控制器（PFC）故障，階段性觸發電源異常信號，導致該通信節點主從模件自動切換。在主從通信模件的切換過程中，其通信數據存在短時的中斷現象，從而出現監控畫面“短時離線”的情況。更換故障電源卡件并將“INIIT03”卡件“SW2”中的上述選項設置為禁止方式后，故障現象消除。

該故障提醒熱工人員應非常清楚SYMPHONY系統的冗余存在2種情況，即熱備狀態和冷備狀態：在冷備時，備用設備處在“就緒等待”狀態，未實時同步過程數據，其主從切換過程無法實現無擾；而在熱備狀態時，備用設備中的所有過程數據都與運行設備同步，因此在主從設備切換中能夠實現無擾。這種現象不僅存在于通信模件中，也存在于多功能處理器中。在組態設置中要對2種冗余情況合理設置，以確保系統冗余切換的可靠性。

2 控制處理單元故障

2.1 多功能處理器跳線異常引起故障

多功能處理器作為控制系統的大腦部件，常見的故障（如內部錯誤等）都能夠通過復位處理器或初始化操作（“1/7，1/6”操作）來解決，而一些嚴重故障則需要更換設備；由于基本都采用冗余配置，故障一般不會對機組運行造成直接影響。不過一些跳線的錯誤設置會導致一些特殊的故障發生，從而影響其正常工作。

某臺機組定修后，運行中發現某DAS系統處理器（IMMFP12）中的所有信號經常丟失幾分鐘，并又自動恢復正常。通過工程師站組態軟件監視檢查卻未見異常；該處理器所處機柜內的其他處理器信號無異常。經分析初步判斷為該處理器通信故障所引起，在對處理器更換過程中發現其通信模式的設置有誤：設置處理器與I/O卡件間的通信方式跳線丟失（跳線J5上用于設置通道模式的短接片缺失）。重新對該通信方式進行設置，將跳線J5的2-3短接，即選擇為“CONTROLWAY”模式，系統恢復正常。

處理器J5中的跳線設置“-30VDC SYSTEM”是針對早期的N90系統設計，INFI90及以后的系統都采用控制總線的通信方式，節點通信卡件（INNPM）也存在此類設置。值得注意的是，廠家出廠的默認設置都選擇在“-30VDC SYSTEM”，因此在更換卡件及卡件清灰等工作中要注意對其設置進行檢查確認。

2.2 I/O擴展總線故障

在某臺機組脫硫系統增壓風機變頻改造項目調試過程中發現：增壓風機變頻器DCS無法實現啟停操作。對變頻器控制邏輯檢查未見異常，但對應的IMDSO14卡件狀態指示異常（卡件狀態燈不亮），更換卡件后狀態依舊。對柜內各通信電纜檢查發現其相鄰層模件安裝單元（MMU）間的I/O擴展總線通信線有松動現象，重新插緊后故障消失。

SYMPHONY控制系統中處理器與I/O卡件間采用主、從通信方式，通過8位并行總線（I/O擴展總線X.B）實現連接。該總線上處理器是主模件，通道模件是子模件（MFP）。子模件通過總線得到主模件的請求后，將與主模件通信，為主模件提供I/O通道，上傳或下傳數據及接收主模件的診斷，如圖1所示。

圖1 I/O擴展總線

MMU間的I/O擴展總線通過通信線進行連接，連接的可靠性將直接影響數據通信的正常進行，而部分通信線的接插件容易出現接觸不良等問題，因此需定期進行相關的檢查和緊固工作，保證通信線路的正常運行。

3 電源系統故障

3.1 環境因素引起的故障

二期機組投產運行不久，分組控制單元（PCU）機柜內電源開關多次發生絕緣下降導致跳閘故障，且多發生在高溫季節。原因主要有兩方面：一是空調的出風口設計不合理（在機柜頂部），冷風正對機柜吹，導致機柜外殼溫度過低，容易結露；二是機柜頂部的吊裝孔未封堵，導致出風口部分冷凝水從該吊裝孔流入機柜內。

雖然電子硬件產品各項性能指標都有了大幅度的提升，在較為惡劣的環境下短期也能夠正常運行，但是長期在超標的環境下工作必然會引起部件性能指標下降，導致設備使用年限縮短、故障頻發，而且此類問題隱蔽性極強，不易直觀發現，難以采取預防措施。應在基建設計初期就加以關注，并在日常工作中嚴格監控各項環境指標。

3.2 電源故障中斷保護引起的故障

SYMPHONY控制系統中設計了電源故障中斷（PFI）保護回路。當電源系統發生故障影響控制器或I/O卡件正常工作時，及時停止控制器等主模件的工作，切斷和子模件之間的通信，保證子模件不會接收到錯誤的輸出指令以保證現場設備的安全。但在實際運行中，由于電源監視模塊采用單路監測，設備的可靠性直接影響到控制系統的正常運行。

如某日1號機組負荷82.9 MW。00：06發現操作站畫面參數異常，爐側大量數據出現壞值，爐側設備無法操作，火檢監視看不到火焰，給粉機均跳閘，CCS自動退出，機組負荷、汽溫和壓力持續下降；但主燃料跳閘（MFT）未報警，制粉系統未跳閘，機組采取快速減負荷措施。00：17：16，機組負荷14.5 MW，機側主汽溫度下降至450℃，爐側主控屏溫度顯示為385℃，低溫保護未動作（后查原因為MFT信號未發出），手動停機。事故原因經查是FSSS系統機柜中一塊冗余電源模件故障，電源下降引起PFI保護動作，由于給粉機停指令采用的是常閉觸點，正常運行中的給粉機停指令繼電器處于得電狀態，當卡件停止工作后導致給粉機停指令繼電器處于失電狀態，所有給粉機都跳閘，包括CCS在內的鍋爐自動退出運行，全爐膛熄火。由于未設計失電MFT觸發功能，導致MFT未動作，進而低溫保護拒動。建議采取以下措施：

（1）對冗余電源的工作電流進行監視，工作電流變化時，意味著系統或自身情況發生變化，要及時報警，提醒熱工人員及時處理，以避免故障發生或降低危害程度。

（2）環境溫度對電子元器件的工作特性有較大影響，因此要確保控制室、電子室的環境溫度符合要求。

（3）針對本次FSSS系統失電未觸發MFT動作的問題，建議增加MFT擴展繼電器板，通過硬邏輯實現失電MFT功能；將MFT信號和低溫信號引入數字電液控制系統（DEH）控制器，在DEH里實現低溫保護；增加MFT關減溫水閥邏輯。

4 時鐘系統異常

時鐘作為一個重要的系統參數與控制系統許多功能相關，包括事件順序記錄系統（SOE）、歷史趨勢、事件報警等，當系統時鐘失真時，必將影響這些功能的正常工作。系統中所有節點都與時鐘同步，不同類型節點其時間精度等級不同。

環路中最高級別的節點為時間主站，按照一定的時間間隔以廣播的方式向各節點發送時間同步信息，其他較低級別的節點接收該時間同步信息并進行時鐘調整。

運行中發現5號機組DCS操作員站時鐘明顯不準（滯后20 min），并且偏差日益擴大。檢查DCS時鐘系統發現：環路時鐘精度級別顯示為13級，GPS同步時鐘裝置面板時間指示正確，但是實際環路時鐘日期顯示異常，導致操作員站不斷地調整其時間去同步錯誤的環路時鐘。通過對SEM/TKM時鐘模件進行冷啟動、重新配置操作員站時鐘同步等級等操作后，環路及操作員站時鐘恢復正常。

經分析討論，發現該問題的起因是維修人員對GPS同步時鐘裝置停電進行清灰，在工作結束恢復上電過程中，由于裝置內部備用電池失效，上電過程中裝置隨機獲得了一個失真的時間，引起DCS系統時鐘出錯引起。

5 DCS故障預控

隨著控制系統運行時間的延伸，影響系統可靠性的因素會時有發生，需要熱工人員做好系統設備和檢修運行維護全過程管理，為確保控制系統在各種故障下的處理措施具體且切實可行，提出以下建議：

（1）為減小機組運行中控制系統設備故障處理時的風險，確保機組在運行過程中發生控制系統故障時，能夠迅速、準確地處理故障，最大限度地降低故障造成的影響。應通過深入專題研究，編制合適的DCS故障應急處理預案，通過完善故障時應急處理方法和定期反事故學習，提高運行維護人員在控制系統故障時的應急處理能力，消除DCS故障時因人員操作處理不當而導致的故障范圍擴大的隱患。

（2）在處理通信故障問題時（特別是機組運行中），要確保其中一個環網正常運行的前提下，才能對其另一個環網進行檢查和處理。

（3）熱工人員應非常清楚SYMPHONY系統的冗余熱備狀態和冷備狀態的區別，在組態設置中對2種冗余情況合理設置，并定時進行冗余切換試驗，以確保系統冗余切換的可靠性。

（4）更換卡件及卡件清灰等工作中要注意對跨接片設置進行檢查確認，機組檢修中對通信連接插件要進行相關的檢查和緊固工作，保證通信線路的正常運行。

（5）防止PFI保護發生誤動作導致控制系統運行異常事件發生，取消原PFI保護回路，將機柜直流母線上的+5 V DC引入到PFI信號端子上，保證卡件的正常運行；同時增加對機柜環境的監測。利用控制系統提供的環境狀態監測功能，對機柜內的電源運行情況、機柜溫度、風扇運行情況等進行實時監測，出現問題及時處理。

（6）GPS同步時鐘裝置進行維護前，要先將送至DCS系統的同步時鐘信號線拆除，在GPS同步時鐘裝置運行正常（面板時間指示正確）后才允許將同步時鐘信號接入DCS系統中。

6 結語

一套控制系統運行情況的好壞，一方面由該系統產品本身的性能及質量水平決定，另一方面則由日常運行維護工作質量決定。深入掌握控制系統各項工作機理，充分發揮其功能，能夠很大程度上幫助解決日常工作中遇到的一些問題。當然也沒有一款設備是完美的，肯定存在著或多或少的缺陷，需要在工作中不斷排查、分析和處理。制定相應的預控措施重在到位、貴在堅持，只有堅持不懈的努力，保證控制系統良好的工作環境，才能保證機組的安全經濟運行。

[1]孫長生，朱北恒.提高熱工自動化系統可靠性的技術研究[J].中國電力，2009，42（10）：56-59.

[2]DL/T 774-2004火力發電廠熱工自動化系統檢修運行維護規程[S].北京：中國電力出版社，2004

[3]孫長生.火電廠熱控系統可靠性配置與事故預控[M].北京：中國電力出版社，2010.