容錯技術在發電廠輔網控制系統中的應用

南昌（新昌公司）發電廠 許 彬

近年來隨著經濟和社會的發展，越來越多的大容量和高參數火電機組投入到市場中，這對火電機組控制的自動化控制水平提出了更高的要求。現代大型火力發電機組，除了主要控制系統使用了DCS外，還應用了很多主要由PLC構成的輔控系統，這些輔控系統分布在火力發電廠的不同區域，如輸煤區域、化水區域、制氫站、海水淡化區域、除灰區域等等，工作環境復雜多變且彼此相對獨立，這種情況阻礙了電廠實現全廠自動控制與減員增效的目的，因此如何提高輔控系統的穩定、可靠已經成為目前各火力發電廠的討論熱點。

1.容錯技術

1.1 容錯技術的基本描述

容錯就是當由于種種原因在控制系統中出現了控制單元、控制數據、文件損壞時，系統能夠自動將這些損壞或丟失的文件和數據恢復到發生事故以前的狀態或實時備份、轉移至相鄰控制單元繼續運算，使系統能夠連續正常運行的一種技術。

1.2 容錯邏輯設計方法

容錯邏輯設計方法，就是在進行火力發電廠自動控制系統的邏輯設計時，盡可能地考慮到火力發電廠各主要輔機在運行中比較容易出現的各種故障，通過有效利用技術和特定的容錯控制技術，來降低或者是避免整個控制邏輯回路的失效，并努力提高整個火力發電廠自動控制系統的可靠性。

1.3 冗余PLC控制系統的概述

火力發電廠的某些輔控系統，要求其控制系統有著極高的可靠性，一旦控制系統發生故障，可能引起設備的損壞甚至是整個機組系統的中斷，此時單純依靠提高控制系統的硬件和軟件可靠性是難以滿足以上需求的，特別是需要采用冗余PLC控制單元來解決這一問題。

一般冗余P L C控制系統由兩塊PCU(PROGRAM CONTROL UNIT)控制模塊（分別為主PCU控制模塊和備用PCU控制模塊）組成，它們使用同樣的控制程序并行工作。當冗余PLC控制系統正常工作時，主PCU控制模塊會控制系統工作，備用PCU控制模塊的I/O映像表和寄存器通過冗余處理單元（Redundant Processing Unit，簡稱RPU）被主PCU控制模塊同步刷新；當主PCU控制模塊發生故障失效時，RPU會在1-3個掃描周期內將系統的控制功能切換給備用PCU控制模塊，由備用PCU控制模塊來控制系統的工作。

還有一類系統（熱備用系統）沒有使用RPU，此時主PCU控制模塊和備用PCU控制模塊通過通信接口來聯在一起，當系統發生故障時，會有主PCU控制模塊將故障信息通知給備用PCU控制模塊，需要耗費較長的時間才能由備用PCU控制模塊來控制系統的工作，但熱備用系統所需耗費的成本較低。

1.4 網絡冗余設計的概述

火力發電廠網絡主要是由全部的節點設備以及設備相互之間的連接組成的，必須隨時處于正常運行中，否則將會引起發電機組的停運，而造成巨大的經濟損失。火力發電廠網絡涉及的設備和環節很多，任何一個設備和環節都可能出現故障，因此需要通過冗余容錯設計來確保網絡的暢通。

2.火力發電廠輔控系統存在的問題分析

火力發電廠輔控系統一般分布在不同的區域，各個子系統間彼此相互獨立且相距較遠，而且工作環境比較復雜和惡劣，因此火力發電廠輔控系統通常會存在如下問題：

首先，遠距離子系統間的通訊不暢通，且傳輸信號容易受到外界的干擾。由于火力發電廠輔控系統的各個子系統相距較遠且工作環境比較惡劣，如輸煤控制系統、飛灰處理控制系統等。因此如何可靠解決遠距離子系統之間的通訊和信號干擾等問題顯得非常重要。火力發電廠輔控系統的系統穩定性、網絡通訊速率和通訊距離應該充分滿足輔助車間及整體監控系統功能的實時性要求。

第二，火力發電廠輔控系統的工作環境惡劣，其硬件系統容易受到外界氣候因素的影響而出現各種故障。如輸煤信號端子容易被煤粉覆蓋，造成信號傳輸中斷或斷續。一旦火力發電廠輔控系統的硬件設備出現故障，該輔控系統不能迅速恢復，將會導致系統等無法正常供應而產生重大影響與設備事故，因此必須保證和提高火力發電廠輔控系統各硬件系統的容錯能力。

第三，火力發電廠輔控系統的所有輔機，都進入系統實現輔機保護，但由于部分輔機的工作環境比較復雜，導致往往很難在故障發生前就察覺并進行處理。而一旦故障發生，則可能導致輔機保護動作，會影響到機組的正常運行，因此必須提高系統的邏輯容錯能力。

3.容錯技術在火力發電廠輔控系統中的體現

3.1 火力發電廠輔控系統容錯邏輯設計的具體方法

在對火力發電廠輔控系統的主要輔機進行邏輯控制設計時，具體方法如下：

(A)當系統的聯鎖保護信號邏輯出現故障時，可以通過邏輯故障診斷使其邏輯控制系統不發生邏輯誤動；

(B)如果允許工藝系統設計發生小故障，那么在設計邏輯控制系統時要考慮適當的容錯，但也要兼顧邏輯執行的順暢；

(C)不能將不可靠的測量信號作為重要保護邏輯信號，并且盡量不要使用單點邏輯信號來保護設備，盡量采用冗余信號進入系統確保其準確；

(D)控制邏輯的冗余設計也是容錯邏輯的重要內容，因此在邏輯控制設計時可以引入適當的冗余邏輯信號或對比信號，來避免單點故障而引發的機組跳機。

3.2 如何設計火力發電廠輔控系統PLC冗余系統

(1)在某些情況下，沒有必要采用比較高級的基于硬件冗余的控制系統，此時可以采用結構比較簡單的基于軟件冗余的控制系統。在火力發電廠輔控系統中，采用基于軟件冗余的控制系統可以提高整個控制系統的系統故障容錯率，同時可以降低硬件配置所需的成本及控制程序的復雜程度。如西門子公司推出的300/400系列產品均能不同程度的運行軟冗余的軟件，可以解決如PCU部件故障中的電源和后盤總線、PCU軟件或硬件故障、冗余系統接線或冗余DP從機接口等故障。

(2)基于硬件冗余的控制系統是兩個獨立的PCU子系統進行實時冗余，即描述為功能性的冗余。在控制系統運行中兩個獨立的全部冗余部件一直進行同步進行，各項應用程序在兩個獨立的PCU中完全一致且同步進行運行，這兩個子系統分別叫做“主機系統”和“從機系統”。如德國西門子公司所申請的專利技術——事件驅動同步程序，此時“主機系統”和“從機系統”的同步程序如下操作：直接尋址I/O；中斷；更新用戶時鐘；通訊功能數據修正等。該程序能夠保證即使在“主機系統”的故障情況下，系統仍能完成其不間斷操作，無擾動的進行“主機系統”和“從機系統”兩者間的切換。

3.3 火力發電廠輔控系統網絡設計的注意事項

火力發電廠輔控系統光纜敷設需要重點注意以下事項：在火力發電廠主廠房內敷設光纜時，要盡量走電纜橋架，當沒有橋架時走穿管；在火力發電廠主廠房外敷設光纜時，光纜套上PVC管后可直接敷設在電纜溝內，或者走管架，穿管時采用鍍鋅管并且密封；盡量避免光纜的彎曲以防止光纜的損壞，如果需要拐彎要注意彎曲角度，其曲率半徑要大于300mm。

火力發電廠輔控系統網絡規劃設計需要重點注意以下事項：IP地址必須進行統一的規劃，確保對火力發電廠輔控系統的各個子系統操作站、網絡設備、服務器和PLC的IP地址進行統一的劃分；火力發電廠輔控系統的計算機名和控制軟件節點要有統一的命名規劃；數據庫中的測點名稱、編號和基本塊的標記名的命名要嚴格遵照火力發電廠的編碼標準，中間塊的標記名的命名要根據各自系統進行統一的劃分；人機操作界面的風格，如操作窗口、布局、分辨率和顏色等要進行統一的規定；在對比較陳舊的大型火力發電廠輔控系統進行聯網控制時，最好采取分布式過程數據庫，這樣當集控中心任何一臺操作員站發生故障時，數據的調用仍然能夠正常進行，從而不影響整個輔控系統的監控功能。

[1]張國華,趙成玉.輔控網在大型火電廠中的應用與分析[J].華北電力技術,2005(3).

[2]唐忠.雙機容錯服務器解決方案的研究[J].大眾科技,2008(6).