西門子PCS7型DEH控制系統優化

曹龍輝

(神華浙江國華浙能發電有限公司，浙江 寧波 315612)

0 引言

西門子PCS7系統是完全無縫集成的自動化解決方案，可以應用于所有工業領域，包括過程工業、制造工業、混合工業以及工業涉及的制造和過程自動化。作為一種先進的過程控制系統，SIMATIC PCS7形成了帶有典型過程的組態特征，主要包括Step7，CFC，SFC，Simatic Net，WinCC 以 及PDM等軟件，組態對象選用S7-400高端CPU，通過現場總線與I/O站點的連接，提供雙向的信息交換，實現各種控制策略，完成數據采集、模擬調節、順序控制、高級控制以及其他不同用戶的特殊功能要求。

1 西門子PCS7系統簡介

浙江國華寧海電廠4×600 MW機組DEH系統使用西門子公司的PCS7型集散控制系統，主要包括基本自動控制系統、操作和監視系統、工程師站等。該系統通信采用PROFIBUS-DP通信協議。

自動控制系統采用雙控制器，由冗余的S7-417H CPU及高性能CPU FM458、接口模件EXM448-1、高速I/O采集模塊ADDFEM構成。其功能分為常規邏輯部分及快速動作2部分，分別由遠程I/O站ET200M和高速I/O采集模塊ADDFEM實現。

操作和監視系統包含1套以WinCC為基礎的操作員站。

工程師站負責組態及數據庫管理。

網絡系統分2塊，其中自動控制系統、上位機、工程師站采用100 Mbit以太網通信方式，由光切換模件OSM作為HUB和電纜連接實現；自動控制系統的CPU與ET200M之間、CPU與ADDFEM之間均采用PROFI BUS DP 連接。

PCS7型集散控制系統結構如下：1對冗余的控制器S7-417H分別與4對ET200站相連，用于采集現場信號；2塊CP443卡件與上層網絡連接，用于傳送數據；2塊高速控制器 FM458通過通信卡EXM448-1驅動4塊ADDFEM卡，負責采集、處理DEH系統中的重要信號，如汽輪機轉速、調門指令及反饋、發電機功率等。

2 PCS7型集散控制系統優化的必要性

自投產以來，該系統基本的自動控制、操作和監視功能等均能滿足機組的運行要求，但由于系統結構及硬件方面的缺陷，導致系統的穩定性降低。

2.1 雙控制器交叉運行故障

417H與FM458在設計上是獨立運行的，分別處理不同的現場信號，但2個FM458之間的冗余切換需要依靠417H的光纖同步器來完成。如果一側的417H控制器出現問題，FM458控制器也無法進行冗余切換；如果出現交叉故障，即一側的417H控制器故障，另一側的FM458控制器故障，那么DEH系統將無法正常運行。

2.2 硬件易損壞

EXM448-1通信卡件負責連接FM458與ADDFEM卡，一旦出現問題，就會導致控制器無法對現場的調門進行控制。在現場實際使用中，發現EXM448-1卡件運行一段時間后，若在檢修時斷電后再送電，大概率會發生卡件損壞事故，且無法修復。

2.3 備件缺乏

因EXM448-1通信模件故障率較高，西門子公司已逐步停止生產該卡件。自機組投產以來，出現多起EXM448-1卡件損壞事故，現有備件基本消耗完，市面上也已沒有該型號卡件出售。

3 優化總體方案

3.1 取消EXM448-1通信模件

由于EXM448-1卡件的功能只是作為FM458與ADDFEM卡的PROFIBUS-DP通信接口，而FM458上本身自帶PROFIBUS-DP通信端口，因此可以考慮取消EXM448-1通信模件，改為FM458與ADDFEM的直連方式，以減少中間環節，降低卡件的故障率。通過取消EXM448-1卡件的技術改造方法，可以解決EXM448-1卡件故障率高且備件停產的問題，同時也提高了DEH控制系統的穩定性。升級后的系統結構如圖1所示。

圖1 升級后的系統結構示意

3.2 升級ADDFEM卡

取消EXM448-1卡件后，ADDFEM卡必須由FM458直接驅動，但經過廠家測試，6DL3100-8AA型的ADDFEM卡版本較低，不能由FM458直接驅動，因此必須升級為6DL3100-8AC型。

3.3 組態程序升級

必須更新FM458，AS417H及ADDFEM卡用戶程序，包括接口軟件、庫函數等，這些可在FM458，AS417H及ADDFEM卡中進行組態修改。

4 優化方案實施

4.1 硬件安裝

系統斷電后，拆下EXM448-1卡件，將PROFIBUS-DP通信線拔下，直接插在FM458卡件的X3接口。更換ADDFEM卡，設置地址，4塊ADDFEM卡從左往右地址依次為3，4，5，6，與硬件組態中對應。設置完畢后，將ADDFEM卡轉到RUN或者RUN-P狀態。

ADDFEM卡地址設置過程：查看原地址，工作模式轉到MRES狀態，地址清零，撥片撥到“0”位置；等USR1燈從慢閃到快閃時，進入地址設置；設置好地址，把運行模式轉到MERS狀態進行保存，工作模式轉到RUN狀態，地址設置完成。

4.2 修改邏輯組態

首先，備份原邏輯。修改硬件組態，組態中刪除EXM448-1卡件，增加FM458的PROFIBUSDP網絡，速率為12 Mbs。添加4塊ADDFEM卡，設地址及配置通道參數。組態時如果找不到ADDFEM卡，必須要導入GSD文件；該文件在ADDFEM卡自帶的光盤中，文件名為SIF080A3.GSE。導入后在硬件庫里可以找到6DL3100-8AC型號的ADDFEM卡。

其次，打開硬件組態，刪除EXM448-1卡件和老型號的ADDFEM卡，在主從側分別添加新型號為6DL3100-8AC的ADDFEM卡，并配置好硬件通道類型。

軟件邏輯方面做如下修改：

(1) 將原ADDFEM卡通信接口EXM443.X01修改為4581DP.X3；

(2) 在“ADD7R1”模塊的入口處，新增“SWB_B”模塊，將信號W05至W22分別斷開后通過“SWB_B”模塊依次連接起來；

(3) 在“ADD7NT”模塊的出口處，交換C11和C12接口的輸出；

(4) 在“ADD7T”模塊的出口處，新增“SWB_B”模塊，依次連接信號W02至W09。

最后，將修改好的邏輯保存，編譯下裝，下載順序為硬件—網絡—軟件，在硬件、網絡及FM458左右兩側分別下裝。在下裝過程中，可能會遇到FM458報錯，則要勾選初始登錄選項，相當于將原來的邏輯清空，再重新啟動CPU。

4.3 硬件檢查及通道測試

4.3.1 硬件檢查

硬件及軟件邏輯修改完畢后，檢查硬件，發現FM458及ADDFEM卡外部故障報警紅燈亮起，說明該卡件有故障。從系統結構上看，FM458外部故障應該是ADDFFM卡故障引起的。系統升級前，ADDFFM卡一直有外部故障，在FM458和ADDFFM卡之間有EXM448-1卡件，所以FM458沒有顯示外部故障，在FM458與EXM448-1卡直連后，該故障報警就送到FM458顯示。

對ADDFEM卡進行詳細分析后，發現ADDFEM卡有空余AI通道及DO通道未使用，導致外部故障報警。ADDFEM卡有AI/AO/DI/DO 4種信號類型，AI為12通道，前6個通道為0—10 V電壓型信號，7—12通道可設置為0—20 mA或4—20 mA電流型信號（或設置為電壓信號），而未使用的通道全部組態為4—20 mA電流信號，所以卡件認為該通道斷線。DO通道則需要外接24 V電源供電，否則卡件認為該通道不正常。

因此，可考慮使用2個方法消除此故障：

(1) 將ADDFEM卡的AI空通道組態為0—20 mA信號；

(2) 空余DO通道接入24 V電源。

修改完畢后，ADDFEM及FM458卡外部故障紅燈均消失。

4.3.2 通道測試

硬件及邏輯組態修改完成后，為保證系統硬件的可靠，需要進行通道測試。測試內容包括：

(1) AI/DI通道，使用信號發生器模擬，記錄組態邏輯中的輸入值；

(2) DO通道，使用信號發生器模擬信號，在機柜內記錄繼電器是否動作；

(3) AO通道，測試時需要將3個掛閘信號短接，在邏輯中修改每個指令輸出的限制，強制AO通道有輸出，在卡件測量通道的輸出電流。如調門指令，在PIC功能塊中強制上限LU和下限LL，強制值為-1—+1，對應的輸出值為-30—+30 mA。

4.4 仿真試驗

為了驗證DEH邏輯的正確性，在控制系統升級或邏輯大量修改時，需要進行DEH仿真試驗，完全模擬機組的正常運行狀態，以保證DEH系統的可靠性。

4.4.1 仿真參數

仿真試驗需要修改較多參數，在仿真試驗前需要將邏輯做好備份，在原有邏輯上直接做修改并做好記錄，仿真試驗完成后恢復參數。需要修改的參數主要有：功率信號、轉速信號、掛閘信號、并網信號、第一級壓力信號等。

仿真試驗在沖轉過程中遇到轉速抖動的情況，分析后發現，是由于仿真試驗跟實際沖轉時汽輪機的慣性不一致，主汽門及調門的PID參數不合適。經整定PID參數后，可以沖轉并網，仿真試驗得以順利進行。

4.4.2 具體操作

(1) 備份原邏輯，修改仿真邏輯并下裝。模擬主蒸汽壓力，模擬中主門開到位信號，進行純仿真試驗。在“操作員自動”控制模式下，在仿真面板SIM上模擬汽輪機掛閘，設閥限108，設置初始轉速目標值。

(2) 控制系統在轉速控制方式下，按機組啟動升速的各階段設置目標轉速和升速率，轉速在2 950 r/min時進行閥切換，由TV控制切換為GV控制，閥切換完畢時轉速設定值3 000 r/min，升速到額定轉速，檢查控制系統對機組轉速的全程調節功能。等待轉速穩定在3 000 r/min后繼續如下實驗步驟。

(3) 電超速仿真試驗必須在模擬并網前，汽機轉速在3 000 r/min時進行。確認DEH方式在“操作員自動”及“單閥”控制方式，設定目標轉速3 100 r/min。

轉速升至＞103 %額定轉速，OPC動作后將轉速設定值設置為3 000 r/min，同時檢查確認OPC信號輸出是否正常，30CBA03柜K3K4K5K6繼電器動作是否正確，畫面上高中壓調節汽門是否關閉。待轉速達到重新開啟閥門的條件時重新開啟高中壓調門，維持正常額定轉速。

(4) 在DEH操作員站ETS試驗畫面上確認電超速保護投入。在DEH控制總貌上選擇“OPC模式”窗口，投入“OPC失效”模式。在DEH控制總貌畫面的“控制設定值”窗口中設定目標轉速3 310 r/min和升速率50 r/min，提升汽機轉速。

(5) 汽機轉速升至電超速動作轉速3 300 r/min(110 %額定轉速)，ETS畫面上“電超速跳機”亮，確認汽機跳閘、轉速下降，各主汽門、調速汽門關閉，電超速已動作，確認30CBA03柜K1K2K7繼電器動作正確。在DEH控制總貌上選擇“OPC模式”窗口，切除“OPC失效”模式。

(6) 機組重新掛閘，按機組啟動升速各階段設置目標轉速和升速率，設定目標轉速至2 950 r/min，TV/GV閥切換后升速至3 000 r/min并維持。

(7) 模擬并網帶初始負荷。設定負荷目標及負荷變化率，將負荷升至200 MW，400 MW，600 MW。負荷穩定至600 MW進行單多閥切換試驗(閥門由單閥切至順序閥)。

(8) DEH投入遙控方式。DCS側OM操作設定負荷設定值，將負荷減至300 MW，檢查控制系統對機組負荷控制的全程調節功能。進行單多閥切換(閥門由順序閥切換為單閥)，切除DEH遙控。模擬機組打閘，純仿真試驗結束。

(9) 熱控人員短接ETS信號，使機組具備掛閘條件（進行帶油動機的混仿試驗）。在“操作員自動”控制模式下，模擬主蒸汽壓力，模擬中主門開到位信號。運行人員啟動相關設備，機組掛閘，設閥限108，設置初始轉速目標值。

(10) 控制系統在轉速控制方式下，按機組啟動升速的各階段設置目標轉速和升速率，轉速在2 950 r/min時進行閥切換由TV控制切換為GV控制，閥切換完畢時轉速設定值3 000 r/min，升速到額定轉速，檢查控制系統對機組轉速的全程調節功能。等待轉速穩定在3 000 r/min轉后繼續如下試驗步驟。

(11) 電超速仿真試驗必須在模擬并網前，汽機轉速在3 000 r/min時進行。確認DEH方式在“操作員自動”及“單閥”控制方式，設定目標轉速3 100 r/min，轉速升至103 %額定轉速，OPC正確動作后將轉速設定值設置為3 000 r/min，同時檢查確認30CBA03柜K3/K4/K5/K6繼電器動作正確，就地OPC電磁閥動作正確，高中壓調節汽門關閉。待轉速達到重新開啟閥門的條件時重新開啟高中壓調門，維持正常額定轉速，OPC仿真試驗結束。

(12) 在DEH操作員站ETS試驗畫面上確認電超速保護投入。在DEH控制總貌上選擇“OPC模式”窗口，投入“OPC失效”模式。

(13) 在DEH控制總貌畫面的“控制設定值”窗口設定目標轉速3 310 r/min和升速率50 r/min，提升汽機轉速。汽機轉速上升至電超速動作轉速3 300 r/min(110 %額定轉速)，ETS畫面上“電超速跳機”亮，確認汽機跳閘、轉速下降，各主汽門、調速汽門、抽汽逆止門關閉，電超速已動作，確認30CBA03柜K1K2K7繼電器動作正確。在DEH控制總貌畫面上選擇“OPC模式”窗口，切除“OPC失效”模式。

(14) 機組重新掛閘，按機組啟動升速各階段設置目標轉速和升速率，設定目標轉速至2 950 r/min，TV/GV閥切換后升速至3 000 r/min并維持轉速不變。

(15) 仿真面板上模擬發電機并網帶初始負荷。設定負荷目標及負荷變化率，將負荷升至200 MW，400 MW，600 MW。負荷穩定至600 MW進行主汽門松動試驗。

(16) 投DCS上DEH概貌畫面中的“VALVE NOT TEST”塊，并確認該畫面上所有閥門均未在被選中狀態。

(17) 在DEH總貌畫面上選中 “TV1松動” 試驗塊，執行“試驗投入”。檢查TV1自動關閉至80 %開度，就地檢查動作正常，執行“試驗切除”。檢查TV1自動開啟至100 %開度，就地檢查動作正常。投DCS上DEH概貌畫面中的“VALVE NOT TEST”塊，并確認該畫面上所有閥門均未在被選中狀態。

(18) 在DEH總貌畫面上選中 “TV2松動” 試驗塊，執行“試驗投入”，檢查TV2自動關閉至80 %開度，就地檢查動作正常，執行“試驗切除”，檢查TV2自動開啟至100 %開度，就地檢查動作正常。投DCS上DEH概貌畫面中的“VALVE NOT TEST”塊，并確認該畫面上所有閥門均未在被選中狀態。

(19) 負荷穩定至600 MW時，進行主從CPU冗余切換試驗。檢查切換過程中各項控制參數是否正常。

CPU切換試驗完畢后負荷穩定在600 MW，進行單多閥切換試驗（閥門由單閥切至順序閥）。

(20) DEH投入遙控方式，DCS側OM操作設定負荷設定值，將負荷減至300 MW檢查控制系統對機組負荷控制的全程調節功能。進行單多閥切換（閥門由順序閥切換為單閥）。切除DEH遙控。負荷設定值100 MW，負荷降至100 MW。

(21) 運行按手動停機，機組停運。解除邏輯中信號強制，恢復原邏輯。

5 總結

西門子PCS 7系統優化后，解決了如下問題。

(1) DEH控制系統CPU冗余切換慢。FM458與ADDFEM卡件通信需要依靠EXM448-1卡件，切換時可能出現故障。

(2) EXM448-1卡件故障問題。檢修期間停送電后，EXM448-1卡件極易損壞，且不可修復，只能更換。

(3) EXM448-1卡件備件問題。EXM448-1卡件已經停產，現在使用庫存備件，且價格極其昂貴。

經過本次系統優化，減少了系統通信環節，優化了控制策略和控制工藝，簡化系統維護工作，提高了西門子PCS7型DEH控制系統的可靠性，保證了汽輪發電機組的安全穩定運行。

下?期?要?目

● 大型發電企業外包工程安全管理問題及對策

● 基于遠程診斷技術開展的設備運行優化實踐

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