提高分散控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的措施

何有山

（許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000）

0 引 言

隨著發(fā)電機(jī)組容量的不斷增加和發(fā)電過(guò)程中智能化發(fā)展需要，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來(lái)越復(fù)雜，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性顯得愈發(fā)重要。分散控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性不足，易引起發(fā)電廠機(jī)組控制電源故障、控制系統(tǒng)故障以及機(jī)組可靠性事故等。文獻(xiàn)[1-3]分別介紹了分散控制系統(tǒng)在發(fā)電廠方面的具體應(yīng)用，取得了較好的效果。文獻(xiàn)[4-6]分別從系統(tǒng)接地和供電等方面的可靠性出發(fā)進(jìn)行分析評(píng)估，但缺少分散控制系統(tǒng)本身配置措施方面的分析和論述。文獻(xiàn)[7]分析了國(guó)內(nèi)兩起由發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)控制器故障影響機(jī)組運(yùn)行安全性而發(fā)生的事故。文獻(xiàn)[8-9]從不同方面分析了分散控制系統(tǒng)故障，并給出了應(yīng)急處理措施。但上述文獻(xiàn)均未從系統(tǒng)全局方面給出分散控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的解決方案。

為提高發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，降低系統(tǒng)的故障率，需從工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)源頭著手，采取措施保證分散控制系統(tǒng)供電的可靠性和控制系統(tǒng)本身配置的可靠性。本文結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)主流的分散控制系統(tǒng)（DCS）在某發(fā)電廠工程項(xiàng)目自動(dòng)化控制方面的應(yīng)用，從控制系統(tǒng)的供電可靠性和配置可靠性兩個(gè)方面出發(fā)，系統(tǒng)分析分散控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的措施。

1 提高系統(tǒng)供電可靠性措施

在分散控制系統(tǒng)工程項(xiàng)目的安裝施工階段，由于安裝施工隊(duì)伍專業(yè)知識(shí)水平參差不齊和安裝施工階段操作不規(guī)范等因素的影響，控制系統(tǒng)可靠性受供電電源的影響很大，且在調(diào)試階段因信號(hào)相互干擾等故障影響，原因分析比較困難。分散控制系統(tǒng)的供電可靠性是其安全可靠運(yùn)行的重要保障，主要包括系統(tǒng)電源和系統(tǒng)接地兩個(gè)方面。

系統(tǒng)電源的作用是保障分散控制系統(tǒng)各設(shè)備的電源供應(yīng)和正常運(yùn)行。戶內(nèi)控制系統(tǒng)設(shè)備間的環(huán)境溫度應(yīng)該滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，周圍環(huán)境空氣溫度不超過(guò)+40 ℃，且在24 h一個(gè)周期的平均溫度不超過(guò)+35 ℃，周圍空氣溫度下限為-5 ℃[10]。工業(yè)環(huán)境不同頻率電磁信號(hào)的復(fù)雜性和特殊性，使得分散控制系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到各種干擾[11]，因此需對(duì)裝置進(jìn)行屏蔽和接地處理，從而有效控制信號(hào)傳輸中產(chǎn)生的靜電干擾。此外，為保證分散控制系統(tǒng)的設(shè)備和信號(hào)等免受各種系統(tǒng)的電氣干擾，低壓配電系統(tǒng)接地可采用TN-S接地系統(tǒng)，將電源的相線、零線以及地線分開單獨(dú)設(shè)計(jì)，提高分散控制系統(tǒng)電源的穩(wěn)定可靠性[12]。

電源應(yīng)避免高負(fù)荷運(yùn)行，一般不要超過(guò)線路額定負(fù)荷的60%，同時(shí)要考慮用高品質(zhì)的電源。一般采用兩路不同母線廠的保安電源供電，其中一路通過(guò)UPS供電，兩路電源互為備用，可無(wú)擾切換，從而提高電源供電的可靠性，且一段母線出現(xiàn)問(wèn)題不會(huì)影響DCS系統(tǒng)的電源供應(yīng)。典型的系統(tǒng)電源分配原理如圖1所示。

分散控制系統(tǒng)接地一般可分為保護(hù)接地（Cabinet Ground，CG）和邏輯接地（Digital Power Ground，PG）。其中，保護(hù)接地包括屏柜外殼接地和電源外殼接地等，邏輯接地包括屏蔽地等。分散控制系統(tǒng)的機(jī)柜外殼、邏輯地以及屏蔽地等應(yīng)分別接至各機(jī)柜的保護(hù)地。一些測(cè)量和控制等信號(hào)在傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，為了避免干擾應(yīng)選擇線路屏蔽措施，以減少電磁場(chǎng)內(nèi)部感應(yīng)浪涌的幅值[13]。信號(hào)的屏蔽地應(yīng)采取單端接地的方式，統(tǒng)一接在保護(hù)地上。

為了消除分散控制系統(tǒng)受到供電干擾、公共阻抗、雷擊引入以及漏電阻等方面的干擾，可將保護(hù)接地分成若干個(gè)站組，每個(gè)站組內(nèi)實(shí)行單點(diǎn)接地，所有的接地點(diǎn)必須接觸可靠[14-15]。此外，分散控制系統(tǒng)機(jī)柜與地板或金屬槽鋼必須采取絕緣隔離措施，系統(tǒng)的接地銅板到大地的接地電阻不大于2.5 Ω。典型的單站組接地方式如圖2所示。

2 提高系統(tǒng)配置的可靠性措施

圖1 典型的系統(tǒng)電源分配原理圖

圖2 典型的單站組接地示意圖

分散控制系統(tǒng)的系統(tǒng)配置包括系統(tǒng)選擇、控制器DPU、通信網(wǎng)絡(luò)以及信號(hào)輸入和輸出等。張俊杰和熊銳等人[16]提出了分散控制系統(tǒng)的全局超穩(wěn)定判據(jù)，從超穩(wěn)定性角度出發(fā)，得到判定全局超穩(wěn)定的充分條件。為此，可以將分散控制系統(tǒng)的各控制處理單元看作弱關(guān)聯(lián)的分散系統(tǒng)，然后從以下6個(gè)方面提高分散控制系統(tǒng)的可靠性。

2.1 檢驗(yàn)與優(yōu)選系統(tǒng)

在選擇分散控制系統(tǒng)廠家時(shí)，應(yīng)選擇技術(shù)先進(jìn)成熟的分散控制系統(tǒng)，確保工廠在制造、設(shè)計(jì)以及調(diào)試過(guò)程中控制所有設(shè)備或部件的質(zhì)量。將集成DCS系統(tǒng)各器件、部件以及設(shè)備的整個(gè)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）提高至大于200 000 h，另外平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）小于5 min。

2.2 采用冗余設(shè)計(jì)思想

在分散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，應(yīng)用當(dāng)今世界上先進(jìn)的技術(shù)理念，采用多方位的冗余設(shè)計(jì)思想。例如，控制器在控制系統(tǒng)中肩負(fù)著控制中樞作用，應(yīng)采取冗余配置，實(shí)現(xiàn)在線維護(hù)和調(diào)試。當(dāng)一個(gè)控制器出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，避免發(fā)生文獻(xiàn)[7]中由控制器故障導(dǎo)致的事故?？刂浦鞲删W(wǎng)、I/O通道以及I/O站控制等模件需采用冗余和容錯(cuò)技術(shù)，保證重要的通信網(wǎng)絡(luò)和I/O信號(hào)不會(huì)因?yàn)槟硹l網(wǎng)絡(luò)或某個(gè)I/O信號(hào)出現(xiàn)故障而影響整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行可靠性。操作站互為熱備用，任一操作站均能監(jiān)控系統(tǒng)的所有設(shè)備。此外，歷史數(shù)據(jù)記錄熱備用，防止重要數(shù)據(jù)丟失。

2.3 采用隔離設(shè)計(jì)措施

分散控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，從多方面、多層次體現(xiàn)了隔離設(shè)計(jì)原則，使系統(tǒng)設(shè)備故障最小化，減少了某個(gè)通道和模件故障對(duì)其他模件或設(shè)備的影響。

2.4 分散度設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用上充分體現(xiàn)了分散和自治原則。雖然控制器的性能強(qiáng)大，但在設(shè)計(jì)上仍采用充分分散原則，采用多對(duì)控制器設(shè)計(jì)，且每對(duì)控制器負(fù)責(zé)控制的輸入和輸出信號(hào)（I/O）數(shù)量控制在400個(gè)以內(nèi)。在分配I/O信號(hào)時(shí)，應(yīng)使任一I/O通道損壞的影響盡可能小[17]。此外，冗余配置的I/O信號(hào)應(yīng)分別配置在不同通道板上，重要的I/O信號(hào)也應(yīng)分別配置在不同I/O站的通道板上，從而保證一個(gè)I/O通道板或I/O站出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)機(jī)組的安全性影響最小。

在控制優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)注重提高系統(tǒng)自身反應(yīng)靈敏度，以高效的單元控制監(jiān)督機(jī)組運(yùn)行。一個(gè)項(xiàng)目同一個(gè)子系統(tǒng)的I/O信號(hào)應(yīng)配置在同一個(gè)控制器內(nèi)，盡量減少不同控制器間的信號(hào)調(diào)用，從而減少信號(hào)調(diào)用造成的信號(hào)傳輸滯后或靈敏度降低現(xiàn)象。在I/O信號(hào)分配通道板卡時(shí)，每塊板卡應(yīng)留有一定的余量，為后續(xù)的設(shè)計(jì)更改或個(gè)別故障I/O通道提供就近I/O接口。

2.5 控制邏輯與工藝系統(tǒng)相適應(yīng)

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做到當(dāng)電源或氣源消失時(shí)，工藝系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍保持在預(yù)置的安全位置，從而保證不會(huì)危及設(shè)備安全，不出現(xiàn)設(shè)備誤動(dòng)。例如，利用氣源控制通斷的電磁閥時(shí)，需要了解是通氣通型還是斷氣通型，確保系統(tǒng)失去氣源時(shí)工藝系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)不會(huì)外泄造成意外等。DCS系統(tǒng)控制回路按“開路運(yùn)行”原則運(yùn)行時(shí)，應(yīng)提供合閘與跳閘的“短脈沖”式控制指令。設(shè)計(jì)順序控制邏輯時(shí)，如果出現(xiàn)保護(hù)和連鎖指令，則應(yīng)立即執(zhí)行，確保保護(hù)信號(hào)具有最高的優(yōu)先權(quán)[18]。需要說(shuō)明的是，人工指令比自動(dòng)指令優(yōu)先。

2.6 自診斷與在線維護(hù)

系統(tǒng)的操作級(jí)別具備分級(jí)功能，至少具有操作員和工程師兩種操作級(jí)別。操作員級(jí)別具備對(duì)系統(tǒng)各功能進(jìn)行監(jiān)控和在線自診斷的功能；工程師具備在線維護(hù)和調(diào)試故障的功能，必要時(shí)需通知維護(hù)人員及時(shí)處理。某工程項(xiàng)目的分散控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面如圖3所示，從設(shè)備和測(cè)量信號(hào)的顏色可以分辨出信號(hào)是否正常。其中：綠色顯示為正常狀態(tài)；紅色顯示為超出正常范圍，提醒監(jiān)控人員調(diào)整控制參數(shù)；粉色顯示為信號(hào)故障，提醒監(jiān)控人員對(duì)其進(jìn)行維護(hù)或更換相應(yīng)的測(cè)量?jī)x表等。對(duì)于自動(dòng)設(shè)備，還可設(shè)置自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行方式，并在監(jiān)控畫面顯示自動(dòng)/手動(dòng)狀態(tài)。

圖3 分散控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面

3 結(jié) 論

在分析發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)故障的基礎(chǔ)上，提出了分散控制系統(tǒng)電源的可靠性措施和系統(tǒng)配置的可靠性措施，并成功應(yīng)用于電站監(jiān)控、化工及其他工業(yè)控制工程項(xiàng)目，能夠有效提高控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，提高工業(yè)自動(dòng)化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制以及監(jiān)控的智能化，減少系統(tǒng)故障率、人員勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備運(yùn)維成本，適用于工業(yè)自動(dòng)化、智能化設(shè)計(jì)以及工程推廣和應(yīng)用。