火力發電廠DCS系統可靠性之研究

撫順礦業中機熱電有限責任公司 張勇剛

1 火力發電廠的DCS 系統分析

1.1 DCS 系統

DCS 系統又叫DCS 控制系統，在自動化生產中DCS 系統具有較高的應用價值，其中，火電廠在實際的DCS 系統應用時，對計算機技術、系統控制技術、網絡通信技術和多媒體技術等的有機結合，從而構建符合DCS 系統需求的窗口友好人機界面并具有較強的通信能力，從而滿足DCS 系統在實際的應用過程中保證設備管理，確保技術探討控制的效果，從而實現過程管理的現代化管理，確保火力發電廠的可靠性和穩定性[1]。

DCS 系統在實際的運行中會運用到A/D 轉換器，也就是信號采集卡，并將現場的工藝信號等轉變為電子信號，將這些工藝信號包括電廠運行中的溫度、壓力和流量等信息，通過做A/D 轉換器實現信號的轉變，從而保證系統能識別這些信息，并以此為基礎將數據信息存儲在控制器內，再通過人機交互界面，相關工作人員可以實現對開關閥門的控制，同時操作人員還可以利用人機交互界面向設備發送相應的指令，從而保證變頻器轉數穩定，確保火力發電廠的穩定運行，降低安全隱患[2]。

除此之外，DCS 系統在實際的運行中還能實現對現場的遙控，系統在運行中如果有工藝變更的需求，可以由工作人員到人機交互界面實現對命令的傳達，從而保證DCS 系統維持較好的運行狀態，確保火力發電廠的控制，有效控制安全隱患，提高設備的運行質量。并且實際的工作中不僅能夠發揮自身的功能，還能遙控現場設備，同時還可以通過組態編程實現PID、連鎖和順序控制等功能，進而滿足火力發電廠的基本需求。

1.2 工程概況

為了保證分析的效果，本文以某一具體的工程為例分析具體的可靠性問題。本工程為一火力發電廠，機組為了提高系統的穩定性，近些年對其進行了改造，改造后的DCS 系統結構圖如圖1所示。因為近些年DCS 系統在實際的工作中容易出現一些問題，所以為了確認是否是系統存在問題，針對系統進行了可靠性分析。

圖1 DCS 系統結構圖

2 火力發電廠的DCS 系統可靠性研究

2.1 硬件的可靠性分析

火力發電廠在實際的工作中，DCS 系統想要較好的可靠性就需要對系統的硬件進行保證，確保硬件的穩定運行。DCS 系統的硬件可以分為監控網絡、系統網絡和控制站內的控制網絡，控制網絡對全廠的鍋爐和電氣設備等進行控制。所以為了保證硬件的可靠，就需要將CCS 和DEH 控制站加到保護系統中，如果發生安全事故他們可以對系統進行保護，從而避免DCS 的軟件和硬件出現異常保護的問題，像信號的損壞。輸出板錯誤和設定模板故障等。所以為了確保硬件的可靠性，CCS 和DEH 控制站的應用就十分必要。

結合本工程的實際情況，能夠獲得DCS 系統的可靠性框圖。根據圖2進行研究，可以發現DCS 系統的可靠度可通過計算獲得，具體的計算公式為：。圖2中A是用于描述控制站的串聯集合，以此為基礎可對各個子站的可靠度算法進行計算。公式為：

圖2 DCS 系統的可靠性框圖

通過可靠度的計算能夠獲得硬件的可靠度計算情況，圖2中E 代表人機接口設備的集合，這部分是由操作員站和1臺工程師站組成，系統正常運行時，工程師站變為操作員口令、等同于操作員站，所以在實際的應用中，人機接口站子系統就可以被看作并聯的組合，所以算法公式也可以做出相應的改變，從而得到公式，以此為基礎能夠實現對機組的可靠度計算，從而實現對硬件部分的可靠性分析，根據計算結果對可靠性進行研究，從而確保DCS 處于較好的運行狀態。

2.2 根據故障分析子系統的可靠性

結合本工程的DCS 系統，為確保系統的可靠性，需要對系統的子系統可靠性進行研究，從而確保整體可靠性。子系統可靠性通過計算能夠獲得，但是要注意對故障的研究，將故障納入的可靠性的分析體系中，從而實現對子系統的可靠性計算[3]。相關研究表明，電子產品在使用期間會出現失效率趨近于一個穩定的數值，具體的計算公式為λ=1/MTTF;R(t)=e-λt（1）。

發電廠在MAXIMO 缺陷管理系統中，能夠查到DCS 系統中發生的設備故障情況，并且能夠根據故障發生狀況查詢到故障發生的時間，結合本工程的實際情況，能夠得到改造后的一個大修周期內產生的DCS 系統有關的故障數據，可以得出DCS系統單元模塊MTTF。以此為基礎，可以得到單元、子系統的MTTF，這樣就可以按照公式（1）進行計算，進而獲取子系統的可靠性。例如，本工程將一個大修周期的故障數據帶入，從而獲得了系統的可靠性時間，經過確認后，發現可靠性時間為100000h，根據這一內容可以得到相應的計算情況，進而獲取準確的數據信息，最終能夠得到子系統的可靠性的數據。

除此之外，還要對軟件的可靠性進行計算，可以按照公式Rs=0.9o×0.95o×0.972×0.981×0.999完成計算。計算后就可以獲取軟件的計算內容，滿足實際系統的需求，確保軟件的可靠性。

3 提高DCS 系統可靠性的方法

為了保證DCS 系統始終處于較好的運行狀態，具備較高的可靠性，就需要實施有效的方法，提高系統的可靠性。

為克服問題，需要對火電廠DCS 系統存在的問題進行控制，降低問題對系統的影響，從而保證設備的可靠性。要保證主控單元的負荷率相對較低且控制負荷率不超過40%，從而保證系統的可靠性，另外注意盡量分散I/O 模塊到其他站內，同時將部分性能計算方法掃描周期進行調整，將原本的250ms 調整為1s，同時一些相對次要的控制算法要將掃描周期由250ms 調整為500ms，從而有效地對負荷進行控制，確保負荷在30%以內。

根據控制站控制網Profibus-DP 協議的相關要求，總線的特性阻抗應該在110Ω 左右，實際連接中，如果出現“虛接”的情況，總線的特性阻抗就會隨之發生變化，且當阻抗過大時終端匹配器就會出現一定的變化，會導致終端匹配器失去本身應該具有的匹配作用，從而就會導致控制網離線故障的發生。造成DP 總路“虛接”的原因很多，這些原因都會給DCS 系統的可靠性帶來影響，所以需要對這些問題進行控制。如果是因為安裝不夠緊固，就要對他們進行加固，垂直安裝的模塊底座受機械振動引起的觸點松動和現場環境不佳情況，就會引起觸點出現氧化問題。對于這部分需要對底座進行檢查。如果有這種情況，就要臨時在底座上添加DP通訊端子，從而確保系統可靠性。