大型火電廠DCS國產化改造全過程管理及問題探討

黃啟東

（浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314201）

0 引言

近幾年，隨著2003年前后因“電荒”大量建造的600MW及以上等級火電機組投產時間達到15年以上，使用大量電子元器件的DCS系統(tǒng)也進入了老化和故障頻發(fā)的階段，給火電機組的安全穩(wěn)定運行帶來了極大的安全隱患。為此各大發(fā)電集團也開始了本輪大規(guī)模的DCS系統(tǒng)改造工作，本次改造最顯著的特點是DCS系統(tǒng)由原來的進口系統(tǒng)改為國產化系統(tǒng)。由于此前部分國產DCS系統(tǒng)在大型火電機組的應用業(yè)績較少，工程經驗相對欠缺。而DCS改造工作相對于新建機組又存在著顯著的差異，主要包括改造工期較短，調試任務重，改造后系統(tǒng)需符合原有的操作習慣等。因此，火電廠如何做好DCS改造全過程管理，確保不因DCS改造發(fā)生不安全事件顯得尤為重要。

在此背景下，本文結合多臺DCS改造經驗，對DCS改造前期技術準備、新DCS系統(tǒng)設計、施工安全與質量進度管控、DCS性能驗收等方面的關鍵點進行了介紹，探討了DCS改造過程中存在的問題，并介紹了本次DCS改造工作的亮點，為其它機組的DCS改造提供了可資借鑒的經驗。

1 DCS改造設計原則

1.1 DCS改造硬件設計原則

DCS改造因遵循控制專業(yè)經典的分散性、冗余性、獨立性等原則[1]，在控制器分配、卡件布置、IO通道設置等細節(jié)方面進行進一步優(yōu)化。

1）控制器分散原則

在2003年前后建造的機組，DCS控制器的配置大部分以SCS系統(tǒng)、MCS系統(tǒng)、FSSS系統(tǒng)、DAS系統(tǒng)等功能劃分為主，與分散性原則有一定的矛盾，存在單控制器故障影響機組安全的風險。在后建的機組中大部分以工藝流程分列劃分控制器，即將A/B側的設備劃分到兩個控制器中，控制器故障只造成機組RB故障。因此，在DCS改造時必須重視此問題，優(yōu)化控制器配置是一項提高本質安全的有效措施。

2）卡件分散、獨立原則

在進行卡件配置時，應當注意分散獨立原則，必須將冗余功能的卡件布置在不同支線上，確保不因支線電源、通訊等共性節(jié)點導致系統(tǒng)失控，在DEH/MEH系統(tǒng)的轉速卡、閥門控制卡上尤為值得重視。

3）IO通道分散原則

在原DCS系統(tǒng)中存在一些冗余測點布置的不合理性，未做到分支線、分卡件等要求。在改造時需進行梳理核對，重新進行分散性設計。

4）重要測點冗余配置原則

一些參與保護和主要調節(jié)的現場測點仍存在冗余度不足的問題。尤其是一些DCS系統(tǒng)內部的柜間硬接線點，存在單點和二取的保護，極易忽視而造成隱患。結合DCS改造應新增冗余測點，保護測點應采用三取二配置，參與重要調節(jié)測點應采用三取中配置。

1.2 DCS改造電纜設計原則

DCS改造電纜基本采用原電纜的方式，值得注意的有以下幾點：

1）控制器分散布置的弊端是必然會引起部分IO測點需要移位，因此需要在設計階段估算每個信號電纜長度是否夠長，提前設計好轉接端子。

2）對于重要的保護和調節(jié)信號如需要轉接，有條件宜進行重新敷設。如進行端子轉接，應做到屏蔽電纜全程接地，防止信號干擾。

3）對于熱電偶信號的轉接，應重視轉接電纜是否選型正確，這點在施工過程中應加強管控。

4）對于操作臺緊急操作按鈕，控制電纜應選用A級阻燃電纜，盡可能在就地與DCS來的控制電纜進行并接，確保獨立性。

1.3 DCS改造邏輯設計原則

改造機組的邏輯設計應與原邏輯保持一致，并在此基礎上進行優(yōu)化。對于優(yōu)化部分必須進行技術交底，防止運行操作人員誤操作。

1.4 DCS改造畫面設計原則

改造機組的畫面設計宜與原系統(tǒng)的風格、布局保持一致，不宜完全套用其它工程的畫面。采用國產化系統(tǒng)后，應對畫面做好漢化工作，提高人機交互的友好性。值得注意的是，對于設備啟停的彈出窗口設計，啟停按鈕的位置布局宜與原系統(tǒng)一致，防止運行人員在緊急情況下，因多年養(yǎng)成的操作習慣而引起誤操作。

2 前期技術準備

各個集團DCS改造工作的組織分工不盡相同，有“交鑰匙工程”，也有電廠主導實施的。本集團的DCS改造組織方式大都采用以電廠主導，集團技術研究院提供系統(tǒng)設計和系統(tǒng)調試，DCS廠家實行軟硬件組態(tài)，專業(yè)工程隊伍負責安裝和單體調試，第三方權威機構進行性能驗收的方式。此方式實現了專業(yè)的人做專業(yè)的事，便于業(yè)主方實現DCS改造全方面、全過程管理。

以電廠為主導，要求電廠技術人員為改造工作提供更多的技術支持。前期的技術準備更是改造工作的基礎，主要包括以下工作：

1）原系統(tǒng)IO清單的整理與核對，提供正確的原始資料，包括信號類型、量程、單位、供電方式、接線端子等。原系統(tǒng)IO清單是最基礎，但又是最重要的原始資料，如出錯將會造成批量信號接線錯誤、設備誤動等后果。

2）對原邏輯的SCS部分進行翻譯，形成每個設備的聯鎖單或說明書。該份聯鎖單不提供于DCS廠家，而用于組態(tài)完成后的邏輯檢查核對，實現“雙盲試驗”。這種方法可以減少原始資料分析上的偏差，有效提高邏輯組態(tài)的正確性。

3）編制DCS系統(tǒng)技術規(guī)范書，明確新系統(tǒng)的技術指標要求。對控制器的配置、卡件的數量和性能指標應有明確的要求，避免造成低價中標引起設備簡配。

3 新DCS系統(tǒng)設計、組態(tài)與出廠驗收

3.1 DCS改造系統(tǒng)設計

DCS系統(tǒng)設計一般由業(yè)主單位與DCS廠家、設計單位等多方討論，以設計聯絡會的形式確定軟硬件設計問題。除了上文提到的設計原則，設計階段應關注以下幾個問題：

1）新系統(tǒng)IO信號布置的合理性問題，重點檢查冗余信號的分散布置的具體執(zhí)行情況。

2）厘清新系統(tǒng)與原系統(tǒng)接線端子的對應關系，這個對應關系正確與否直接影響改造接線正確率。具體涉及AI信號的供電方式及正負段關系、RTD信號同名端關系、DI信號公用線的共正共負關系等，避免設計錯誤導致大量返工。

3）對于鍋爐MFT柜、汽機ETS繼電器柜等硬回路，每個DCS廠家都有各自的設計，但硬回路中常常存在單點保護的風險，這一點極易忽視。業(yè)主方應認真審核硬回路圖紙，遵循硬回路宜采用三取二或四取二保護結構的原則。

3.2 DCS改造組態(tài)設計與實施

1）經多年的邏輯優(yōu)化，基建的邏輯說明書與現場的邏輯可能存在較大差異，DCS改造邏輯組態(tài)應采用直接翻譯或解讀最新備份邏輯的方式。

2）DCS廠家的工程技術人員普遍存在對本公司DCS系統(tǒng)熟悉，對其它DCS系統(tǒng)邏輯解讀能力差的問題。同時，一個改造項目一般由多個DCS廠家組態(tài)人員共同實施，極易出現五花八門的組態(tài)風格。解決此問題的有效方法是業(yè)主方應事先接受新DCS系統(tǒng)的培訓，在掌握新DCS系統(tǒng)的前提下，編制相應的技術交底，說明新舊系統(tǒng)之間的差異以及對應關系，要求廠家以一定的規(guī)則進行組態(tài)，便于業(yè)主的后期維護。

3）組態(tài)過程中應重點關注新舊DCS系統(tǒng)功能塊之間的差異，確保新系統(tǒng)的參數設置與原系統(tǒng)意義一致。應注意部分系數的轉換關系，比如PID參數采用的比例系數還是比例帶、流量系數是在根號內還是根號外等。這些細節(jié)上的差異處置不當，可能會直接引起不安全事件。

4）系統(tǒng)內中間點命名盡可能與原系統(tǒng)一致，利于和SIS系統(tǒng)的對接。

3.3 DCS改造系統(tǒng)出廠驗收

與基建項目不同，新DCS系統(tǒng)的邏輯畫面調試工作應在DCS系統(tǒng)出廠前完成，到改造現場只進行系統(tǒng)復原與信號設備聯調，此方式可大大縮短寶貴的改造時間。目前主流的DCS系統(tǒng)均具備仿真功能，為出廠前的邏輯、畫面調試工作提供了必要條件。

1）邏輯畫面驗收：應根據準備階段編制的聯鎖單，對邏輯進行逐條檢查；同時采用仿真技術，對邏輯和畫面進行驗證，確保邏輯和畫面關聯的正確性。

2）硬件驗收：對集成后的DCS硬件進行測試，包括IO通道的精度測試，系統(tǒng)控制器、電源、網絡的冗余切換測試等，確保新DCS各項基本功能正常[2]。

4 新DCS系統(tǒng)安裝與調試

DCS改造的現場安裝和調試階段應注意以下幾項事項：

1）進度控制：合理科學地制定工期，以15日新系統(tǒng)上電，30日系統(tǒng)復原，60日完成改造的目標制定日計劃、周計劃，嚴格按計劃進行管控。

2）安全控制：拆線前對所有設備進行斷電和斷氣措施，部分電氣設備采取切就地和就地拆線等特殊措施，避免DCS機柜側拆接線過程中出現人身觸電以及設備誤動事件；調試時由運行人員確保安全的情況下逐個送電調試，確保調試過程的安全。

3）質量控制：拆線前對每個信號電纜進行標簽黏貼，標簽中應包含新系統(tǒng)的接線端子，并通過顏色區(qū)分有用信號和取消信號；做好機柜安裝過程中的絕緣測量、接地阻值測量等質檢點驗收工作；做好信號核對工作，信號核對應從就地源頭進行，防止接線交叉；設備單體調試應由運行、調試人員多方簽證，確保每個設備調試到位；系統(tǒng)恢復后，由熱工人員和運行人員共同進行設備聯鎖試驗，共同確認邏輯正確性。

5 DCS系統(tǒng)改造后測試與試驗

該部分工作包括對系統(tǒng)自身性能功能的測試，以及邏輯功能的測試。

1）在DCS系統(tǒng)安裝后，公司邀請了第三方權威機構對DCS系統(tǒng)基本性能與功能進行測試。通過專業(yè)機構的測試，發(fā)現了新系統(tǒng)在軟、硬件上存在的不足，對部分功能進行了優(yōu)化整改，部分無法及時整改的要求廠家進行研發(fā)解決，有效提高了系統(tǒng)可靠性。

2）改造后對控制系統(tǒng)邏輯功能進行了調試、試驗，包括RUNBACK試驗、一次調頻試驗、AGC試驗等，確保機組在異常工況下的安全性以及調節(jié)性能滿足電網要求。

6 DCS系統(tǒng)存在的問題

通過系統(tǒng)安裝后的調試以及第三方權威機構的測試，發(fā)現了新系統(tǒng)軟、硬件上存在一些問題。

6.1 新DCS系統(tǒng)在硬件上存在的問題

1）測量熱電偶溫度的TC卡在測量實時性上存在較大的問題，在標準信號剛加入回路的時候會高于標準信號，需要3min以上才能穩(wěn)定。之后變動加入的信號，趨勢上反應出來的測量結果會有3s～5s的滯后。

2）控制器掉電保護區(qū)容量較小，容易造成掉電保護區(qū)飽和后導致控制器無法下載的問題。后經過精簡邏輯得以解決，但根本上需要廠家提高硬件性能。

3）網絡切換試驗單側交換機斷電時，發(fā)生多臺同網工程師站、操作員站離線，后經排查是計算機主板上的網口不兼容導致，加裝網口后得以解決，此問題反映了廠家系統(tǒng)兼容性測試不過關。

4）控制器和卡件處理能力稍顯不足。控制器在200ms處理周期下進行信號自翻轉計數，在控制器切換過程中存在丟包現象。控制器在200ms處理周期下，開關量采集實時性和模擬量采集實時性未到達電力行業(yè)相關標準，此問題后經查證主要是通道設置了濾波時間所引起。

圖2 優(yōu)化后邏輯Fig.2 Logic after optimization

5）硬件故障報警不完善，DO卡件熔絲故障等無法在卡件自檢圖報警，需要廠家完善自檢功能。

6.2 新DCS系統(tǒng)軟件上與人機交互存在的問題

1）控制器在高負荷情況下，可能存在部分功能塊漏執(zhí)行一個周期的情況。比如在進行引風機RB試驗時，發(fā)現運行側風機步進式動葉指令在上升，但實際開度一直未上升。檢查風機步進式邏輯宏如圖1所示，與門后（點1）和TOF反向延時后（點3）一直保持為1，與脈沖塊未執(zhí)行有關（點2），該脈沖時間設置為200ms，與控制器執(zhí)行周期一致。分析認為控制器可能在任務繁忙時未執(zhí)行到該邏輯，脈沖時間設置為400ms后未再出現問題。后續(xù)進一步完善了邏輯，在出現該情況下增加了延時復位功能。

圖1 原邏輯Fig.1 Original logic

2）PID功能塊不完善。PID功能塊不具備閉鎖增，閉鎖減功能，不滿足鍋爐主控等常規(guī)設置要求[3]。PID功能塊從使用結果上看，應屬于位置式PID，比例功能在投自動或者兩個PID切換時會存在一定的輸出擾動。建議廠家在PID算法上選擇使用位置式還是增量式以及PID的跟蹤邏輯上進行優(yōu)化，實現真正的無擾切換。

3）開方塊、除法塊、三取中功能塊不完善。在負數開方和除法塊分母為零時會導致整張邏輯圖不執(zhí)行，建議廠家進行優(yōu)化。三取中功能塊在兩兩偏差大時保持前一時刻值，邏輯設置不當會引起調節(jié)設備全開全關，建議廠家分別設置兩兩偏差報警偏差限制和控制差設置，以及單信號偏差報警等功能。

4）圖形顯示功能弱，體現在：只能打開一副底圖，無法實現多分屏顯示；圖形伸縮功能差。

5）曲線調用功能弱：常規(guī)只能調用8條趨勢，無法滿足大型火電機組監(jiān)控需求。開關量顯示無法自定義量程，顯示雜亂等。

6）系統(tǒng)權限設置不靈活，權限設置不合理。比如設置為值長權限后，失去了操作權限的同時，也失去了曲線組態(tài)的功能，調用曲線十分不便；設置工程師權限后，無法去除操作權限，帶來誤操作設備的風險等。

以上問題影響到機組的穩(wěn)定安全運行以及用戶的操作體驗，需要DCS廠家不斷地改進完善。

7 DCS系統(tǒng)改造中的亮點工作

本次DCS改造，針對上一代的大型火電機組控制系統(tǒng)上普遍存在的問題進行了優(yōu)化，主要有以下措施：

1）提高DCS控制覆蓋面。由于基建時成本、技術等因素的影響，諸如吹灰控制、旁路控制、METS控制等采用PLC方式控制，不利于事件分析和日常維護。本次改造將這些PLC控制的設備納入了DCS控制，提高了機組自動化水平。

2）實現DCS系統(tǒng)信息安全設備建設“三同時”。在進行項目可研和初設時充分考慮了DCS系統(tǒng)信息安全設備的配套投入，部署安全管理中心、邊界防護裝置和安全計算環(huán)境，滿足等保2.0相關要求。

3）遵循“故障安全”原則，優(yōu)化控制器配置和卡件配置，進一步提高系統(tǒng)分散性、可靠性，提高設備本質安全。

4）對就地設備和測點進行優(yōu)化改造。例如將凝泵電機溫度、電泵軸承溫度等改為雙支測溫，增加高加液位、主油箱液位導波雷達測點等，將單點保護改為三取二保護，整體提高設備保護可靠性。

5）遵循“智慧報警”原則，優(yōu)化大屏報警功能。目前大部分機組在一個大屏光字牌存在報警的情況下，很難再次觸發(fā)同一塊光字牌的聲光報警。本次通過判斷光字牌報警條數的變化觸發(fā)聲光報警，解決了很多機組普遍存在的問題。另外，通過主油箱液位分鐘均值變化報警，實現了大量程液位變化的報警，為其它機組提供了思路。

6）優(yōu)化小機停機電磁閥硬回路，將原來二取一判斷改為了經典的四取二判斷，提高了小機停機回路的可靠性。

7）實現空壓機控制回路納入DCS控制，將原來的PCL控制移植到DCS控制，提高了空壓機控制可靠性。

8 結束語

DCS改造工作不同于基建工作，面臨著任務重、工期短等問題，同時又涉及機、電、爐等專業(yè)問題，對儀控專業(yè)人員的專業(yè)水平、項目管理能力提出了很高要求。儀控人員從前期的項目籌劃、系統(tǒng)設計、系統(tǒng)組態(tài)、設備安裝與調試等環(huán)節(jié)的全過程管理、參與程度直接影響了項目最終的質量。本文對DCS改造全過程的注意事項進行了介紹，以資參考。

對于火電廠儀控人員，在DCS改造后應進行經驗總結以便提高。同時應編制相關典型操作卡、應急預案等，用于規(guī)范化操作和應急操作，防止因DCS改造引起誤操作。