基于DCS的火電廠智慧報警設計

黃啟東

浙江浙能嘉華發電有限公司 浙江 嘉興 314201

引言

DCS因其組態靈活、控制功能強大、人機界面友好、技術成熟等特點，在火電廠生產控制過程中得到了廣泛的應用。以660MW火電機組為例，僅主機部分就有1000多個設備和10000多點IO信號，對于運行人員來說，要實時監控這些設備和信號需要借助先進的自動化控制設備。DCS系統為此提供了一種分散控制、集中管理的監控方式，即將分散在現場的設備進行數據采集和控制，同時將設備狀態集中傳送至集控室監控管理。其報警功能是DCS的一項基本功能，在工藝參數偏離正常值或運行狀態出現異常情況時報警系統會發出聲光報警，以提醒運行監管人員盡早采取干預措施，對保持設備正常運行有著重要的作用。本文介紹了一種火電廠DCS分層報警設計理念，探討了一些典型的基于DCS系統的火電廠智慧報警邏輯設計，以提高火電廠自動化監控水平。

1 火電廠DCS報警系統常見問題

因報警系統與設備的控制不存在直接的關聯，很多火電廠在基建調試時對報警系統的設計未引起足夠的重視，在移交運行后經常存在一些問題，常見如下。

1.1 報警層級設置不合理

報警層級設置不合理，未對信號根據重要性、緊急性等因素進行區分，在一些突發情況下出現報警雪崩現象，未能在緊急情況下及時地提供簡潔、明確的報警信息。

1.2 報警邏輯設計不合理

大屏光字牌報警是報警級別最高的一種，一旦大屏發生大屏報警就意味著有設備跳閘或者較緊急的情況發生。但在實際運行過程中平常就有很多大屏報警存在，這些報警的出現與邏輯設置不合理等因素有關。比如在備用制粉系統停運時大屏報警觸發了磨煤機一次風量低報警，未考慮設備運行和停運時的區別。

1.3 報警設置過多

因為DCS報警設置極為方便，且幾乎無額外的成本，易造成一種報警越多越好的錯誤認識，導致報警設置過多[1]。舉例來說，一個開關量測點可以設置為0報警、1報警、狀態翻轉報警等，我們應該結合工藝設置一種報警，而不是盲目地設置狀態翻轉報，造成額外的無效報警。

1.4 報警參數設置不合理

報警參數設置不合理經常導致誤報、漏報、報警不及時，在實際運行過程最常見的情況是反復頻繁報警，造成運行人員警覺性降低。

2 DCS報警分層設計

針對DCS報警系統常見的問題，本次改造對DCS報警邏輯、定值等進行了全面梳理，在此基礎上提出了一種基于分層級報警的方案，解決了報警分級不明確、重點不突出等問題。本方案將報警分為大屏軟光字牌報警、側欄點信息報警、工藝流程圖報警三個層級。

2.1 DCS大屏報警

DCS大屏報警包含火電機組主保護信號異常報警、主重要系統和輔機的報警信號、儀控系統的電源和設備異常等報警，原則上出現影響機組安全運行的情況應均能在大屏報警出現。大屏報警從大體上劃分為爐側、機側、電氣3個區域，便于運行人員快速反應。大屏報警軟光字牌又可根據重要性區分為紅色報警和黃色報警，點擊每個光字牌進入相應的報警窗口，每個窗口內有更具體的報警細項。大屏報警的優勢是系統指向性明確、報警內容詳細，有利于運行人員在緊急情況下作出正確的判斷。

本次改造的DCS系統使用和利時公司的MACS6.5.4系統，大屏報警需要使用其特定的HSALARMSPARK報警功能塊觸發聲光報警，否則無法關聯聲音報警。該報警功能的引腳和輸出定義如圖1所示：

圖1 HSALARMSPARK報警功能

I1引腳為報警輸入，相關報警條件相或后引入該引腳；I2引腳為報警復位。光字牌根據報警觸發條件和人工是否確認，確立了4種狀態[2]：①報警條件觸發，光字牌紅閃或黃閃，同時觸發聲音報警，即O2置1。②報警條件觸發且人工確認后，如報警條件仍在，此時O1為1。則光字牌常紅或常黃，報警聲音被復位。③報警條件觸發且條件在人為確認前已消失，此時O3為1，光字牌綠閃且報警聲音消失。④所有報警條件出現后消失且人為確認，光字牌恢復常綠。

2.2 DCS側欄報警

大屏報警主要通過邏輯組態和畫面組態，將重要的信息系統性地呈現給運行人員，快速指引運行人員對相關系統進行檢查、調整。而DCS側欄報警則主要借助DCS系統自帶的報警功能。本工程使用的和利時MACS6.5.4系統自帶工藝報警、設備報警等功能。

DCS側欄報警的優點是系統自帶、設置方便；缺點是著重單點報警，系統性不強，報警信息不詳細。可作為大屏報警的有力補充。

2.3 DCS流程圖報警

流程圖報警指當工藝流程參數或設備異常時，直接在流程圖上以文字或圖符的形式呈現。一般來說流程圖報警作為大屏報警和側欄報警的輔助手段，在運行人員查看流程圖時能直觀地發現設備或參數異常。

上述這種以大屏報警為主、側欄報警為輔、流程圖報警為補充的分層級報警機制能夠直接快速明確地提供設備參數異常信息，第一時間指導運行人員檢查處理異常，很大程度上提高了運行人員處理事故的效率，保證了機組的長期穩定運行。

在建設智慧電廠的大背景下，對于DCS報警系統的要求也更加智能化，下文介紹了一些基于DCS系統的火電廠智慧報警優化設計。

3 火電廠智慧報警邏輯設計

3.1 可重復觸發式大屏報警設計

和利時系統常規的大屏報警功能塊原理如圖1所示，但其存在當光字牌已經變色的情況下無法再次讓其報警的問題，其原因為是否報警是基于對HSALARMSPARK報警功能I1引腳是否為1 的判斷。本文設計了一種改進的大屏報警邏輯，即基于判斷報警信息條件數量改變的邏輯。此方案首先所有條件的真假判斷轉換為模擬量相加，即計算了當前的報警條件存在的數量。當存在的報警數量大于1，且與前一掃描周期相比報警條數相差大于1時，觸發報警的點有1-0-1的變化過程，解決了常規大屏在已有報警的情況下無法再次觸發光字牌閃爍的問題。

3.2 一種適用于檢測參數相對緩慢變化的報警邏輯

在火電廠中主油箱液位是一個非常重要的參數，主油箱液位因泄漏下降會造成保護動作跳機，甚至會造成汽輪機損壞，因此希望有一種檢測主油箱液位下降的報警。但對于火電廠儀控來說，如何設計一種適用于檢測參數相對緩慢變化的邏輯一直以來都是一個問題，我們考慮了以下幾個常用方案：

3.2.1 使用速率塊方案。不同于溫度變化等變化速率比較快的測點，可以使用DCS自帶的速率檢測功能塊，一般來說設定的為每秒鐘或者每個掃描周期變化的量。而變化緩慢的參數，折算到每秒鐘或者每個掃描周期的變化量非常小，一旦用速率功能塊來做參數變化報警則非常容易引起誤報。

3.2.2 使用微分塊方案。使用采樣值與LAG滯后塊后的數值相減表示微分邏輯用來表達數值的變化。此方案一定程度上可以表達被側數值的變化，但是不能非常明確地表達變化的速率。

3.2.3 使用堆棧功能塊方案。對采樣的數據進行堆棧處理，通過實時采集的信號數據與堆棧處理后的數據進行比較得出該信號的變化趨勢。該方案存在的問題是并非所有DCS系統有合適的堆棧功能塊，普遍適用性較差。

3.2.4 平均值比較方案。通過觀察分析，我們發現主油箱液位信號在平時有幾mm的波動，但總體上應該是穩定在一個區間內的。那么我們考慮采用比較某一時段內的平均值來進行報警。根據不同機組的特點設置5分鐘均值、半小時均值、1小時均值計算邏輯，并進行多輪鎖存，通過鎖存的均值比較可以得出均值的變化情況，通過仿真可以實現主油位下降的觀測報警。

3.3 一種適用于檢測低速轉動設備卡澀的報警邏輯

在電廠中有很多轉動機械，當出現卡澀的時候，轉動機械的電流或相關參數會出現周期性的變化。當這些參數還未達到保護值或者報警值時，我們可以利用檢測這些參數周期性的變化趨勢來達到報警的目的，以便盡早發現故障并采取處置措施防止設備運行狀況進一步惡化。本文設計了一種適用于檢測緩慢轉動設備卡澀的報警邏輯，在干渣機的卡澀報警上得到了良好的應用。該邏輯在干渣機電流超過設定值后開始計時，如設定時間內有設定次數的電流值超過定值從而判斷為設備卡澀，邏輯中的時間、電流定值、超限次數等都是可以根據設備情況設置。

3.4 一種判斷火電機組AGC運行模式的報警邏輯

AGC指令根據負荷變化情況一般可分為爬坡模式和穩態模式[3]。在爬坡模式下需要較強的前饋作用以滿足快速地響應負荷。而在穩態模式下如仍按爬坡時刻的前饋等控制參數則會造成燃料量頻繁地大幅波動，根據試驗表明這種工況下減小前饋作用不但對AGC調節速率和主汽壓控制影響甚小而且還有利于主汽溫等的穩定控制。本次DCS改造設計了兩套CCS參數，分別用于AGC爬坡模式和穩態調頻模式，供運行人員手動選擇。

本文設計了一種判斷火電機組AGC運行模式的報警邏輯輔助運行人員進行參數切換。邏輯原理如下：在機組處于CCS模式下默認為穩態模式，并鎖存了進入穩態模式時的機組指令值，當實時機組指令與鎖存的機組指令偏差超過20MW時則認為進入了爬坡模式，并重新鎖存一次機組指令。當指令變化在20MW內或無指令變化時，延時一定時間進入穩定模式，這個延時時間與前一個指令幅度和機組速率有關。通過辨識AGC模式輔助切換控制參數，既滿足了AGC爬坡模式的速率要求，又使得AGC小幅調節時各過程參數穩定。

4 結束語

本次DCS改造重新對報警設置進行了全面梳理，包括對那些信號需要報警、報警的定值等，并在此基礎上進行了DCS報警分層設計，形成了以大屏報警為主、側欄報警為輔、流程圖報警為補充的報警系統，盡可能避免了漏報、誤報、遲報的發生。結合智慧化電廠建設的需求，設計了一些智慧化報警邏輯，取得了良好的應用效果。火電廠報警系統的建設和完善是一項長期的工作，應結合設備工藝的變化和運行經驗，不斷地完善優化，以進一步提高機組自動化水平。