Mark VIe 控制系統(tǒng)在燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用

牛澤亭

（中海油惠州石化有限公司 動(dòng)力部，廣東 惠州 516086）

0 引言

公用工程動(dòng)力站6B燃?xì)廨啓C(jī)采用的控制系統(tǒng)是GE公司生產(chǎn)的Mark VI控制系統(tǒng)[1]。燃?xì)廨啓C(jī)操作站（HMI）共有3臺(tái)。燃機(jī)操作系統(tǒng)采用Windows XP系統(tǒng)，操作站已經(jīng)使用多年，配置低，運(yùn)行慢，如新購(gòu)操作站只能安裝Windows 10操作系統(tǒng)，目前操作站使用的上位機(jī)軟件無(wú)法在Windows 10環(huán)境下安裝，故操作站處于無(wú)備件狀態(tài)，一旦現(xiàn)在設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，將直接影響工藝生產(chǎn)。

自2018年以來(lái)，燃機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)始多次頻繁出現(xiàn)異常報(bào)警及故障。2018年1月17日、2019年11月14日、2019年12月7日、2019年12月12日、2019年12月13日、2021年1月1日、2021年1月21日、2021年2月6日、2021年11月29日先后出現(xiàn)燃機(jī)控制系統(tǒng)＜S＞模塊的I/O狀態(tài)交換失敗、熱電偶卡通訊故障、燃機(jī)＜R＞模塊通訊故障等，可斷定該控制系統(tǒng)存在著比較嚴(yán)重的軟故障且范圍在不斷擴(kuò)大。這類故障通常是元器件老化，性能變差造成的，這給機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行造成重大安全隱患。

GE公司已宣布2019年之后停止供應(yīng)Mark VI備件，如果不升級(jí)控制系統(tǒng)，需要大量采購(gòu)備件，費(fèi)用成本大幅增加的同時(shí)，對(duì)大量備件的庫(kù)存保管會(huì)增加難度，也需要考慮備件庫(kù)存的自然損耗。因此，需要對(duì)燃機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改造。

1 改造的詳細(xì)內(nèi)容

1.1 控制站

1.1.1 控制站配置

動(dòng)力站燃?xì)廨啓C(jī)升級(jí)后的控制系統(tǒng)Mark VIe是GE最新一代控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有完備的冗余技術(shù)，設(shè)備冗余包含所有與控制有關(guān)的部件都按冗余配置。其中，控制器三冗余、電源雙冗余、聯(lián)鎖控制I/O卡件三冗余等。工作性能冗余包括控制器與三冗余模件之間通訊為三冗余，主干網(wǎng)通訊為雙冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

Mark VIe控制盤(pán)的I/O點(diǎn)類型及數(shù)量按現(xiàn)有的GE公司提供的6B燃?xì)廨啓C(jī)控制回路[2]及檢測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際I/O點(diǎn)總數(shù)基礎(chǔ)上增加20%的備用量[3]。控制柜內(nèi)也留有不低于20%的空間，為日后安裝I/O卡件和端子板做預(yù)留。

Mark VIe控制系統(tǒng)的AI/AO模件中的AI精度為0.1%，AO精度為0.5%，AI/AO具備識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)接線短路并發(fā)出報(bào)警的功能，DI/DO無(wú)此功能。各個(gè)模擬量輸入模件均配備有A/D轉(zhuǎn)換器，所有的模擬量輸出模件也都配有D/A轉(zhuǎn)換器。按GE標(biāo)準(zhǔn)，RTD信號(hào)均為單冗余信號(hào)，通過(guò)端子板直接傳輸?shù)組ark VIe系統(tǒng)的專用RTD模件，無(wú)需使用溫度變送器轉(zhuǎn)換，減少RTD信號(hào)轉(zhuǎn)換誤差。

I/O模件的通道隔離方式為組間相互隔離，即每塊I/O模件的輸入組和輸出組隔離。控制器、I/O模件有一定的抗干擾能力。系統(tǒng)的各種卡件[4]均具備在線熱插拔功能，無(wú)需停電、停機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)在線更換，方便故障的及時(shí)處理[5]，解決問(wèn)題，保證工藝平穩(wěn)運(yùn)行。由于具備強(qiáng)大的冗余功能，卡件能夠自診斷。當(dāng)卡件出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)有報(bào)警提示，且可自動(dòng)進(jìn)行切換。

1.1.2 電源

Mark VIe控制盤(pán)接收兩路電源供電，一路為125V DC[6]，一路為220VAC UPS。直流電源模塊是主工作電源模塊，交流電源模塊熱備用，故障可在電氣專業(yè)進(jìn)行監(jiān)控。

1.1.3 系統(tǒng)可靠性

Mark VIe控制系統(tǒng)平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）是14427.24 h，平均強(qiáng)制停機(jī)時(shí)間（MTBFO）是192,000,000 h，控制器、I/O模件、端子板的平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）是2 h，其它部件的平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）是4 h。通過(guò)公式，可利用率 =MTBFO / (MTBFO + MTTR)×100%，得出可利用率為99.9967%。

1.2 操作站/工程師站

1.2.1 HMI配置

本次改造共配置3臺(tái)HMI站（現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)柜室有2臺(tái)HMI站，其中1臺(tái)存儲(chǔ)共享控制系統(tǒng)組態(tài)，中央控制室有1臺(tái)HMI站），HMI站既被授權(quán)了操作員站功能，也被授權(quán)了工程師站功能，在任意一臺(tái)HMI站均可以修改控制系統(tǒng)組態(tài)。在中央控制室CCR1設(shè)置了1臺(tái)雙屏HMI站，利用現(xiàn)有操作平臺(tái)安裝。現(xiàn)場(chǎng)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)柜室設(shè)置2臺(tái)HMI站，新增操作臺(tái)。

HMI站硬盤(pán)按1:1冗余配置，并構(gòu)成鏡像硬盤(pán)，且采用雙網(wǎng)卡配置，與PDH和UDH連接。HMI站擁有兩級(jí)密碼即管理員密碼和操作員密碼，管理員密碼主要執(zhí)行組態(tài)、邏輯修改等對(duì)系統(tǒng)維護(hù)的權(quán)限。操作員密碼就是執(zhí)行工藝人員日常操作、監(jiān)視的各種命令，如畫(huà)面數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、報(bào)警確認(rèn)，歷史記錄查看等。每天HMI站均配備了白名單功能。

Mark VIe控制系統(tǒng)內(nèi)部的Mark VIe控制盤(pán)，與3臺(tái)HMI站自成時(shí)鐘同步體系，以其中的1臺(tái)HMI站的電腦時(shí)鐘為時(shí)間源，對(duì)整個(gè)Mark VIe控制系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)鐘同步，達(dá)到和全廠GPS系統(tǒng)時(shí)鐘同步的目的。

HMI站配備了畫(huà)面組態(tài)軟件GE Energy Cimplicity 11，以及系統(tǒng)組態(tài)軟件Control System ToolboxST V7.x。系統(tǒng)組態(tài)軟件Cimplicity 11功能強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)組態(tài)現(xiàn)在修改并下裝。人機(jī)界面（HMI）以GE 的CIMPLICITY HMI系統(tǒng)為基礎(chǔ)，可在安裝了Windows 10操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。操作畫(huà)面進(jìn)行了漢化，操作畫(huà)面的中英文可進(jìn)行隨意切換，更加直觀，方便監(jiān)視。

1.2.2 報(bào)警查詢

報(bào)警通過(guò)人機(jī)界面（HMI）發(fā)送給操作員。許多顯示畫(huà)面都包含一個(gè)報(bào)警窗口，可以打開(kāi)成為全屏的報(bào)警頁(yè)面。報(bào)警信號(hào)分為4個(gè)級(jí)別，分別用不同顏色顯示，以幫助操作員了解問(wèn)題的嚴(yán)重程度。對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行篩選，可以使報(bào)警窗口顯示全部報(bào)警信息，或者只顯示工廠內(nèi)特定區(qū)域發(fā)生的報(bào)警，從而幫助對(duì)故障進(jìn)行診斷。根據(jù)報(bào)警信息，操作員可以選擇控制相關(guān)設(shè)備，并發(fā)送報(bào)警事件的顯示畫(huà)面；還可以對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分組，配備打印機(jī)的還可以進(jìn)行打印；通過(guò)篩選功能還能對(duì)報(bào)警的先后順序進(jìn)行調(diào)整。此次改造對(duì)報(bào)警信息的描述進(jìn)行了漢化，在英文描述的后面增加了中文描述，方便操作員故障判斷。

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

Mark VIe包含3層網(wǎng)絡(luò)，分別是PDH即工廠數(shù)據(jù)高速通道、UDH即單元機(jī)組數(shù)據(jù)高速通道以及I/O Net網(wǎng)絡(luò)[7]，可以降低網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題及數(shù)據(jù)擁擠網(wǎng)速變緩，大大提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和流暢性。工廠數(shù)據(jù)高速通道連接了各操作員管理站，快速有效地實(shí)現(xiàn)了非實(shí)時(shí)文件的數(shù)據(jù)傳輸。這一特點(diǎn)將非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從UDH上分流出來(lái)，提高了網(wǎng)絡(luò)的總體性能。單元機(jī)組數(shù)據(jù)高速通道，通過(guò)以太網(wǎng)架構(gòu)將操作層與控制層串聯(lián)在一起，使性能提升，以達(dá)到報(bào)警等信息的持續(xù)獲得。

圖1 Mark VIe機(jī)柜圖Fig.1 Mark VIe Cabinet diagram

I/O Net為冗余網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)交換機(jī)為就地操作站、工程師站和中控操作站相互傳輸高速數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)使用100MB以太網(wǎng)采用了符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)設(shè)備，并且支持IEEE1588精密時(shí)間協(xié)議，利用原有光纖傳輸。

1.4 機(jī)柜配置圖

本次改造配置2個(gè)同樣尺寸的機(jī)柜，如圖3。單個(gè)機(jī)柜的尺寸為2100mm（高）×1200mm（寬）×800mm（深）（包括底座），前開(kāi)門(mén)，2個(gè)機(jī)柜中間貫通，重量在400kg左右。機(jī)柜留有20%的備用安裝空間。機(jī)柜內(nèi)設(shè)置了中間端子排，解決更換控制系統(tǒng)機(jī)柜后原有信號(hào)電纜不夠長(zhǎng)的情況。不夠長(zhǎng)的現(xiàn)場(chǎng)儀表信號(hào)電纜先接入中間端子排，然后接到燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)的I/O端子板上。機(jī)柜內(nèi)設(shè)置了配置光纖接口的交換機(jī)，通過(guò)利用的兩根鎧裝單模光纖電纜與中心控制室CCR1機(jī)柜間的配置光纖接口的交換機(jī)通訊。

2 改造后的優(yōu)勢(shì)

原有燃?xì)廨啓C(jī)采用GE的Mark VI控制系統(tǒng)，共有1臺(tái)工程師站，2臺(tái)操作站。其中，中央控制室操作站已經(jīng)故障不能使用。由于燃機(jī)操作站是專用的工控機(jī)和專用軟件，并且GE公司已不再生產(chǎn)Mark VI系統(tǒng)操作站，即操作站已經(jīng)報(bào)廢，而且中央控制室操作站已壞，為了確保中央控制室能夠正常操作，將就地控制室操作站搬至中央控制室使用。所以燃機(jī)控制系統(tǒng)只有1臺(tái)操作站和1臺(tái)工程師站在工作，其所用操作系統(tǒng)是Windows XP，廠家已不再生產(chǎn)，沒(méi)有備件可以進(jìn)行更換。

原有操作站及工程師站使用時(shí)間均已超過(guò)10年，其可靠性逐步下降，隨時(shí)都可能出現(xiàn)問(wèn)題。當(dāng)再出現(xiàn)問(wèn)題不能工作，就會(huì)造成燃機(jī)失去監(jiān)視和控制，嚴(yán)重威脅到燃機(jī)的安全運(yùn)行，甚至引起意外停機(jī)事故和設(shè)備損壞的嚴(yán)重后果，存在現(xiàn)場(chǎng)正常生產(chǎn)的重大安全風(fēng)險(xiǎn)。故燃?xì)廨啓C(jī)操作站處于無(wú)備件狀態(tài)，一旦現(xiàn)在設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，將直接影響工藝生產(chǎn)。將燃?xì)廨啓C(jī)Mark VI控制系統(tǒng)全套更換為Mark VIe系統(tǒng)，同時(shí)把操作站進(jìn)行更新，中控增加1臺(tái)雙屏操作站，現(xiàn)場(chǎng)增加1臺(tái)工程師站，1臺(tái)外操站，保證了操作站的平穩(wěn)運(yùn)行。操作站W(wǎng)indows XP系統(tǒng)升級(jí)到Windows 10系統(tǒng)，解決了Mark VI控制系統(tǒng)原軟件版本太低，無(wú)法在Windows 10系統(tǒng)安裝和運(yùn)行的問(wèn)題。

燃機(jī)所使用的Mark VI控制系統(tǒng)是GE的上一代控制產(chǎn)品，它由3個(gè)機(jī)架集成卡件模塊構(gòu)成，分別稱作＜R＞＜S＞＜T＞模塊。該控制系統(tǒng)從2009年投用至2017年，運(yùn)行比較平穩(wěn)，極少出現(xiàn)異常報(bào)警。自2018年以來(lái)，燃機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)始多次頻繁出現(xiàn)異常報(bào)警及故障，其中＜R＞＜S＞＜T＞模塊均分別出現(xiàn)過(guò)故障，甚至引起過(guò)停機(jī)。當(dāng)時(shí)也更換過(guò)熱電偶卡、通訊卡、電源卡、模擬量卡等卡件，可見(jiàn)Mark VI控制系統(tǒng)的卡件已經(jīng)逐漸老化，且GE公司已經(jīng)停止了對(duì)燃機(jī)Mark VI控制系統(tǒng)的備件生產(chǎn)和供應(yīng)。改造為Mark VIe控制系統(tǒng)，解決了原系統(tǒng)因高負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，控制系統(tǒng)硬件故障率增加，控制系統(tǒng)故障無(wú)配件更換問(wèn)題。

Mark VI控制系統(tǒng)采用的是三冗余硬件結(jié)構(gòu)，但是現(xiàn)場(chǎng)的重要聯(lián)鎖儀表進(jìn)入卡件并不是＜R＞＜S＞＜T＞均勻分配，造成燃?xì)廨啓C(jī)并不能完全實(shí)現(xiàn)三冗余。Mark VIe控制器是GE公司傳統(tǒng)的三重模塊冗余機(jī)組控制系統(tǒng)的最新繼承，屬于GE的第三代數(shù)字燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)。

對(duì)于聯(lián)鎖控制等重要儀表完全實(shí)現(xiàn)了三冗余，控制器、通訊卡、內(nèi)部交換機(jī)也是完全的三冗余，外部交換機(jī)、電源模塊均是雙冗余，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語(yǔ)

將原有Mark VI系統(tǒng)更換為Mark VIe系統(tǒng)，Mark VIe在系統(tǒng)診斷和冗余特性方面進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，可以有效縮減停工期，增強(qiáng)了系統(tǒng)的診斷性能，提高了控制穩(wěn)定性。改造為Mark VIe控制系統(tǒng)，解決了Mark VI控制系統(tǒng)故障無(wú)配件更換問(wèn)題，加強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，增強(qiáng)了故障診斷功能。操作畫(huà)面進(jìn)行了漢化，操作畫(huà)面的中英文可進(jìn)行隨意切換，更加直觀，方便監(jiān)視[8]，達(dá)到了預(yù)期的目的，保證了燃?xì)廨啓C(jī)長(zhǎng)期平穩(wěn)安全運(yùn)行。