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艾默生新版DCS控制系統(tǒng)OVATION-XP的可靠性分析和故障預(yù)防 關(guān) 鍵 字：艾默生 DCS控制系統(tǒng) OVATION-XP 可靠性分析 故障預(yù)防 1 引言 近年來，DCS在火電廠過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用水平得到了迅速提高，DCS從單一功能向多功能、一體化方向發(fā)展，目前我國主力發(fā)電設(shè)備300MW等級火電機(jī)組大部分都采用了先進(jìn)的集散控制系統(tǒng)。河津發(fā)電廠二期工程2×300MW機(jī)組為國產(chǎn)引進(jìn)型燃煤火電單元機(jī)組，安裝兩臺哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的 300MW亞臨界、一次再熱、單軸、雙缸（高中壓缸合缸）雙排汽、直接空冷凝汽式汽輪機(jī)。鍋爐型式為哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、切圓燃燒、自然循環(huán)汽包鍋爐。 DCS采用了愛默生過程控制公司的最新OVATION－XP版控制系統(tǒng)，極大地改善了機(jī)組運(yùn)行環(huán)境，提高了熱工自動化水平，便于熱控設(shè)備的維護(hù)管理，特別是在硬件系統(tǒng)的開放性、接口的靈活性、模塊化的設(shè)計(jì)、在流程畫面的漢化、控制策略的修改、歷史趨勢的記錄及事故分析方面優(yōu)勢非常明顯。但是由于對DCS系統(tǒng)的了解不夠以及DCS系統(tǒng)本身的特性，為了預(yù)防運(yùn)行過程中或多或少出現(xiàn)影響機(jī)組安全與可靠性的故障，在這里筆者參照DCS系統(tǒng)通常的故障情況，針對OVATION－XP版系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析和故障預(yù)防。 2 可靠性分析及注意事項(xiàng) DCS系統(tǒng)的可靠性是指在規(guī)定的工作條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，系統(tǒng)成功地完成規(guī)定功能的能力，它是對一套控制系統(tǒng)的綜合評價。DCS系統(tǒng)的可靠性與DCS本身的內(nèi)在質(zhì)量，也與使用環(huán)境條件和運(yùn)行維護(hù)水平有關(guān)，而DCS系統(tǒng)故障是一種固有頑癥，不管是進(jìn)口系統(tǒng)還是國產(chǎn)系統(tǒng)都或多或少會出現(xiàn)，調(diào)試和維護(hù)的工作目的是要讓這種現(xiàn)象發(fā)生的最少。引起故障的原因各種各樣，我們要分析這些原因逐一采取預(yù)防措施，以下是引起DCS系統(tǒng)故障的原因的分析及其預(yù)防措施。 (1) 配置了冗余結(jié)構(gòu) 就目前運(yùn)行的DCS系統(tǒng)來看，不管是通訊網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器還是現(xiàn)場控制器DPU，都配置了冗余結(jié)構(gòu)，雖然加大了硬件設(shè)備成本和消耗費(fèi)用，權(quán)衡其利害關(guān)系，不難得出冗余措施在維持機(jī)組安全、穩(wěn)定方面起到了很大的作用，在發(fā)電企業(yè)中的廣泛應(yīng)用是毋庸置疑的。但是有一點(diǎn)，當(dāng)主設(shè)備發(fā)生故障，熱備份狀態(tài)的冗余設(shè)備就必須頂上工作，可目前集團(tuán)公司所轄發(fā)電廠部分機(jī)組DCS系統(tǒng)冗余設(shè)備的切換就不是很好,有的不能切換，有的自己來回亂切，河津電廠一期工程兩臺機(jī)組采用的日本三菱DIASYS-UP控制系統(tǒng)的DAS服務(wù)器也經(jīng)常出現(xiàn)該情況。這個問題希望各廠家切實(shí)解決是非常重要的事情，它是降低DCS系統(tǒng)故障的關(guān)鍵。 OVATION－XP系統(tǒng)在Ovation數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)（Ethernet）網(wǎng)絡(luò)、Ovation控制器、Ovation I/O模塊、系統(tǒng)供電電源、處理器電源分配模塊、操作員工作站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和集線器等方面使用了冗余組態(tài)方式，以求獲得較高的系統(tǒng)可靠性。當(dāng)發(fā)生下列情況，系統(tǒng)可啟動“自動越過功能”，無擾動越過故障，包括：①控制處理器故障；②網(wǎng)絡(luò)控制器故障；③I/O接口故障；④控制處理器的電源被拉開；⑤控制處理器復(fù)位；⑥網(wǎng)絡(luò)部分?jǐn)嗑€。就目前Ovation其他版本的應(yīng)用情況來看，備用系統(tǒng)的切換平穩(wěn)、可靠。Ovation系統(tǒng)的冗余故障預(yù)防方面僅需檢修和運(yùn)行人員熟悉系統(tǒng)各部件上的指示燈、聲光報(bào)警、狀態(tài)信息圖，及時做出準(zhǔn)確判斷，并對故障部分進(jìn)行處理和備用恢復(fù)。 (2) 通訊故障 引起DCS系統(tǒng)故障的另一重要原因是通訊故障。 首先，是通訊負(fù)荷過重。該現(xiàn)象較為隱蔽，機(jī)組運(yùn)行操作不頻繁時，通訊正常。而操作多時，引起通訊堵塞，通常為事故緊急處理時操作很多。例如：河津電廠一期的DCS覆蓋面相對比要少，進(jìn)行邏輯組態(tài)分配時，又嚴(yán)格控制各DPU站的負(fù)荷率，保證了數(shù)據(jù)通訊余量，該DCS系統(tǒng)運(yùn)行死機(jī)故障相對就少。 其次，是通訊電纜連接不牢靠也是引起通訊故障的原因,特別是通訊電纜插頭處。而且往往一根電纜出問題容易造成另一根電纜也發(fā)生故障。在設(shè)備檢修時有時觸碰到了通訊電纜會使插頭出接觸不好;有時通訊電纜很長，如連接到操作員站的電纜特別容易，受到干擾。早期DCS系統(tǒng)多采用總線式結(jié)構(gòu)的同軸電纜連接，而現(xiàn)多為雙絞線連接，RJ-45接頭特容易出現(xiàn)接觸不良，從安全通報(bào)的情況來看，集團(tuán)公司內(nèi)有的廠就出現(xiàn)過通訊電纜接觸不好造成操作員站死機(jī)的情況。 第三，抗干擾性。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是眾多電子、機(jī)械部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，所處的環(huán)境又比較惡劣，因此對系統(tǒng)的干擾因素較多。如大功率電氣設(shè)備、輸電線路的電磁場、無線通訊、雷電等氣象變化；自身元器件的熱噪聲、信號輸入輸出回路、電源回路干擾等。 OVATION－XP系統(tǒng)在河津電廠的應(yīng)用情況是，Ovation系統(tǒng)包括了目前DCS系統(tǒng)的所有功能：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)DAS、模擬量控制系統(tǒng)MCS、爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)FSSS、數(shù)字電液控制系統(tǒng)DEH、汽機(jī)危急遮斷系統(tǒng)ETS、順序控制系統(tǒng)SCS、旁路控制系統(tǒng)BPS、電氣控制系統(tǒng)ECS、空冷控制系統(tǒng)AIR，并且采用了取消基地式調(diào)節(jié)儀和減少就地PLC控制，全部納入DCS的設(shè)計(jì)思想，涵蓋的設(shè)備范圍非常之大。為了保障各控制站的低CPU通訊負(fù)荷，控制站數(shù)量、I/O卡件數(shù)量較多。Ovation控制器采用高性能奔騰處理器設(shè)計(jì)，保障了通訊負(fù)荷情況。良好的機(jī)柜、電源分配模塊、轉(zhuǎn)換板等設(shè)備的接地設(shè)計(jì)、雙絞線傳輸信號可以消除電磁場的干擾、信號線屏蔽線可有效防止靜電干擾、良好的供電措施等等抗干擾技術(shù)的應(yīng)用都保障了系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性。使用Ovation系統(tǒng)必需注意的是要加強(qiáng)通訊卡件松動或損壞的情況的檢查，尤其是防止強(qiáng)電串入造成DCS卡件損毀；要防止RJ-45接頭的松動，尤其是灰塵較大時，更易發(fā)生接觸不良的情況；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口嚴(yán)禁亂接其它設(shè)備。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，軟件的可靠性比硬件的可靠性占有更重要的位置。軟件故障主要來源于兩個方面：系統(tǒng)軟件故障和應(yīng)用軟件故障。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及各種編程語言等。 Ovation系統(tǒng)操作系統(tǒng)是用的微軟的Windows－XP ,視窗系統(tǒng)比UNIX操作系統(tǒng)更容易死機(jī)。一則是操作系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性，并且是各類計(jì)算機(jī)病毒的主要攻擊對象，加之PC機(jī)提供了極為方便的文件拷貝方式（如USB接口），技術(shù)上必須大力防范，同時加強(qiáng)人員管理；再則就是通常Windows應(yīng)用軟件偶爾會和操作系統(tǒng)發(fā)生沖突，Ovation應(yīng)用軟件是一組工具程序的集成，雖然采用了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，但是由于功能比較強(qiáng)大和復(fù)雜，重要程度各不相同，又是新開發(fā)的基于Windows－XP的版本，應(yīng)用軟件本身也可能有些問題尚未暴露出來。 另外，Ovation系統(tǒng)是服務(wù)器結(jié)構(gòu)的，服務(wù)器要長期讀寫硬盤，使得硬盤碎片、垃圾文件逐漸增多，硬盤空間變小，嚴(yán)重的會造成硬盤出現(xiàn)壞道、壞扇區(qū)，確實(shí)有電廠DCS系統(tǒng)由于硬盤容量不夠，造成服務(wù)器死機(jī)?？刂葡到y(tǒng)中除了服務(wù)器外，更須嚴(yán)格注意歷史數(shù)據(jù)站的軟件運(yùn)行狀態(tài)，因?yàn)闅v史數(shù)據(jù)站對整個控制系統(tǒng)的實(shí)時過程數(shù)據(jù)、報(bào)警、SOE、操作員記錄提供大容量的存儲，使用最為頻繁。 (4) 環(huán)境條件異常是另一重要原因 第一，HVAC系統(tǒng)運(yùn)行狀況。環(huán)境原因引起DCS系統(tǒng)故障也要高度重視。系統(tǒng)內(nèi)有的廠由于空調(diào)制冷情況不好，電子間溫度升高，導(dǎo)致DPU故障發(fā)生切換，如果副DPU也熱壞了，問題就嚴(yán)重了。一般認(rèn)為環(huán)境溫度以19~23℃為宜。過高不好，過低會引起空氣結(jié)露也不好。環(huán)境溫度大于29℃時，柜內(nèi)溫度已比較高，已對DPU構(gòu)成危害。Ovation系統(tǒng)大量采用低功耗元件，發(fā)熱量很小，在一定程度上減輕了對HVAC系統(tǒng)的依賴程度。 第二，電源、柜頂風(fēng)扇運(yùn)行狀況。電源風(fēng)扇和柜頂風(fēng)扇的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是保證DPU正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。在河津電廠對DCS散熱問題是很重視的，每次檢修都專門進(jìn)行檢查、更換處理。在調(diào)試期日本專家也很重視這個問題，由于河津灰塵較大，就對柜頂?shù)娘L(fēng)扇一個一個檢查清掃。#1、#2機(jī)組的DCS系統(tǒng)服務(wù)器放在專門的房間，空間都比較大，散熱效果很好，而DAS服務(wù)器安裝在狹小機(jī)柜內(nèi)，散熱效果差一點(diǎn)，這也是房間內(nèi)DCS計(jì)算機(jī)運(yùn)行情況好的一個原因。現(xiàn)在二期Ovation系統(tǒng)已經(jīng)把所有服務(wù)器隔離在一個專門工作室內(nèi)，DCS系統(tǒng)應(yīng)較一期要聽話多了。 第三，粉塵處理必須注意。當(dāng)然，環(huán)境衛(wèi)生也不可忽視，過多粉塵侵入設(shè)備內(nèi)部會造成芯片散熱差，絕緣下降。在河津電廠#1、#2機(jī)實(shí)際維護(hù)工作中就發(fā)現(xiàn)某些電路板工作不正常，清掃積灰后，一切運(yùn)行良好的情況，也發(fā)生過由于工作站內(nèi)大量積灰，散熱風(fēng)扇損壞，機(jī)箱內(nèi)溫度過高，最終導(dǎo)致硬盤損壞的情況。 (5) DCS系統(tǒng)供電電源十分關(guān)鍵 DCS系統(tǒng)供電電源也是引起DCS故障的一個因素。首先是電源故障，引起DCS系統(tǒng)癱瘓，電源切換時間過長，也會造成DCS死機(jī)(電源切換時間要少于3ms)。電源是DCS系統(tǒng)一個主要干擾源。防止電源干擾主要是要接好地線(接地電阻要小于2歐姆)。DCS系統(tǒng)接地系統(tǒng)不完善是非常容易造成DCS誤信號的，在高電壓、大電源、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境必須重視接地系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)的機(jī)組出現(xiàn)多次不明原因的誤發(fā)信號，這與接地系統(tǒng)不好是有關(guān)系的。Ovation控制器供電有如下特點(diǎn)：①冗余供電；②二級管脈沖給進(jìn)確保了可獲得連續(xù)供電；③對完全AC斷電后連續(xù)輸出32毫秒的保持，是一般DCS供電的兩倍。④選擇最小電位（阻值在1歐姆內(nèi)）接地。 3 加強(qiáng)對Ovation系統(tǒng)的管理 (1) 加強(qiáng)Ovation系統(tǒng)的軟件管理 在DCS系統(tǒng)軟件管理方面要加強(qiáng)。在對DCS系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)時軟件和數(shù)據(jù)庫的備份管理是DCS的一項(xiàng)重要工作，工作人員在做這項(xiàng)工作時要按制度規(guī)定進(jìn)行。重裝或升級軟件時注意完整性。對于雙網(wǎng)卡計(jì)算機(jī)不要忘記確認(rèn)IP地址。對DCS系統(tǒng)設(shè)備要按時檢查，將故障消滅在萌芽之中，防患于未然，提高DCS系統(tǒng)的可靠性，隨時掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，建立故障履歷臺帳，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。 (2) 要加強(qiáng)DCS系統(tǒng)的防干擾措施 DCS系統(tǒng)的防干擾也要引起注意。對講機(jī)、手機(jī)信號對DCS系統(tǒng)的干擾是毋庸置疑的，區(qū)別在于功率的大小和距離的遠(yuǎn)近，雖然《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范書》要求在距電子設(shè)備1．2米以外發(fā)出的工作頻率達(dá)470MHz、功率輸出達(dá)5W的電磁干擾和射頻干擾，應(yīng)不影響系統(tǒng)正常工作。但一般不易確認(rèn)干擾源功率，同時為了確保絕對安全，仍要明文規(guī)定：電子間全部范圍內(nèi)不允許使用任何無線通訊工具，靠近DCS系統(tǒng)的空間內(nèi)限制性使用大功率通訊工具。 (3) 制定DCS故障的預(yù)防措施和應(yīng)急方案 制定合理的檢修周期,配備合適的備品備件,安排適量的檢修人員等是控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基本要求。這里著重提出的是，對于任何廠家的任何版本DCS控制系統(tǒng)，都要制定DCS故障的緊急處理和停機(jī)停爐措施。還有就是要解決Ovation系統(tǒng)計(jì)算機(jī)重啟后I/O初始化的問題及機(jī)組的重要安全操作、保護(hù)要有直通性，尤其是Ovation系統(tǒng)中的鍋爐安全監(jiān)視保護(hù)子系統(tǒng)（FSSS）全部設(shè)計(jì)為軟邏輯，在FSSS系統(tǒng)故障的情況下，應(yīng)確保鍋爐保護(hù)系統(tǒng)中的RB、MFT正常動作。 4 結(jié)束語 綜上，OVATION－XP系統(tǒng)是以PC機(jī)為基礎(chǔ)，基于視窗XP的控制系統(tǒng)，相對專用UNIX版本、工作站類的專利型DCS要易于維護(hù)和使用、但也容易發(fā)生一些故障，而外界因素和使用不當(dāng)是引起DCS發(fā)生故障的主要原因，所以我們使用這套具有高度標(biāo)準(zhǔn)化、開放性的新版DCS系統(tǒng)，就要從設(shè)備和環(huán)境、人員方面著手，采用先進(jìn)技術(shù)手段與加強(qiáng)管理，有效的預(yù)防和減少系統(tǒng)故障，實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。 本篇文章來源于 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