DCS在國(guó)內(nèi)大型火力發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用始于上世紀(jì)八十年代后期，到目前為止只有十幾年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。華能?chē)?guó)際電力股份有限公司整套引進(jìn)350MW機(jī)組，投資建設(shè)的南通、上安、大連、福州電廠是國(guó)內(nèi)最早應(yīng)用DCS的電廠。
隨著火力發(fā)電機(jī)組自動(dòng)化水平的不斷提高，單元機(jī)組DCS系統(tǒng)的功能范圍不斷擴(kuò)大。近兩年新建和改造機(jī)組的單元控制室內(nèi)除用于緊急停機(jī)、停爐用的后備手操外，其余操作全部依賴于DCS。因而，由于DCS本身故障引起的跳機(jī)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。所以，如何提高DCS的可靠性作為一個(gè)重要課題擺在了從事熱工自動(dòng)化工作的各位人士的面前。
由于工作關(guān)系，有機(jī)會(huì)到過(guò)三十多家火電廠收資、交流或驗(yàn)收，接觸到應(yīng)用DCS的100～700MW單元機(jī)組近八十臺(tái)，幾乎覆蓋了國(guó)內(nèi)應(yīng)用過(guò)的所有類型的DCS，對(duì)各種類型的DCS發(fā)生的故障有較多的了解，無(wú)論是進(jìn)口DCS，還是國(guó)產(chǎn)DCS
，盡管在原理、結(jié)構(gòu)上迥異，包含的子系統(tǒng)也不一樣多，但都或多或少地出現(xiàn)過(guò)一些相類似的故障，通過(guò)對(duì)典型故障進(jìn)行深入細(xì)致地分析，找出故障的真正原因，舉一反三，制定出防范措施，并正確地實(shí)施，可以很好地防止此類DCS故障的重復(fù)發(fā)生。本文列舉了幾個(gè)典型的DCS故障案例，供從事熱工技術(shù)管理及檢修人員參考。
二、案例1：控制器重啟引發(fā)機(jī)組跳閘
2.1 事件經(jīng)過(guò)
2001年11月1日，A電廠4號(hào)機(jī)組停機(jī)前有功負(fù)荷270MW，無(wú)功96MVar，A、B勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自動(dòng)并列運(yùn)行，手動(dòng)50Hz柜跟蹤備用。
14時(shí)26分，事故音響發(fā)出，發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)、勵(lì)磁開(kāi)關(guān)跳閘，"調(diào)節(jié)器A柜退出運(yùn)行"、"調(diào)節(jié)器B柜退出運(yùn)行"等報(bào)警信號(hào)發(fā)出，機(jī)組解列。對(duì)ECS控制系統(tǒng)檢查、試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)#14控制器發(fā)生故障已離線，與之冗余的＃34控制器發(fā)生重啟，更換了#14和＃34控制器主機(jī)板后，機(jī)組重新啟動(dòng)，不久，發(fā)變組與系統(tǒng)并列。
2.2 原因分析
根據(jù)歷時(shí)數(shù)據(jù)分析，13時(shí)31分，#14控制器硬件故障而離線運(yùn)行，熱備用的#34控制器自動(dòng)由輔控切為主控。14時(shí)26分，#34控制器由于通訊阻塞引起"WATCHDOG"誤判斷，致使控制器重啟。由于控制器控制勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的方式為長(zhǎng)信號(hào)，沒(méi)有斷點(diǎn)保護(hù)功能，#34控制器重啟后，不能自動(dòng)回到斷點(diǎn)前的狀態(tài)，導(dǎo)致A、B調(diào)節(jié)器自動(dòng)退出運(yùn)行，手動(dòng)50Hz柜自動(dòng)投入。由于發(fā)電機(jī)失磁，發(fā)電機(jī)端電壓下降，導(dǎo)致廠用電源電壓降低，手動(dòng)50Hz柜輸出電壓繼續(xù)降低，手動(dòng)50Hz柜投入后發(fā)電機(jī)沒(méi)有脫離失磁狀態(tài)，直至切除勵(lì)磁裝置，造成發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)動(dòng)作，發(fā)電機(jī)出口開(kāi)關(guān)跳閘。
#14控制器和#34控制器控制發(fā)變組設(shè)備，包括廠用電切換的備自投繼電器接點(diǎn)BK，#34控制器重啟后，BK自動(dòng)復(fù)位，繼電器接點(diǎn)斷開(kāi)，BK投到退出位置，造成6KV電源開(kāi)關(guān)6410、6420開(kāi)關(guān)自投不成功。
2.3 防范措施
將故障控制器更換。后來(lái)制造廠確認(rèn)這一批主板晶振存在問(wèn)題，同意免費(fèi)更換，利用停機(jī)機(jī)會(huì)更換4號(hào)機(jī)組所有控制器主板。
增加任一控制器、I/O卡、通訊卡離線報(bào)警功能。
程序內(nèi)部"WATCHDOG"的時(shí)間設(shè)置太短，易造成誤判斷，對(duì)所有控制器進(jìn)行軟件升級(jí)。
調(diào)節(jié)器AQK、BQK方式開(kāi)關(guān)和廠用電備自投BK開(kāi)關(guān)組態(tài)圖增加斷點(diǎn)保護(hù)功能，防止控制器自啟動(dòng)后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器和廠用電自投開(kāi)關(guān)退出運(yùn)行。
檢查ECS系統(tǒng)的所有組態(tài)，對(duì)存在以上問(wèn)題的邏輯進(jìn)行修改。
聯(lián)系調(diào)節(jié)器廠家，使調(diào)節(jié)器內(nèi)部可以作到運(yùn)行狀態(tài)自保持，將控制器控制調(diào)節(jié)器的方式改為短脈沖信號(hào)控制。
在ECS內(nèi)增加手動(dòng)50Hz柜輸出電壓自動(dòng)跟蹤功能。
三、案例2：在線傳代碼致使機(jī)組解列
3.1 事件經(jīng)過(guò)
2002年7月12日，B電廠＃5機(jī)組監(jiān)盤(pán)人員發(fā)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷從552MW迅速下降，主汽壓力突升，汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)度，由原來(lái)的20%關(guān)閉到10%并繼續(xù)關(guān)閉，高調(diào)門(mén)繼續(xù)迅速關(guān)閉至0%，機(jī)組負(fù)荷降低至5MW，運(yùn)行人員被迫手動(dòng)緊急停爐，汽輪機(jī)跳閘，發(fā)電機(jī)解列。
3.2 原因分析
DCS與汽輪機(jī)控制系統(tǒng)分別由兩家國(guó)外公司制造，兩系統(tǒng)差異較大，通訊問(wèn)題沒(méi)有很好地解決，存在一些難以消除的缺陷。熱控人員在DCS工程師站上向負(fù)責(zé)DCS與汽輪機(jī)控制系統(tǒng)通訊的PLC傳送通訊代碼時(shí)，DCS將汽輪機(jī)閥位限制由正常運(yùn)行中的120%修改為0.25%，造成汽機(jī)1、2、3號(hào)調(diào)門(mén)由20%關(guān)閉至0%，機(jī)組負(fù)荷由552MW迅速降至5MW。
3.3 防范措施
機(jī)組運(yùn)行期間，禁止DCS傳代碼工作。
機(jī)組停運(yùn)期間，DCS傳代碼時(shí)，應(yīng)經(jīng)運(yùn)行班長(zhǎng)同意，并做好安全措施。
將DCS操作員站對(duì)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)操作員站畫(huà)面進(jìn)行操作的功能閉鎖，但在DCS操作員站上仍能監(jiān)視到汽輪機(jī)控制系統(tǒng)的信息。
四、案例3：DCS工作站時(shí)鐘混亂引發(fā)DCS失靈
4.1事件經(jīng)過(guò)
2001年 8月3日，C電廠2號(hào)機(jī)組負(fù)荷200MW，#1至#9控制器處于控制方式，#51至#59控制器處于備用方式。8時(shí)23分，各控制器依次發(fā)NTP報(bào)警，歷史站報(bào)警窗口顯示如下：
Aug 3 08：23：50 drop7 ＜7＞ NTP：too many recvbufs allocated（30）
Aug 3 08：23：50 drop4 ＜7＞ NTP：too many recvbufs allocated（30）
………
8時(shí)26分，#2控制器脫網(wǎng)，#52控制器切為主控；11時(shí)05分，#52控制器脫網(wǎng)；13時(shí)39分，#7控制器脫網(wǎng)，#57控制器切為主控，在#7控制器向#57控制器切換瞬間，由該控制器控制的A、B磨煤機(jī)跳閘；15時(shí)11分，#9控制器脫網(wǎng)，#59控制器切為主控，在#9控制器向#59控制器切換瞬間，由該控制器控制的E磨煤機(jī)跳閘；15時(shí)51分，#1控制器脫網(wǎng)，#51控制器切為主控，在#1控制器向#51控制器切換瞬間，由該控制器控制的A引風(fēng)機(jī)動(dòng)葉被強(qiáng)制關(guān)閉。
15時(shí)22分，重啟操作員站drop213（備用時(shí)鐘站），NTP報(bào)警未消失；15時(shí)35分，重啟歷史站，NTP報(bào)警未消失；15時(shí)59分，重啟工程師站（主時(shí)鐘站），NTP報(bào)警基本消失；16時(shí)09分，重啟歷史站，16時(shí)30分，系統(tǒng)恢復(fù)正常。
4.2 原因分析
NTP軟件的作用就是維持網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘的統(tǒng)一，主時(shí)鐘設(shè)置在工程師站上，備用時(shí)鐘設(shè)置在操作員站上。控制器脫網(wǎng)原因?yàn)橹鲿r(shí)鐘與備用時(shí)鐘不同步造成系統(tǒng)時(shí)鐘紊亂，從而造成NTP報(bào)警導(dǎo)致控制器脫網(wǎng)。
NTP故障的原因有兩種可能，一種是主頻為400MHz工作站，不同于1號(hào)機(jī)組的270MHz(SUN公司在400MHz工作站上對(duì)操作系統(tǒng)有較大改進(jìn))工作站，2號(hào)機(jī)組所用的1.1版本軟件在400MHz工作站上未測(cè)試過(guò)，不能確保1.1版本軟件在此配置上不出問(wèn)題。另一種是主時(shí)鐘與備用時(shí)鐘不同步，在8月3日控制器脫網(wǎng)后，曾發(fā)現(xiàn)Drop214的時(shí)鐘比其它站快了2秒, 當(dāng)時(shí)Drop214的畫(huà)面調(diào)用速度較慢，經(jīng)重啟后正常，并且NTP時(shí)鐘報(bào)警是在系統(tǒng)運(yùn)行73-75天左右才出現(xiàn)的，估計(jì)是系統(tǒng)時(shí)鐘偏差積累到一定程度后導(dǎo)致主、備時(shí)鐘不同步，而引起系統(tǒng)時(shí)鐘紊亂，最終導(dǎo)致控制器脫網(wǎng)。
NTP時(shí)鐘故障使控制器脫網(wǎng)，處理不及時(shí)會(huì)使報(bào)警的控制器依次脫網(wǎng)，從而導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)癱瘓。
4.3 防范措施
根據(jù)本次故障現(xiàn)象，制造商將軟件由1.1版本升級(jí)為1.2版本。
為確保控制系統(tǒng)可靠運(yùn)行，定期重啟主時(shí)鐘和備用時(shí)鐘站。
D電廠5號(hào)機(jī)組在2002年試運(yùn)期間曾發(fā)生DCS時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘不同步，引發(fā)DCS操作員站失靈事件。由于網(wǎng) 上傳送的數(shù)據(jù)均帶時(shí)間標(biāo)簽，時(shí)鐘紊亂后會(huì)給運(yùn)行機(jī)組帶來(lái)嚴(yán)重后果，基本情況與C電廠2號(hào)機(jī)組類似。采取的措施是暫時(shí)斷開(kāi)GPS時(shí)鐘，待軟件升級(jí)和問(wèn)題得到根本解決后，再恢復(fù)GPS時(shí)鐘。
五、案例4：CABLETRON集線器總通訊板故障導(dǎo)致MFT誤動(dòng)
5.1 事件經(jīng)過(guò)
2002年 1月1日，E電廠1號(hào)機(jī)組負(fù)荷250MW，#51至#59控制器處于控制方式，#1至#9控制器處于備用方式，A、B、C、E、F磨煤機(jī)運(yùn)行。18時(shí)57分，所有磨煤機(jī)跳閘（直吹爐），MFT動(dòng)作，機(jī)組跳閘。
5.2 原因分析
經(jīng)分析，確認(rèn)是DCS集線器的總通訊板故障，導(dǎo)致連在其上的所有控制器同時(shí)發(fā)生切換，在控制器向備用控制器切換過(guò)程中，#57、#58、#59控制器PK鍵信號(hào)誤發(fā)（這三個(gè)控制器屬FSSS系統(tǒng)），即CRT上"磨煤機(jī)跳閘按鈕"的跳閘和確認(rèn)指令同時(shí)發(fā)出，使所有磨煤機(jī)跳閘，導(dǎo)致MFT動(dòng)作。
5.3 防范措施
CABLETRON集線器屬于早期產(chǎn)品，目前在市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)備件已比較困難，采用CISCO集線器來(lái)取代CABLETRON集線器。
六、案例5：冗余控制器失靈造成機(jī)組跳閘
6.1 事件經(jīng)過(guò)
2003年3月23日，F(xiàn)電廠＃3機(jī)組停機(jī)前電負(fù)荷115MW，爐側(cè)主汽壓9.55MPa，主汽溫537℃，主給水調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度43%，旁路給水調(diào)節(jié)門(mén)開(kāi)度47%（每一條給水管道均能滿足100%負(fù)荷的供水），汽包水位正常；其它各參數(shù)無(wú)異常變化。
監(jiān)盤(pán)人員發(fā)現(xiàn)鍋爐側(cè)部分參數(shù)顯示異常，各項(xiàng)操作均不能進(jìn)行，同時(shí)爐側(cè)CRT畫(huà)面顯示各項(xiàng)自動(dòng)已處于解除狀態(tài)。調(diào)自檢畫(huà)面發(fā)現(xiàn)#3控制器離線，#23控制器處于主控狀態(tài)。運(yùn)行人員立即聯(lián)系熱工人員處理，同時(shí)借助汽機(jī)側(cè)CRT畫(huà)面監(jiān)視主汽壓、主汽溫，并對(duì)汽包電接點(diǎn)水位計(jì)和水位TV加強(qiáng)監(jiān)視，主汽壓在9.0～9.6MPa波動(dòng)、主汽溫在510～540℃波動(dòng)、汽包水位在+75～-50mm波動(dòng)，維持運(yùn)行。
幾分鐘后，熱工人員趕到現(xiàn)場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)#3控制器離線、#23控制器為主控狀態(tài)，但#23控制器主控下的I/O點(diǎn)（汽包水位、主汽溫、主汽壓、給水壓力、等）均為壞點(diǎn)，自動(dòng)控制手操失靈。經(jīng)過(guò)多次重啟，#3控制器恢復(fù)升為主控狀態(tài)。在釋放強(qiáng)制的I/O點(diǎn)時(shí)，監(jiān)盤(pán)人員發(fā)現(xiàn)汽包水位急劇下降，就地檢查發(fā)現(xiàn)旁路給水調(diào)節(jié)門(mén)在關(guān)閉狀態(tài)，手動(dòng)搖起三次均自動(dòng)關(guān)閉，汽包水位TV和顯示表監(jiān)視不到水位，手動(dòng)停爐、停機(jī)。
6.2 原因分析
根據(jù)能追憶到的歷史記錄分析，可以推斷#3控制器（主控）故障前，#23控制器（輔控）因硬件故障或通訊阻塞，已經(jīng)同I/O總線失去了通訊。當(dāng)#3控制器因主機(jī)卡故障離線后，#23控制器升為主控，但無(wú)法讀取I/O數(shù)據(jù)，造成參與汽水系統(tǒng)控制的一對(duì)冗余控制器同時(shí)失靈，給水自動(dòng)控制系統(tǒng)失控，汽包水位保護(hù)失靈。在新更換的＃3控制器重啟成功后釋放強(qiáng)制點(diǎn)的過(guò)程中，DCS將旁路給水調(diào)節(jié)門(mén)指令置零（邏輯如此設(shè)計(jì)是為了在控制器故障時(shí)，運(yùn)行機(jī)組向更安全的方向發(fā)展），關(guān)閉旁路調(diào)節(jié)門(mén)。而旁路調(diào)節(jié)門(mén)為老型號(hào)的閥門(mén)，相當(dāng)于解除了自保持的電動(dòng)門(mén)（接受脈沖量信號(hào)），切手動(dòng)時(shí)不能做到電氣脫扣，因此，緊急情況下不能順利打開(kāi)，造成汽包缺水。
6.3 防范措施
更換#3、#23控制器主機(jī)板，同時(shí)考慮增加主機(jī)板的備品儲(chǔ)備。
增加通訊卡，使控制器與I/O卡之間的通訊為冗余的。
對(duì)所有控制器、I/O卡、BC卡的通訊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，增加脫網(wǎng)邏輯判斷功能，生成報(bào)警點(diǎn)并進(jìn)行歷史記錄。一旦控制器工作異常，可及時(shí)報(bào)警并處理。
增加控制器超溫報(bào)警功能，在控制器出現(xiàn)故障之前可以采取措施，將事故消滅在萌芽之中。
汽包水位等重要調(diào)節(jié)、保護(hù)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，一般應(yīng)為三路相互獨(dú)立的信號(hào)，通過(guò)分流器將這三路信號(hào)變成六路信號(hào)，分別進(jìn)六塊端子板和AI卡件，送入兩對(duì)控制器，一對(duì)控制器用于調(diào)節(jié)、保護(hù)，另一對(duì)控制器只參與保護(hù)。這樣可以很好地解決一對(duì)冗余的控制器同時(shí)故障時(shí)，重要保護(hù)失靈的問(wèn)題。
更換重要自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使之具有完善的操作功能。
DCS失靈時(shí)，若主要后備硬手操或監(jiān)視儀表不能維持正常運(yùn)行，運(yùn)行人員應(yīng)立即停機(jī)、停爐。
關(guān)閉MIS系統(tǒng)接口站中的所有硬盤(pán)共享功能，確保DCS系統(tǒng)同MIS系統(tǒng)只具備單向通訊功能。
七、結(jié)束語(yǔ)
以上案例只是在一定范圍內(nèi)發(fā)生的DCS故障的幾個(gè)比較典型案例，即使將這些案例的反措全部應(yīng)用到每套DCS中去，也不能避免DCS故障的再次發(fā)生。在更大范圍內(nèi)，由DCS故障引發(fā)的停機(jī)事件也不會(huì)太少，有些事件肯定會(huì)涉及到控制器負(fù)荷率高、網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷率高等問(wèn)題，由于目前還沒(méi)有有效的手段監(jiān)測(cè)控制器負(fù)荷率和網(wǎng)絡(luò)通訊負(fù)荷率，找出這類事件的根本原因還有一定的難度，因此，消除這類缺陷也比較困難。
要防止各類事故的發(fā)生，必須從源頭-DCS的設(shè)計(jì)和制造抓起，將國(guó)內(nèi)應(yīng)用的各種類型的DCS發(fā)生過(guò)的故障情況反饋到有關(guān)部門(mén)，由有關(guān)部門(mén)召集專家進(jìn)行分析研究，制定出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、制度和反措，強(qiáng)制執(zhí)行，并形成一個(gè)大的閉環(huán)質(zhì)量控制體系，長(zhǎng)期良性循環(huán)
滬公網(wǎng)安備31010802001143號(hào)
