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(jī)組投產(chǎn)時間達(dá)到15年以上，使用大量電子元器件的DCS系統(tǒng)也進(jìn)入了老化和故障頻發(fā)的階段，給火電機(jī)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(tuán)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(jìn)口系統(tǒng)改為國產(chǎn)化系統(tǒng)。由于此前部分國產(chǎn)DCS系統(tǒng)在大型火電機(jī)組的應(yīng)用業(yè)績較少，工程經(jīng)驗相對欠缺。而DCS改造工作相對于新建機(jī)組又存在著顯著的差異，主要包括改造工期較短，調(diào)試任務(wù)重，改造后系統(tǒng)需符合原有的操作習(xí)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(jié)合多臺DCS改造經(jīng)驗，對DCS改造前期技術(shù)準(zhǔn)備、新DCS系統(tǒng)設(shè)計、施工安全與質(zhì)量進(jìn)度管控、DCS性能驗收等方面的關(guān)鍵點進(jìn)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(jī)組的DCS改造提供了可資借鑒的經(jīng)驗。

1 DCS改造設(shè)計原則

1.1 DCS改造硬件設(shè)計原則

DCS改造因遵循控制專業(yè)經(jīng)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(shè)置等細(xì)節(jié)方面進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

1）控制器分散原則

在2003年前后建造的機(jī)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(jī)組安全的風(fēng)險。在后建的機(jī)組中大部分以工藝流程分列劃分控制器，即將A/B側(cè)的設(shè)備劃分到兩個控制器中，控制器故障只造成機(jī)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(zhì)安全的有效措施。

2）卡件分散、獨立原則

在進(jìn)行卡件配置時，應(yīng)當(dāng)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(dǎo)致系統(tǒng)失控，在DEH/MEH系統(tǒng)的轉(zhuǎn)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(jìn)行梳理核對，重新進(jìn)行分散性設(shè)計。

4）重要測點冗余配置原則

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

1.2 DCS改造電纜設(shè)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(shè)計階段估算每個信號電纜長度是否夠長，提前設(shè)計好轉(zhuǎn)接端子。

2）對于重要的保護(hù)和調(diào)節(jié)信號如需要轉(zhuǎn)接，有條件宜進(jìn)行重新敷設(shè)。如進(jìn)行端子轉(zhuǎn)接，應(yīng)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(zhuǎn)接，應(yīng)重視轉(zhuǎn)接電纜是否選型正確，這點在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)管控。

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

1.3 DCS改造邏輯設(shè)計原則

改造機(jī)組的邏輯設(shè)計應(yīng)與原邏輯保持一致，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。對于優(yōu)化部分必須進(jìn)行技術(shù)交底，防止運行操作人員誤操作。

1.4 DCS改造畫面設(shè)計原則

改造機(jī)組的畫面設(shè)計宜與原系統(tǒng)的風(fēng)格、布局保持一致，不宜完全套用其它工程的畫面。采用國產(chǎn)化系統(tǒng)后，應(yīng)對畫面做好漢化工作，提高人機(jī)交互的友好性。值得注意的是，對于設(shè)備啟停的彈出窗口設(shè)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(xí)慣而引起誤操作。

2 前期技術(shù)準(zhǔn)備

各個集團(tuán)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(dǎo)實施的。本集團(tuán)的DCS改造組織方式大都采用以電廠主導(dǎo)，集團(tuán)技術(shù)研究院提供系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)調(diào)試，DCS廠家實行軟硬件組態(tài)，專業(yè)工程隊伍負(fù)責(zé)安裝和單體調(diào)試，第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)進(jìn)行性能驗收的方式。此方式實現(xiàn)了專業(yè)的人做專業(yè)的事，便于業(yè)主方實現(xiàn)DCS改造全方面、全過程管理。

以電廠為主導(dǎo)，要求電廠技術(shù)人員為改造工作提供更多的技術(shù)支持。前期的技術(shù)準(zhǔn)備更是改造工作的基礎(chǔ)，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(chǔ)，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(shè)備誤動等后果。

2）對原邏輯的SCS部分進(jìn)行翻譯，形成每個設(shè)備的聯(lián)鎖單或說明書。該份聯(lián)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(xiàn)“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(shù)規(guī)范書，明確新系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求。對控制器的配置、卡件的數(shù)量和性能指標(biāo)應(yīng)有明確的要求，避免造成低價中標(biāo)引起設(shè)備簡配。

3 新DCS系統(tǒng)設(shè)計、組態(tài)與出廠驗收

3.1 DCS改造系統(tǒng)設(shè)計

DCS系統(tǒng)設(shè)計一般由業(yè)主單位與DCS廠家、設(shè)計單位等多方討論，以設(shè)計聯(lián)絡(luò)會的形式確定軟硬件設(shè)計問題。除了上文提到的設(shè)計原則，設(shè)計階段應(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)系，這個對應(yīng)關(guān)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(fù)段關(guān)系、RTD信號同名端關(guān)系、DI信號公用線的共正共負(fù)關(guān)系等，避免設(shè)計錯誤導(dǎo)致大量返工。

3）對于鍋爐MFT柜、汽機(jī)ETS繼電器柜等硬回路，每個DCS廠家都有各自的設(shè)計，但硬回路中常常存在單點保護(hù)的風(fēng)險，這一點極易忽視。業(yè)主方應(yīng)認(rèn)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(hù)結(jié)構(gòu)的原則。

3.2 DCS改造組態(tài)設(shè)計與實施

1）經(jīng)多年的邏輯優(yōu)化，基建的邏輯說明書與現(xiàn)場的邏輯可能存在較大差異，DCS改造邏輯組態(tài)應(yīng)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(shù)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(xiàn)五花八門的組態(tài)風(fēng)格。解決此問題的有效方法是業(yè)主方應(yīng)事先接受新DCS系統(tǒng)的培訓(xùn)，在掌握新DCS系統(tǒng)的前提下，編制相應(yīng)的技術(shù)交底，說明新舊系統(tǒng)之間的差異以及對應(yīng)關(guān)系，要求廠家以一定的規(guī)則進(jìn)行組態(tài)，便于業(yè)主的后期維護(hù)。

3）組態(tài)過程中應(yīng)重點關(guān)注新舊DCS系統(tǒng)功能塊之間的差異，確保新系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與原系統(tǒng)意義一致。應(yīng)注意部分系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，比如PID參數(shù)采用的比例系數(shù)還是比例帶、流量系數(shù)是在根號內(nèi)還是根號外等。這些細(xì)節(jié)上的差異處置不當(dāng)，可能會直接引起不安全事件。

4）系統(tǒng)內(nèi)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(diào)試工作應(yīng)在DCS系統(tǒng)出廠前完成，到改造現(xiàn)場只進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)原與信號設(shè)備聯(lián)調(diào)，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(diào)試工作提供了必要條件。

1）邏輯畫面驗收：應(yīng)根據(jù)準(zhǔn)備階段編制的聯(lián)鎖單，對邏輯進(jìn)行逐條檢查；同時采用仿真技術(shù)，對邏輯和畫面進(jìn)行驗證，確保邏輯和畫面關(guān)聯(lián)的正確性。

2）硬件驗收：對集成后的DCS硬件進(jìn)行測試，包括IO通道的精度測試，系統(tǒng)控制器、電源、網(wǎng)絡(luò)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(diào)試

DCS改造的現(xiàn)場安裝和調(diào)試階段應(yīng)注意以下幾項事項：

1）進(jìn)度控制：合理科學(xué)地制定工期，以15日新系統(tǒng)上電，30日系統(tǒng)復(fù)原，60日完成改造的目標(biāo)制定日計劃、周計劃，嚴(yán)格按計劃進(jìn)行管控。

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

3）質(zhì)量控制：拆線前對每個信號電纜進(jìn)行標(biāo)簽黏貼，標(biāo)簽中應(yīng)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(jī)柜安裝過程中的絕緣測量、接地阻值測量等質(zhì)檢點驗收工作；做好信號核對工作，信號核對應(yīng)從就地源頭進(jìn)行，防止接線交叉；設(shè)備單體調(diào)試應(yīng)由運行、調(diào)試人員多方簽證，確保每個設(shè)備調(diào)試到位；系統(tǒng)恢復(fù)后，由熱工人員和運行人員共同進(jìn)行設(shè)備聯(lián)鎖試驗，共同確認(rèn)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(quán)威機(jī)構(gòu)對DCS系統(tǒng)基本性能與功能進(jìn)行測試。通過專業(yè)機(jī)構(gòu)的測試，發(fā)現(xiàn)了新系統(tǒng)在軟、硬件上存在的不足，對部分功能進(jìn)行了優(yōu)化整改，部分無法及時整改的要求廠家進(jìn)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(jìn)行了調(diào)試、試驗，包括RUNBACK試驗、一次調(diào)頻試驗、AGC試驗等，確保機(jī)組在異常工況下的安全性以及調(diào)節(jié)性能滿足電網(wǎng)要求。

6 DCS系統(tǒng)存在的問題

通過系統(tǒng)安裝后的調(diào)試以及第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)的測試，發(fā)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)信號剛加入回路的時候會高于標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)出來的測量結(jié)果會有3s～5s的滯后。

2）控制器掉電保護(hù)區(qū)容量較小，容易造成掉電保護(hù)區(qū)飽和后導(dǎo)致控制器無法下載的問題。后經(jīng)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(wǎng)絡(luò)切換試驗單側(cè)交換機(jī)斷電時，發(fā)生多臺同網(wǎng)工程師站、操作員站離線，后經(jīng)排查是計算機(jī)主板上的網(wǎng)口不兼容導(dǎo)致，加裝網(wǎng)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(guān)。

4）控制器和卡件處理能力稍顯不足?？刂破髟?00ms處理周期下進(jìn)行信號自翻轉(zhuǎn)計數(shù)，在控制器切換過程中存在丟包現(xiàn)象?？刂破髟?00ms處理周期下，開關(guān)量采集實時性和模擬量采集實時性未到達(dá)電力行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，此問題后經(jīng)查證主要是通道設(shè)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(jī)交互存在的問題

1）控制器在高負(fù)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(jìn)行引風(fēng)機(jī)RB試驗時，發(fā)現(xiàn)運行側(cè)風(fēng)機(jī)步進(jìn)式動葉指令在上升，但實際開度一直未上升。檢查風(fēng)機(jī)步進(jìn)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(guān)（點2），該脈沖時間設(shè)置為200ms，與控制器執(zhí)行周期一致。分析認(rèn)為控制器可能在任務(wù)繁忙時未執(zhí)行到該邏輯，脈沖時間設(shè)置為400ms后未再出現(xiàn)問題。后續(xù)進(jìn)一步完善了邏輯，在出現(xiàn)該情況下增加了延時復(fù)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(shè)置要求[3]。PID功能塊從使用結(jié)果上看，應(yīng)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(jìn)行優(yōu)化，實現(xiàn)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(fù)數(shù)開方和除法塊分母為零時會導(dǎo)致整張邏輯圖不執(zhí)行，建議廠家進(jìn)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(shè)置不當(dāng)會引起調(diào)節(jié)設(shè)備全開全關(guān)，建議廠家分別設(shè)置兩兩偏差報警偏差限制和控制差設(shè)置，以及單信號偏差報警等功能。

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

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

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

以上問題影響到機(jī)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(jìn)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(jī)組控制系統(tǒng)上普遍存在的問題進(jìn)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(shù)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(hù)。本次改造將這些PLC控制的設(shè)備納入了DCS控制，提高了機(jī)組自動化水平。

2）實現(xiàn)DCS系統(tǒng)信息安全設(shè)備建設(shè)“三同時”。在進(jìn)行項目可研和初設(shè)時充分考慮了DCS系統(tǒng)信息安全設(shè)備的配套投入，部署安全管理中心、邊界防護(hù)裝置和安全計算環(huán)境，滿足等保2.0相關(guān)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(jìn)一步提高系統(tǒng)分散性、可靠性，提高設(shè)備本質(zhì)安全。

4）對就地設(shè)備和測點進(jìn)行優(yōu)化改造。例如將凝泵電機(jī)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(dǎo)波雷達(dá)測點等，將單點保護(hù)改為三取二保護(hù)，整體提高設(shè)備保護(hù)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(jī)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(shù)的變化觸發(fā)聲光報警，解決了很多機(jī)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(xiàn)了大量程液位變化的報警，為其它機(jī)組提供了思路。

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

7）實現(xiàn)空壓機(jī)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(jī)控制可靠性。

8 結(jié)束語

DCS改造工作不同于基建工作，面臨著任務(wù)重、工期短等問題，同時又涉及機(jī)、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(shè)計、系統(tǒng)組態(tài)、設(shè)備安裝與調(diào)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(zhì)量。本文對DCS改造全過程的注意事項進(jìn)行了介紹，以資參考。

對于火電廠儀控人員，在DCS改造后應(yīng)進(jìn)行經(jīng)驗總結(jié)以便提高。同時應(yīng)編制相關(guān)典型操作卡、應(yīng)急預(yù)案等，用于規(guī)范化操作和應(yīng)急操作，防止因DCS改造引起誤操作。