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专题论述

DCS硬件老化成因分析及其对策
信息来源:自动化博览 上传日期:2017-08-10 点击率:160次

摘要:DCS控制系统是发电厂重要的组成部分,对电厂正常运行具有十分重要的作用。随着DCS控制系统应用年限的增加,硬件会加速老化,故障率会明显提升,进而导致设备发生异常,会产生系统性风险,影响发电机组的安全稳定运行。因此电厂在运行过程中应当做好DCS控制系统硬件老化治理的相关工作,避免由此对发电厂设备运行造成不利的影响。本文结合火力发电厂实例对DCS控制系统硬件老化可靠性治理的有关内容进行分析,以供参考。

 

1.硬件老化引发的主要问题

1.1主控单元异常较多,引发的问题较为突出

某电厂机组主控单元共发生故障46次,统计周期为10年(2006~2016年),其中2014年到2016年三年间,共发生主控单元异常17起,占整个统计周期异常次数的37%

这个数据是该电厂在20152016年为了应对DCS故障率偏高,对#1#2#3组协调、给水、凝结水、送引风、脱硝等主要控制站更换了92个主控单元后的统计数据,从以上数据分析,DCS主控单元后三年故障比较集中。

另外从机组主控单元故障的分布来看,#1机组11次,#2机组5次,#3机组10次,#4机组13次,公用系统7次,没有一定的规律性。主控故障主要表现在以下方面:

1)主控单元死机,不能正常切换。

2)主控故障切换短时间内恢复正常。

3)主控状态灯全灭或故障灯变红,主控正常切换。

4)停机后主控手动切换不能正常进行。

5)所有网间通讯变量不能正常通讯。

由于系统内电厂发生主控单元在更换过程中发生机组跳闸的不安全事件,该厂也在处理主控单元异常时,按双主控离线进行措施制订,将主要的设备打在就地,自动运行的设备打在手动位,相关保护全部退出,在执行措施和恢复措施的过程中,或在设备运行的过程中都增加了一些不可控的风险。严重影响了机组的安全稳定运行。

1.2电源模块故障偏多,模块更换风险较大

该电厂机组电源模块共发生故障29次,统计周期是10年,其中2014年到2016年这三年间,共发生电源模块异常11次,主要现象就是RUN灯熄灭,检查结果大部分都是保险丝熔断,故障次数占整个统计周期异常次数的38%

这个数据也是该电厂在20152016年为了应对DCS系统硬件故障率偏高,对#1#2#3组协调、给水、凝结水、送引风、脱硝等主要控制站主控单元所在框架,AO模块、DO模块所在框架更换了196块电源模块后的统计数据。

从以上数据分析,DCS电源模块在统计周期的后三年故障比较集中。

另外从机组故障的分布来看,#1机组10次,#2机组8次,#3机组5次,#4机组2次,公用系统4次,没有一定的规律性。

该厂在处理电源模块异常时,其中主控单元所在框架按双主控离线进行措施制订,将主要的设备打在就地,自动运行的设备打在手动位,相关保护全部退出。

更换AODO模块所在框架电源模块异常时,将受控设备打在就地位。在执行措施和恢复措施的过程中,或在设备运行的过程中都增加了一些不可控的风险,严重影响了机组的安全稳定运行,风险基本上接近主控单元的更换。

1.3新型热电阻卡件兼容性较差,无法在线更换

所有应用的卡件在10年的统计周期内,AI模块故障7次,DI模块故障2次,DO模块故障3次,热电阻卡件发生故障12次,热电阻模块故障的概率较高,而该电厂使用的热电阻卡件为6通道,已经停止生产,目前生产的卡件为8通道,与旧型号卡件之间兼容性较差。

因此,一旦机组热电阻卡件发生故障,在正常运行状态下无法进行卡件的更换,必须在停机状态下进行硬件组态,再进行卡件的更换。各主要辅机的轴承温度都通过热阻卡件实现其保护功能,热电阻卡件的安全性也影响机组的可靠性。

1.4服务器故障率高,机组的操作、报警不能

正常进行

该电厂使用的服务器从PowerEdge2900T610T630 逐步进行升级换型,基本上四年就更换一次。

但在10年的统计周期内,共发生故障22次,主要表现在服务器死机、硬盘故障,负荷率突然升高(5%~70%),历史数据无法收集,部分数据不刷新,严重影响机组的正常操作和设备信息的正常反馈。

2.DCS硬件老化问题的成因

2.1运行时间较长,电子产品进入老化期

在正常环境状态下, 冬季环境温度保持在18℃~22℃;夏季环境温度 保持在24℃~28℃之间;相对湿度保持在40%~70%之间,无凝结状态。

电子产品理论使用寿命年限为10年左右,通常为9年(环境温度下的硬件的寿命为80000小时左右),而该电厂运行时间已经10年,硬件产品已进入老化期。

2.2电子间粉尘较大,影响电子产品的使用寿命

控制室内空气应清洁,其净化要求为尘埃小于0.2mg/m3,该电厂电子间地处我国西北地区,粉尘较大,一个周如果不打扫卫生,地面已有明显积尘。

电路板吸附粉尘,影响电子元器件阻抗,从而影响设备使用寿命,同时粉尘会妨碍设备散热,导致部件温度过高而损坏设备。

2.3定期工作不到位、设备操作流程不规范影响

硬件的可靠性

主控、服务器、操作员站、工程师站不能按时重启,增加计算机内的垃圾文件;滤网不定期更换,风扇不定期清理,会影响机柜的散热,都会增加设备故障的机率。操作流程不规范,比如电源模块电压没有调整在合理的范围内(5.1±0.15V),这对主控单元的正常运行将会造成一定的影响。

另外组态下装不规范,比如操作频繁等,也会导致主控单元异常。

2.4组态软件运行中存在问题也会影响硬件的可

靠性

单元冗余切换判据不全面,容易产生双主控离线。由于软件存在的问题也会影响硬件的可靠性。

3.DCS硬件老化的对策

通过对DCS控制系统硬件老化引起的主要问题分析可知,作为电厂的核心组成部分DCS控制系统在发电运行过程中发挥着十分重要的作用。

但随着设备运行时间的增加,设备老化暴露出来的问题也逐渐显现出来,因此如何切实提高DCS控制系统可靠性已成为了电厂需要迫切解决的主要问题之一。

针对以上情况分析,对电厂系统老化硬件进行必要的更换,以及科学合理改造将极大的降低DCS系统运行的风险,进而为电厂安全稳定运行奠定良好的基础。

3.1选择硬件可靠性高,软件相对成熟地DCS

制系统

火力发电厂在进行DCS控制系统选择的过程中应当对以下几个方面引起高度的重视。

第一,对不同类型DCS的运行情况进行统计分析,为今后DCS系统的选择提供一定的参考。DCS系统在运行初期故障率较高,但是经过一段时间运行磨合之后,DCS系统故障率将会明显下降,且从长期运行情况分析发现,DCS系统通过现场应用后不断改进,其可靠性将会明显提高,因此电厂在进行DCS系统选择的过程中应当进行科学合理的对比分析。

第二,电厂DCS系统对硬件设备的要求较高,尤其是各种各样的电子元器件必须符合电力系统运行基本要求,因此在选择过程中应当对硬件设备按质量标准进行严格的测试,在保证其合理寿命的前提下,也要保证主控单元控制器的存储能力和运行能力满足电力系统运行要求。另外还应当选择可热插拔的电子模件,为今后系统的维护等提供方便。

第三,为了避免DCS系统发生局部故障扩大的现象,在进行系统结构设计的过程中应当应用冗余技术,以实现网络通讯与控制器之间的无扰切换。该技术的应用还可以在一定程度上保证在线排除故障的可操作性,同时也为系统安全性的提高打下坚实的基础。

3.2严格执行施工工艺标准

火力发电厂在确定DCS系统型号之后应当加大对施工工艺执行情况的监督力度,而相关的施工单位应当根据电厂的实际情况制定科学合理的施工设计方案及施工具体计划,同时在施工进行之前应当对DCS系统相关要求进行仔细的研究,合理安排施工进度。

在进行DCS系统调试及安装的过程中,应当对以下几方面的问题引起高度的重视。

第一,提高系统电子设备内部环境标准,保证照明、通风、空调及消防等工作符合相关的要求,尤其是系统内部环境中温度、湿度、清洁度应当严格控制在标准范围以内,避免缩短电子产品的使用寿命。

例如空调系统的安装及使用将会对内部温度进行一定的调节,避免温度过高对系统运行造成影响;在安装空调系统的过程中应当使出风口朝上,避免正对系统控制设备及机柜,以免冷凝水渗入到DCS系统中,进而对内部的电子元件造成损坏;另外应急消防通风系统挡板应密封良好,防止粉尘进入,影响电子产品寿命。

第二,施工人员在铺设电缆的过程中应当保证弱电和强电处于隔离状态,计算机电缆一般应集中放置在电缆桥架的最下面一层。且屏蔽线应保证单点接地,并设立单独的接地柜,接地电阻应满足DCS厂家的要求。

3.3切实改进程序设计和严格按照调试规程进行

调试

为了切实提高火力发电厂DCS控制系统运行的可靠性,技术人员应当对组态程序进行一定的优化处理,并通过对连锁、保护逻辑的判断,利用软件保护和硬件接线保护相结合的方式对设备进行控制,进而提高DCS控制系统的可靠性。

一般情况下,电厂DCS控制系统联锁、保护组态采用的是三取二保护机制,即将开关量与模拟量进行科学合理的结合,在DCS系统设备处于运行安全的前提下,避免系统发生误动作。

DCS控制系统模拟量自动调节系统所使用的信号采用的是三取中保护机制,确保信号准确防止扰动。有时为了防止设备误动,部分10kV设备跳闸接点串联。

另外将功能相同的主要测点分布在不同的卡件,防止卡件故障,导致设备误动或拒动。

同时相关的技术人员在DCS系统在设计、测试、在线调试、投入运行、验收等各个阶段应当进行全程监督,并根据自身的经验,对系统中易发生故障的位置进行严密的监控,一旦系统运行过程中发生故障,应当对故障发生的原因进行详细的分析,及时采取有效的措施,避免故障扩大,影响系统整体运行。

另外技术人员应当对组态软件设计和逻辑控制保护设计等组织专家进行评审,以保证其合理性,避免运行中出现故障,影响电力生产的安全运行。

3.4强化人员技术培训,规范人员操作行为

火力发电厂应当加大对工作人员技术培训的力度,以切实提高其专业素质,保证DCS系统安装的顺利完成。

DCS系统在维护过程中,一旦出现点检不到位或操作失误的情况,将会对DCS系统的应用造成严重的影响,因此维护人员通过培训熟悉DCS的性能,建立标准的作业流程,这样才能保证DCS系统的正常维护,为今后工作顺利开展提供基础。

另外电厂对操作人员技术水平要求较高,尤其是DCS控制系统手动/自动切换、启停设备等常规操作要求较高,因此电厂应当加大对操作人员有关方面的技术培训,建立健全系统操作行为规范,并进行一定的考核,落实事故责任制度,增强操作技术人员的责任意识,这将会在一定程度上降低故障发生率,同时也为DCS系统的运行安全提供保障。

3.5规范日常行为,提高维护水平

DCS系统日常维护要建立授权操作制度,只有经考核合格才能进行对DCS系统日常维护操作,要通过流程制度对DCS系统进行有效管控。

重点要强化计算机病毒管理,DCS系统所有计算机禁止使用U盘,只能通过光盘拷出数据,如果需要拷入数据,经两台以上的计算机杀毒才能使用,避免病毒等对系统造成破坏。

编制DCS点检标准,根据点检标准通过日点检、周点检对设备进行点检,一旦发现系统出现故障,应当立即采取相应的措施,消除故障隐患,保障DCS系统的正常运行。

编制DCS定期工作标准,根据DCS定期工作标准,对系统进行定期备份、定期重启、定期切换、定期更换滤网,提高设备的可靠性。另外机组停运后对备用主控、服务器进行重启,重启正常后进行切换,删除主控单元、服务器的垃圾文件,恢复设备性能。

编制DCS应急处理方案,要以各个DCS机柜为单位,以主控单元为界,编制DCS主控单元故障处理方案,应对DCS硬件、软件异常等突发事件。同时利用机组检修模拟各种卡件异常更换演练,熟悉各种卡件异常工况下设备的运行状态,从而完善应急处置方案。

DCS系统运行可靠性除了规范日常的行为外,还要定期更换部分主要备件,也能提高设备的可靠性。

比如在7年左右为了应对多发的硬件故障,可以先对部分主要控制站的主控单元,以及主要控制站主控单元、主要AO卡件、DO卡件所在框架的电源模块进行更换。5年左右对服务器、操作员站进行更换。订制六通道SM430模块,确保模块故障后能在线更换。通过上述措施暂时解决DCS硬件的安全运行问题。

3.6选择合适的时机进行DCS改造

关于DCS改造的期限没有明确的要求,一般进口DCS系统15年左右进行改造,国产DCS系统12年左右进行改造,但也可根据自己的统计分析结果或通过第三方权威机构对设备进行综合评估,再结合计划检修时间适时对DCS进行改造。

改造重点把握好以下五个阶段的工作。

1)前期准备:重点是规避兄弟电厂存在的问题;对转化后的逻辑、画面进行检查修改;会同相关专业技术人员确定DCS系统改造的开票方式、隔离措施,并明确各个部门相关责任人的职责。

2)机柜卡件安装: 制订卡件安装计划,提前一天会同运行人员进行相关设备隔离,断开继电器柜电源,另外每天开工前,对DO模块接线进行验电,防止人员触电。

3)测点传动、逻辑传动: 制订传动计划,在测点传动,SCS逻辑静态传动的过程中,要同时验证画面是否正确。并组织电科院专业技术人员对MCSRB、一次调频、AGC、协调等逻辑进行检查修改,并进行静态传动(仿真),确保逻辑正确。

4)设备单体调试: 运行人员在单体试运过程中,检修人员要全程参与,验证逻辑画面是否正确。 同时要对主要风机、泵进行动态联锁试验,确保主要设备联锁正常。

5)带负荷逻辑性能测试:MCS、协调逻辑优化,RB,一次调频、AGC试验数据合格。

4.结语

总之,火力发电厂DCS系统经过长时间的运行后,系统硬件老化发生故障的频率会越来越高,进而对整个电厂的安全稳定运行造成严重的影响,因此电厂应根据自身的条件进行系统改造以及相关硬件更换等,以切实降低由系统硬件老化带来的不利影响。

参考文献:

[1] 刘一福. 安徽省火电机组分散控制系统故障分析及建议[J]. 安徽电力,201503.

[2] 张国斌. 电厂分散控制系统改造工厂关键技术分析[J]. 内蒙古电力技术,201601.

摘自《自动化博览》20177月刊

作者简介:

郭志军(1975-),男,陕西神木人,本科,现就职于陕西国华锦界能源有限责任公司,研究方向为火电厂热控设备可靠性研究。

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