DCS系统在机炉自动控制中的应用及运行维护和故障处理.doc

DCS系统在汽机、锅炉自动控制中的应用
及运行维护和故障处理
热电车间仪表:李 鸣 2006 .11.24
摘　　要：本文对DCS系统在汽机、锅炉自动控制中的应用的工作原理、软硬件体系结构、基本控制方案、控制逻辑作了一个概要说明，并着重介绍了，系统的运行管理、维护及故障处理。
一、DCS系统的发展和简述：DCS集散系统:英文全称DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM ,中文全称为集散型控制系统，他是计算机技术和自动化技术发展的结果。火电机组的控制方式综合地反映自动化水平的高低，早期的火电厂机组热工自动化水平低，主要采取的是分散就地操作方式，监视与操作分散在现场，这种控制方式只适应低参数，小容量的机组，劳动强度大，安全性差。60年代将电子计算机技术用于火电厂的监视和控制，出现了机、炉、电集中控制；70年代初开发了可编程控制装量(PLC)；80年代随着控制技术，计算机技术，通讯技术和CRT技术等高新技术的发展，国外发展了微机分散控制系统(DCS)并陆续应用到火电厂；90年代由于微处理器及其超大规模集成电路技术的发展，DCS随着计算机技术，容错技术和人机接口技术，窗口技术，交互图形的出现，以及标准化的数据通讯网络和人工智能的发展，为DCS向综合化、开放化发展，DCS在国内的电力、石化、食品等行业的普遍应用。它具有通用性强，系统组态灵活，控制功能完善数据处理方便，显示操作集中，人机界面友好，安装简单规范化，调试方便，运行可靠的特点。随着我国电力行业火电厂机组容量不断增大，参数不断提高，为DCS的应用创造了广阔天地； DCS系统的广泛使用，为火电厂机组安全经济运行提供了有力保障。目前火电厂机组DCS控制系统已成为普遍的设备，无论是大机组还是供热的小机组，应用越来越广泛，相应的对其设备的日常维护工作也需要热控工作人员改变原来的思维方式，适应现代化发展的需要。
本厂热电车间在10.2万吨项目的热电机组中也采用了DCS系统的应用, 我厂使用的是浙大中控公司的WebField JX-300X系统，组态监控软件为：AdvanTrol-X3.16。下面就近一年多来本车间DCS系统的应用及运行管理维护和故障处理进行阐述。

二、系统结构：

一).硬件结构：
JX-300X系统由工程师站、操作员站、控制站、过程控制网络等组成：
1. 工程师站是为专业工程技术人员设计的，内装有相应的组态平台和系统维护工具。
2. 操作员站是由工业PC机、显示器（CRT或LCD）、键盘、鼠标、打印机等组成，是操作人员完成过程监控管理任务的环境。
3. 主控制站是系统中的控制I/O处理单元，完成整个工业过程的现场数据采集及控制。
4. 过程控制网络SCnet Ⅱ实现工程师站、操作员站、控制站的连接，完成信息、控制命令等传输。
5．系统采用双重化冗余设计，系统的安全性高、信息传输安全、高速。

原理图如下：
过程设备

汽机
操作员站
汽机
操作员站
锅炉
操作员站
锅炉
操作员站
机炉
工程师站
1号
主控制站
2号
主控制站
上位机

锅炉
过程设备
汽机
过程设备
SCnet Ⅱ网络
SBUS总线
下位机

1．硬件：下位机（主控卡；I/O卡件；数据转发卡；通讯卡）, 上位机（工程师站；操作员站）；过程设备。
2．过程控制网络SCnet Ⅱ采用1∶1冗余的工业以太网TCP/IP的传输协议，议通讯速率为100Mbps。
3．主控制站内，通过SBUS总线连接主控卡、数据转发卡、I/O卡、通讯卡；议通讯速率为100Mbps。
4．系统中控制站2个（锅炉汽机各1个）、机笼25个、通讯卡1个（电机电流信号输入）、DCS机柜 3个、继电器柜1个、工程师站1个、操作员站4个（锅炉汽机各2个）。
5．开关量（DI）和模拟量（AI）直接接入DCS机柜I/O卡接线端子上；开关量输入为无源干触点DCS系统I/O卡提供DC24V查询电压；两线制仪表变送器的DC24V电源由I/O卡馈电提供。模拟量（AO）直接由DCS机柜I/O卡接线端子上输出，开关量（DO）由DCS机柜I/O卡输出接入继电器柜转接端子，通过继电器隔离输出。
6. 电机电流信号由电气智能终端通讯接口RS232连接通讯卡输入。
7．冗余设计：
1）.系统供电采用双重冗余，一路为市电供电，另一路为UPS电源供电（一个山特6KVA/1H的UPS）。
2）.控制网络SCNETⅡ，控制站CPU，机笼中数据转发卡， I/O卡件均采用冗余设计，操作站和工程师站负为冗余，都可对设备运行控制。
目前本系统采用的控制方案是：整个汽机、锅炉系统采用DCS控制，只有少数几个重要参数和停机、炉等操作有常规仪表设备显示和控制。在该方案中DCS实现DAS、MCS、SCS、TSI、HSR等控制内容。
监控全部在DCS上实现，包括汽机、锅炉部分的所有电机启仃、电动阀、调节阀的操作和联锁，除氧器、辅机部分的监视、控制、联锁功能也由DCS实现。
2.2 软件控制方案:
1． 锅炉自动控制
1). DAS: 锅炉设备数据采集和处理(显示、记录、报警、趋势、历史数据的存储和检索)。
2). MCS: 锅炉设备模拟量控制
a). 汽包水位控制：为克服"虚假水位"现象对给水控制系统造成的不利影响，给水控制系统采用的自动或手动切换到三冲量串级调节系统或三冲量物质平衡计祘调节系统。一般在负荷大于30％时采用由汽包水位、给水流量和主蒸汽流量组成的三冲量串级控制系统来调节给水阀门，在此控制系统中，汽包水位信号经补偿后与汽包水位的设定值偏差作为主调节器的输入信号，主蒸汽流量信号经温度、压力补偿修正后，与给水流量信号一起作为副调节器控制系统的输入信号，给水流量为喷水减温水流量信号后的总给水流量。测量汽包水位的变送器为二冗余。当有一路水位信号故障时，可由运行人员决定采用另一路信号进行调节运算。

汽包压力 汽包水位 给水流量 主蒸汽流量
PTTTT
△
K
∫
≮≯
TR
A
△
K
∫
≮≯
TR
A/M
T
f(x)
ZT
FTTTT
△
K
∫
≮≯
TR
A/M
T
f(x)
ZT
LT
FTTTT
f(x)
∑

＋

汽包水位设定值
＋ +

＋

汽包水位控制系统

　　2) 主蒸汽温度控制：主蒸汽温度控制系统采用串级控制系统。主蒸汽温度测量值作为主调节器的反馈输入值，与主蒸汽温度设定值进行PID运算后送入副调节器，在副调节器中与减温器出口汽温进行PID控制运算，其运算结果经限幅后送至执行机构，调节喷水减温水阀门。由于主蒸汽流量变化时，喷水量应相应地发生变化，故在主蒸汽温度控制系统中把主蒸汽流量信号以前馈形式引入控制系统中。

主蒸汽流量 减温器出口蒸汽温度 过热器出口蒸汽温度
f(x)
TTT
FT
TT
△
K
∫
≮≯
TR
∑
△
K
∫
≮≯
TR
A
A/M
T
f(x)
ZT

T0

主蒸汽温度控制系统结构图
3). SCS功能:
电动机启仃、远控电动阀和电动调节阀控制:
a).一般参数控制 :为AO卡 + 一体化电动调节阀
原理图如下：
DCS系统AI卡
4~20Ma输出

一体化电动调节阀
DCS系统AO卡
4~20Ma输入

阀位反遗

控制输出

b). 重要参数控制:为AO卡 + 硬手操器 + 一体化电动调节阀
原理图如下：
DCS系统AI卡
4~20Ma输出

硬手操器

一体化电动调节阀
DCS系统AO卡
4~20Ma输入

控制输出

控制输出

阀位反遗

阀位反遗

C) ..电动机启仃、电动阀控制: 为AO卡 + 固态继电器 + 远控电动调节阀或电机
原理图如下：

远控电动调节阀或电动机
DCS系统DI卡
正/反电平输出

固态继电器
正/反电平
正/反转
DCS系统DO卡
正/反电平输入
状态反遗
启仃
启仃电平
电平

远控电动调节阀或电动机
锅炉MFT联锁功能控制：
汽包水位异常

床温高
引风机跳闸
一次风机跳闸
总风量小
床温低
炉膛负压
PI127/126
手动停炉
MFT复位
总联锁切投
MFT停炉
设置
设置
设置
设置
风机联锁切换
紧急放水门
联锁切换

MFT联锁动作图
2． 汽机自动控制
1) ..DAS: 汽机设备数据采集和处理(显示、记录、报警、趋势、历史数据的存储和检索)。
2).. MCS: 汽机设备模拟量控制
a) 凝汽器水位控制：采用常规PID控制, 凝汽器水位测量值与给定值的偏差值进行PID运祘,其运祘结果经限幅后送至执行机构调节凝汽器水位调节阀门开度,维持凝汽器水位的恒定。控制方式可采用的自动或手动切换。
凝汽器热井水位
LT
△
K
∫
≮≯
TR
A
A/M
T
f(x)
ZT

凝汽器水位给定值指令
＋

图（1） 凝汽器水位控制系统
b) 除氧器水位控制：采用常规PID控制, 除氧器水位测量值与给定值的偏差值进行PID运祘,其运祘经限幅后送至执行机构调节除氧器进水调节阀门开度,维持除氧器水位的恒定。控制方式可采用的自动或手动切换。
除氧器水位测量值
LT
△
K
∫
≮≯
TR
A
A/M
T
f(x)
ZT

除氧器水位给定值指令
＋

图（7） 除氧器水位控制系统

c) 除氧器压力控制：采用常规PID控制, 除氧器压力测量值与给定值的偏差值进行PID运祘,其运祘结果经限幅后送至执行机构调节除氧器进汽调节阀门开度,维持除氧器压力的恒定。控制方式可采用的自动或手动切换。
除氧器压力测量值
PT
△
K
∫
≮≯
TR
A
A/M
T
f(x)
ZT

除氧器压力给定值指令
＋

图（7） 除氧器压力控制系统
d) 减温减压器出口压力控制：采用常规PID控制, 减温减压器出口压力测量值与给定值的偏差值进行PID运祘,其运祘结果经限幅后送至执行机构调节减温减压裝置出口压力调节阀门开度,维持减温减压器出口压力的恒定。控制方式可采用的自动或手动切换。
减温减压器出口压力测量值
PT
△
K
∫
≮≯
TR
A
A/M
T
f(x)
ZT

给定值指令
＋

图（8） 减温减压装置出口压力控制系统

e) 减温减压器出口温度控制：采用常规PID控制, 减温减压器出口温度测量值与给定值的偏差值进行PID运祘,其运祘结果经限幅后送至执行机构调节减温减压裝置出口蒸汽喷水减温水调节阀门开度,维持减温减压器出口温度的恒定。控制方式可采用的自动或手动切换。
减温减压装置出口温度测量值
TT
△
K
∫
≮≯
TR
A
A/M
T
f(x)
ZT

给定值指令
＋

图（9） 减温减压装置出口温度控制系统
3). SCS功能:
电动机启仃、远控电动阀和电动调节阀控制:
a).一般参数控制 :为AO卡 + 一体化电动调节阀
原理图如下：

DCS系统AI卡
4~20Ma输出

一体化电动调节阀
DCS系统AO卡
4~20Ma输入

阀位反遗

控制输出

b). 重要参数控制:为AO卡 + 硬手操器 + 一体化电动调节阀
原理图如下：

DCS系统AI卡
4~20Ma输出

硬手操器

一体化电动调节阀
DCS系统AO卡
4~20Ma输入

控制输出

控制输出

阀位反遗

阀位反遗

C) ..电动机启仃、电动阀控制: 为AO卡 + 固态继电器 + 远控电动调节阀或电机
原理图如下：

DCS系统DI卡
正/反电平输出

固态继电器
正/反电平
正/反转
DCS系统DO卡
正/反电平输入
状态反遗
启仃
启仃电平
电平

远控电动调节阀或电动机

汽机TSI联锁功能控制：
润滑油压<0.02MPa
扳警信号 首出记忆汽机电超速

汽机油压超速

轴向位移>1.0mm
真空<0.06 MPa
推力轴回温>75C
EDH故障
手动紧急停机
总联锁切投
TSI关主汽门
扳警复位
油泵联锁切投投
手动停机

支持轴回温>75C
高压油泵
交流油泵
直流油泵

汽机TSI联锁动作图1

主汽门关闭门
1号抽汽逆联锁门
2号抽汽逆联锁门
手动关
手动开
手动开
油开关跳阐
主汽门关闭门
切投
切投
手动关
油开关跳阐

汽机TSI联锁动作图2
三、DCS系统的运行维护
DCS的维护方式可分为两种：1.事后应急维护（系统发生故障后进行的处理维护）；2.预防性维护 （系统未发生故障前所进行的预防性维护）。事后维护发生在故障产生之后，往往已造成系统停车并对生产造成不良影响；相反预防性维护是在系统正常运行时，对系统进行的有计划定期维护。定期维护与应急维护相结合,及时掌握系统运行状态、消除系统故障隐患、保证控制系统长期稳定可靠地运行。
3.1 DCS系统维护形式：
DCS系统维护形式可分为专业性维护和运行日常维护两种。
3.1.1 专业性维护：
专业性维护是指由专业维护工程师实施的维护工作,专业维护工程师是指经过DCS专门培训并认为合格的维护工程师。他们掌握了DCS厂家所生产系统的专业维护技术，并具有专业的维护设备及手段。
维护工程师的维护形式有两种 ：
一） 定期维护：DCS使用用户按照计划在装置检修时，有关专业维护工程师进行的维护工作，其主要内容有 ：
1) 对DCS设备进行分解，清扫除尘；
2) 对硬件、网络、电源、接地的接线、插件进行检查，保证有正常的接触；
3) 对DCS系统进行功能测试；
a.冗余测试：正常的冗余互为热备用，冗余设备可分别切到工作状态，并进行正确的数据处理。
卡件冗余测试：通过带电插拔互为冗余的卡件的工作卡，以检查冗余是否正常；
通讯冗余测试：通过断开冗余通信线中的任一路，检查操作站数据刷新、操作输出是否正确；
b. 对DCS系统的控制联锁功能作动作试验确认；确保系统的控制联锁功能作动正确。
4) 将检查结果和处理情况以报告的形式备份存挡。
二）应急维护: DCS控制系统在运行期内发生异常时专业维护工程师进行的现场应急维护工作。
专业维护工程师在DCS控制系统发生异常出现故障现象后，应首先向运行人员问清故障发生的过程及有关情况,对设备故障进行分析判断找出故障原因，进行正确的处理及现场修复。有时亦可根据设备的故障情况用电话或传真的形式请教或要求DCS厂家指导专业维护工程师进行处理。
3.1.2 运行日常维护。
1）设备的巡视检查：工控机、显示器、鼠标、键盘、打印机等硬件是否完好；
2）实时监控工作是否正常，包括数据刷新、各功能画面的操作是否正常；
3） 查看故障诊断画面是否有故障提示；控制柜内卡件是否工作正常，有无故障显示（FAIL灯亮）
4）电源箱是否工作正常，电源风扇是否工作，5V、24V指示灯是否正常,UPS电源是否工作正常；
5）设备的卫生清理：保持设备的清洁，防灰防水；
6) 保证空调设备稳定运行，避免由于温度、湿度急剧变化导致在系统设备上的凝露。
四、常见故障及处理
    4.1 过程通道故障:过程通道故障出现最多的是I／O卡故障,I／O卡故障一般的判断与处理，通过系统诊断，更换通道或通过更换备用件处理，至于其内部元件老化或是其他原因造成的损坏，一般热控人员不好判断。I／O卡的检修一般是由厂家处理，目前的热控检修人员的手段还不能达到像检修常规仪表那样检修。而且生产厂家的I／O卡件已制造成一体化的趋势，这样只能购买备件。好在这类故障只是在调试阶段出现较多，正常运行中出现几率很低。另外许多DCS厂家在产品上都支持卡件热拨插，但作为控制人员，在运行中要更换卡件时一定要做好安全防护措施，如先将控制方式切为手动，把联锁保护暂时退出,以免对机组运行工况产生影响。否则会引起系统状态变化或负荷变化易造成设备跳机停运，尤其是更换数字量卡件。
    4.2 上位机死机:对于上位机死机其原因比较多，有硬件方面和软件方面，如主板硬盘或卡件故障、环境温度较高冷却风扇负荷过重、操作糸统被破坏、糸绕配置出错等等，这些可根据一般PC机的故障处理方法进行处理。有时也会发生人为操作错误引发起的故障，(特别在修改了控制逻辑或增减了变量位号下装软件重启设备或强制设备保护信号时，还会引起下位机发生错误故障) 这是热控人员最易发生的操作事故，这种操作事故轻则设备异常，重则易造成控制设备停运，后果非常严重。人为操作发生的故障在热工专业中的不安全事件中占有很大比例，在操作中尤为引起高度重视，减少人为故障。
4.3监控操作失灵：即由于鼠标或键盘的操作信号没有正常改变过程通道的状态，造成操作失效，这是2个方面造成的，一个方面是软件故障，另一方面是硬件本身故障,针对这样的故障通常做法是先检查过程通道功能正常否，再检查操作员站网络通道是否正常, （通讯线接头不能与机柜等导电体相碰，互为冗余的通讯线接头不能碰在一起，以免烧坏通讯网卡）；必要时可进行操作员站重起初始操作, 处理时应针对不同情况进行不同处理。
   4.4鼠标、键盘操作不正常，:一般是由于鼠标、键盘机械装置长期工作、老化、污染、点通断不可靠、电缆插件不牢松动等引起。这样的现象可通过重启机或重插电缆解决,如果不行就需要更换设备检查处理。
   4.5 打印机不工作: 一般是由于配置的原因或打印机本身有故障，这样的故障应先检查打印机或并行通信端口的设置及并行通信电缆的连接是否正常,打印机电源是否正常，再检查打印机本身的故障。
    4.6 电源：电源故障问题较多，保险配置不合理，备用电源不能自投，电源波动引起保护误动及接插头接触不良易造成无电源等等。针对电源故障处理相对比较容易。首先，认真核对保险的配置及容量，真正起到保险的作用,保证电源接插头接触良好,线路绝缘合格。, UPS电源运行是否正常,配置是否合理正确，UPS的配备很重要而且要考虑冗余和备用问题，它可以在电源中断或波动时也能保证系统正常供电。
4.7 干扰造成的故障：对于干扰主要是接地问题，备用电源的切换和大功率的无线通信设备如手机、对讲机等。另外还有DCS系统的干扰信号可能由本身造成的。对于DCS系统的接地问题越来越引起人们的重视，尤其在电力行业，大功率电器设备的启动和停止都会干扰DCS的控制信号，造成不必要的故障。为了防止干扰信号串入系统，要严格执行屏蔽和接地要求和方式，信号线应远离干扰源，同时采取防电源波动措施。主／从控制卡之间在机组运行时，除非万不得以，尽量不要人为切换，已防产生干扰，如必须切换，应采取措施，先将控制切手动，把联锁保护暂时退出,以免对机组运行工况产生影响。对电子设备柜、下位机控制柜、工程师站等重点部位，应绝对禁止使用大功率无线电通信设备。

4.8 一次元件或控制设备出现故障：一次元件或控制设备出现故障有时不能直接被操作员发现，只有异常或报警后才通知热控人员处理。这样对检修人员和运行人员的素质要求就要提高，运行人员要详细介绍故障前后的状态便于热控检修人员能够快速、准确地处理缺陷，减少故障的扩大化。
五、系统管理
    DCS系统的系统管理是指系统的软件和数据的备份， DCS软硬件的监督管理，热工保护的投退。
    5.1 软件和数据的备份管理，上位机操作糸统、DCS糸统软件、应用软件、组态文件应及时备份，对于小的改动也应做记录，对于数据库、组态文件的修改备份要保存到工程师站，同时还应保存到U盘或其他硬盘上。但应注意备份磁盘和文件不能超期使用，以防数据丢失。定期备份各生产运行报表，保存完好的生产历史数据。
    5.2 软件的监督检查，主要是监督检查计算机管理各级权限的设置，严禁安装使用非DCS软件(即与糸统无关的软件)以防计算机病毒的入侵传染，严禁未授权人员进行组态, 严禁任意修改计算机系统的配置设置软件，严禁任意增加、删除或移动硬盘上的文件和目录。
    5.3 热工保护的投退应严格执行工作票制度，检修某一运行设备时，要采取正确隔离措施，以防发生相关设备的联锁反应。
5.4 针对以上常见故障，为了避免故障的发生和减少发生的次数，应制定严格的检修、维护和定期检查制度，认真填写DCS设备巡视检查记录，对各种小缺陷及时发现及时处理，让故障消失在萌芽状态，填写好运行日志记录加强管理手段。