分散控制系统(Distributed Control System, DCS)控制器是电厂控制系统的核心组成部分, 其负荷率的大小是表征控制器正常工作与否的重要参数之一。一般情况下, 控制器正常运行时的负荷率不大于40%且比较稳定^[1-2]。某电厂DCS系统控制器负荷率出现持续的异常波动, 引起控制器内输入信号异常翻转, 导致所属控制设备操作失败, 严重影响了系统的安全稳定运行。本文针对控制器负荷率异常波动问题, 从控制设备配置、控制逻辑组态及处理周期等方面进行了分析, 并提出了防范处理措施。

某电厂2×350 MW发电机组脱硫DCS采用新华XDPS-400e系统, 主要由过程控制站、通信网络、人机界面(Human Machine Interface, HMI)以及逻辑组态组成, 用于实现1^#单元机组脱硫系统、2^#单元机组脱硫系统以及脱硫公用系统设备的显示、控制和调节功能。

过程控制站由控制器(也称分散处理单元, Distributed Processing Unit, DPU)和输入输出模件(Input/Output, I/O)构成^[3]。DPU周期性地通过总线与I/O模件进行数据交换, 并处理其内部预先组态好的模拟量和开关量控制逻辑, 同时根据输入数据和预先设置的报警参数发出报警信息。DPU通常采用双冗余配置, 主、从控制器可实时进行容错判断, 以保证所采集的数据完全相同, 使热切换可以随时进行且不对控制系统产生扰动, 具有很强的容错功能。

XDPS-400e系统的通信网络采用10/100 M冗余以太网, 采用光纤或双绞线作为传输介质。所有DPU和人机接口站均通过冗余的网络适配器与冗余以太网相连接。通信网路可分为实时网络(RTFNET)、信息网络(INFNET)两大类。其中实时网络采用双冗余配置, 用于系统各节点之间的实时数据交换, 信息网络是非冗余网络, 通常用于人机接口站之间的文件和打印机共享^[3]。

XDPS-400e系统的软件主要由HMI软件、DPU软件和通信接口软件组成。工艺系统的控制逻辑由HMI软件中的DPU图形组态软件和HMI图形生成软件实现。在DPU图形组态软件中, 每个单独的DPU都配置有一个组态文件, 用于保存DPU内的逻辑组态。每个DPU组态文件由多个组态页构成, 而组态页由算法功能块及其之间的连线组成。每一个组态页都有自己的执行序号和执行周期(0~5 000 ms分挡选择)。执行周期越短, 单位时间内逻辑处理的次数越多, DPU的负荷率也就越高^[3]。

DPU负荷率是指在规定时间内的平均负荷与最大负荷之比的百分数, 是用于测量规定时间内DPU负荷的变动情况, 以及考核电气设备的利用程度^[4], 是DPU非常重要的性能指标参数之一。DPU负荷率过高会导致其运行速度变慢, 数据传输延时, 引发控制逻辑出错, 甚至导致DPU死机, 系统瘫痪。因此, DPU负荷率过高将严重影响DCS系统的安全稳定运行^[5-7]。

《火力发电厂热工自动化系统检修运行维护规程》中规定:所有控制站的过程处理单元在恶劣工况下的负荷率应不大于60%;操作员站、服务站的中央处理单元在恶劣工况下的负荷率应不大于40%;以太网中数据通信总线的负荷率应不大于20%, 其他网络应不大于40%^[1]。

DCS系统正常运行时, DPU周期性地从输入模件中读取数据, 执行组态逻辑, 输出计算结果到输出模件, 从而实现逻辑控制。由此可见, DPU负荷率的高低与其本身的性能、执行周期的长短、网络通信的优劣直接相关。其影响因素主要有以下4个。

(1) DPU硬件性能退化。随着使用时间的增加, DPU硬件会出现不同程度的老化, 继而导致性能下降, DPU负荷率过高。

(2) DPU负荷分配不合理。系统I/O模块配置过多, DPU需要处理的数据量过大, 导致负荷率偏高^[8-9]。

(3) 控制逻辑组态不规范。控制逻辑页的数量多、页处理周期短、逻辑存在重复错误组态点, 极大地增加了扫描查询次数, 占用DPU大量资源, 引起负荷率过高或波动^[10-11]。

(4) DCS系统软件性能不稳定。软件升级后功能块没有同步更新, 与新系统不匹配, 造成DPU负荷率跳变。

2018年6月16日, 某电厂1^#机组脱硫DCS系统1^#DPU负荷率出现异常波动, 其波动曲线如图 1所示。由图 1可见, 在6月16日时, DPU负荷率最高波动至77%。现场检查发现, 1^#DPU处于主控状态, 21^#DPU处于副控状态, DPU运行正常, 温度正常, 网络通信正常, 控制逻辑正常, 设备无异常操作且无任何报警。

鉴于该DPU已投入使用多年, 初步判断DPU负荷率异常波动是由硬件老化所引起的, 故退出所属系统保护, 对DPU进行如下检查处理。

(1) 2018年7月9日, 将21^#DPU切换至主控运行, 观察21^#DPU负荷率变化曲线, 如图 2所示。同样出现异常波动现象, 负荷率最高波动至77%。

(2) 重启1^#DPU, 并切换至主控运行, 观察发现负荷率有所下降, 最大波动至38%, 但负荷率波动越来越大, 逐渐恢复到重启前的异常状态。

(3) 降低控制器中一般逻辑页的扫描速度, 除了重要温度信号及超净环保监测信号的逻辑页扫描周期保留为200 ms外, 其余逻辑页扫描周期均改为500 ms, 并删除DPU中多余组态点和逻辑, 观察发现DPU负荷率仍旧出现异常波动。

7月5日, 1^#DPU出现1^#吸收塔密度计排放阀故障报警。查阅历史曲线及报警记录发现, 在脱硫密度测量顺控逻辑执行过程中, 1^#吸收塔密度计排放阀关指令发出15 s后阀门顺控操作失败。检查后发现:阀门控制逻辑正常, 参数设置正确, 阀门指令、反馈信号电缆屏蔽单端接地正常, 端子排接线无松动; 阀门就地开关正常, 且开关行程为30 s。阀门报警复位后, 又出现多次操作失败现象。

通过对比检查结果发现, 阀门故障发生时21^#DPU负荷率波动至较高点, DPU负荷率异常波动对频繁启停的阀门影响明显。经分析, DPU负荷率异常波动造成了阀门开、关反馈状态发生异常翻转, DPU逻辑检测到反馈信号异常, 判断阀门操作失败, 从而发出故障报警。DPU负荷率波动造成了密度测量顺控失败, 影响了吸收塔液位信号(通过密度信号进行修正)的正确测量, 严重威胁机组的安全稳定运行。

对照DPU负荷率的影响因素再次排查发现, 逻辑组态中硬件监测页有一卡件的报警信号累计值达到上限(1000)。对其进行复位清零后, 报警次数还在持续快速增加, 进一步确认了故障I/O卡件是一块未接任何信号的备用DI卡件。

布置好安全措施后, 将故障卡件从背板插槽中拔出, 此时DPU负荷率立即降至28%左右且不再波动, DPU负荷率曲线与其他正常DPU负荷率曲线一致, 故障硬件拆除后负荷率曲线如图 3所示。

随后, 将21^#DPU切换至主控运行, 发现负荷率恢复正常。经观察发现, DPU负荷率未再出现异常波动, 顺控故障也未再出现, 该问题得到了解决。综上所述, 1^#DPU负荷率异常波动的原因是由某一备用卡件故障报警频发造成的。

(1) 加强DCS巡检, 特别是对DPU负荷率进行定期检查, 发现问题及时跟踪处理。建议增加DPU负荷率监控组态, 并加入历史趋势, 定期查阅曲线, 检查其变化情况。

(2) 加强对DCS硬件监测的巡检, 详细记录故障现象, 定期检查报警计数情况并进行复位, 跟踪分析发生故障的报警点并及时处理。

(3) 加强检修维护, 做好电子元器件的寿命管理, 对重要的控制器进行及时检修和更换。

(4) 均衡分配DPU卡件和控制逻辑, 防止超负荷运行, 检查调整控制器逻辑功能块时序及页扫描周期, 清理多余逻辑及计算块, 清理重复组态点^[12]。

(5) 加强DCS管理, 严格按照标准控制电子间温度、湿度、灰尘; 禁止安装非相关软件, 使用移动存储设备, 防止病毒侵入, 确保设备稳定可靠运行^[13-14]。

DPU的可靠性对于DCS的稳定运行十分重要, 在日常维护工作中DPU的异常问题必须及时发现并迅速处理。本文从硬件配置、控制器负荷分配、处理周期以及逻辑组态等方面阐述了DPU负荷率异常的影响因素, 并针对某DPU负荷率异常问题进行了详细分析, 提出了防范处理措施。这些对DCS系统控制器的维护具有借鉴意义。