分散控制系统安全运行的探讨

分散控制系统安全运行的探讨分散控制系统安全运行的探讨 随着机组容量的增大 对分散控制系统 dcs 的安全可 靠性要求也越来越高 为了提高 dcs 安全运行的可靠性 一般 都对较为关键的部件实行冗余配置 采取双系统运行 扬州第 二发电有限责任公司 下称扬二厂 两台 600mw 机组的 dcs 都选用了 teleperm xp 下称 t xp 在 t xp 系统中 ap 是直接检 测和控制现场设备的自动处理单元 ap 系统的正常与否直接决 定着 t xp 系统的可靠性 也就影响着机组运行的安全稳定性 1t xp 系统的组成和现状 t xp 分散控制系统对机组的在线控制主要由操作员监视系 统 om 和自动处理系统 as 两大部份协调完成 om 系统 和 as 系统采用冗余配置和分层控制的原则 网络通信使用两路 虚拟总线连接 参见 t xp 结构图 as 系统的核心是自动处理 单元 ap 经过数年来实践和分析 om 系统的 su 和 pu 冗余丢 失一般不直接影响机组的安全运行 即使在 om 系统的主从 su 和 pu 全部故障的极限状态下 只要各 ap 系统运行正常 一般 仍然可以在机组不停运的工况下排除故障 但如果 ap 一旦冗余 丢失 就只有单 cpu 运行 这时如果主 cpu 或其通讯模件发生 故障 整个 ap 就停止工作 与其它柜间的通讯发生中断 严重 时造成总线通讯中断或控制系统失控而导致机组跳闸 历史上 曾有四次由于 ap 冗余丢失继而引发其它故障 最终导致机组 跳闸 自 1 2 机组商业运行以来 ap 冗余丢失的情况比较频 繁 t xp 发生的所有故障中 ap 的故障占了大半 据不完全统 计 在 2001 年 1 月至 2003 年 12 月期间 ap 冗余丢失故障就 有 56 次 参见附表 1 ap 冗余丢失的状况正在逐渐改善 但 目前尚未彻底改观 这始终是影响机组安全运行的隐患 附图 1 t xp 结构图 附表 1 2001 2003 ap 冗余丢失情况 周期 ap1ap4ap5ap6ap7ap20 21 合计 1 机组冗余丢失 327128335 2 机组冗余丢失 32045721 2ap 冗余频繁丢失的原因 在 t xp 系统中 ap 冗频繁余丢的根源表现为显性和隐两 种状态 ap 模件的软件缺陷和硬件故障可直接导致 ap 冗余丢 失 属于显性的根源 ap 运行环境超温 ap 负荷率超标和静 电对 ap 模件的破坏所造成的 ap 冗余丢失 往往在当时表现为 不明原因 属于隐性的根源 模件和机架积尘的影响多数情况 是显性问题 有时也是隐性的问题 2 1 环境温度对 ap 的影响 dcs 模件的电子器件对温度的变化比较敏感 温度梯度场 呈非线性变化 一旦接近或达到饱和区域时工作状态就失常 因此 dcs 对环境温度都有一定的要求 按电力行业标准 电 子室的温度应控制在 18 24 国内的 dcs 多数采用柜内强 制通风的冷却方式 当电子室温度在此范围内时 dcs 模件的 芯片工作温度在 40 以下 然而 txp 分散控制系统的扩展柜采 用上下温差自然冷却方式 冷却效果相对比强制通风方式差 基本柜中也只对电源部份采用了风扇通风 所以模件芯片的实 际温度比室温高得多 在现场测试 当室温 21 时 ap 柜功能 模件温度在 33 左右 而芯片的工作温度在 40 左右 当 28 室温时 功能模件自身温度达到 43 左右 芯片工作温度高达 50 左右 因此 对于扬二厂 t xp 而言 即使电子室的温度满 足国家行业标准的要求 当室温在 21 24 时 ap 模件的芯片 实际已经工作在超温状态 何况 过去有时电子室温度高达 25 29 2003 年 5 月份 加装分体式空调 电子室温度控制在 18 21 后 5 月至 8 月期间的 ap 冗余丢失次数占全年的 35 比已往同期下降了 50 从实践情况看 扬二厂电子室 最适宜的环境温度应该在 18 21 电力行业标准不完全适合 扬二厂电子室的环境温度要求 2 2 ap 柜模件积尘 尘埃聚集到电路版和机架槽的表面 形成覆盖层 这些尘 埃在三种情况下会对 ap 模件产生不利影响 一是积尘受潮后 形成局部短路 烧坏模件 二是在模件更换或新增模件时 尘 埃附着在模件与机架槽的金属接触面之间 形成局部接触不良 这种情况在尘埃较多且插模件方法不当时往往会发生 而且这 种接触不良的故障不易被发现 三是在较高电压 例如电容 下尘埃产生电离 形成带电尘埃 条件满足时形成放电 尤其 在模件积尘和高温同时作用时 更容易引起局部烧坏 电子室内灰尘较多 电子柜机架和模件表面积尘较严重 1 机组 ap1 就发生过电源模件因表面灰尘受潮发生短路故障 在 ap 冗余丢失故障中 不明原因的 ap 模件损坏现象也常有发 生 积尘影响是其中的一个因素 2 3 硬件的随机故障 硬件的随机故障导致 ap 冗余丢失的问题 一方面是设备 使用过程中 模件随机损坏 究其根源 有强电串入 有人为 因素 有质量问题 有自然损坏 也有不明原因 从调试至今 1 2 机组 ap 各种模件损坏近百块 在运行过程中 一旦发 生 ap 的网络通讯模件 柜间通讯模件或 cpu 模件等损坏 相 应的 ap 就会失去冗余或者发生主从切换后失去冗余 另一方面 t xp 设备渐近老化期 模件之间的连接或接地 性能逐渐下降 简接引起 ap 故障 设备老化问题主要反映在 ap 模件 机架连接和 三地 性能 ap 柜模件间的连接故障会直 接引起 ap 冗余丢失 2003 年第四季度 1 机组 ap5 连续 6 次 冗余丢失 采取了多种处理方案 从复位 冷启 传代码 换 模件到热线诊断等多种措施 从处理结果看 ap5 先发生 cp1430 模件故障 后又出现 ap 机架 cp 槽与模件的接触不良 更换槽位后系统运行正常 2 4ap 相关软件的固有缺陷 软件问题引起 ap 冗余丢失主要分两种类型 一类是系统 支撑软件的不完善 另一类是通讯软件的性能差 通讯软件的 缺陷又主要表现三种情况 一是 ap 的通讯管理软件对出现瞬间 通讯延时的处理不当 二是 cp1430 偶尔存在通讯延时 三是 apf120 固化程序存在缺陷 t xp 系统制造商针对各地用户的运行缺陷 已经发布过大 量的软件补丁 我公司 1 2 机组使用的 t xp 系统支撑软件也 发生过多次问题 接受和安装过相应的软件补丁 但补丁软件 过多时会影响系统软件的运算效率 所以更有效的改善办法是 软件升级 ap 中用于管理通讯的软件性能比较差 cpu 与 cp1430 传 递信息时如果发生延时 例如 cp1430 瞬间故障 原来的通讯 管理软件就认定与 cp1430 之间有故障 立即停运 cpu 使 ap 冗余丢失 对 cp1430 模件来说 也存在数据传送的软件问题 在启动态时 会使 ap 偶然地出现信息丢失 或使 apf 偶然地出 现通讯中断 引起 ap 冗余故障 2003 年 11 月 12 日 12 月 3 日和 12 月 7 日 2 机组 ap21 连续三次发生相关通讯故障 就 是由于 cpu 与 cp1430 通讯瞬间延时 ap 管理通讯的软件判定 为通讯故障 造成冗余丢失 apf120 的固化程序通讯性能较差 制造商已经开发了新的 ap 通讯管理软件 对判断通讯延时故障 有了改进 在连续三次检测到通讯信号延时 才认定为通讯故 障 这样 冗余丢失的概率将会下降 2 5ap 负荷率高 ap 运行时主从 cpu 都在同时工作 主 cpu 直接进行参数 检测 数据交换 上传信息 接受指令和控制就地设备等工作 从 cpu 随时保持与主 cpu 相同的数据信息 主从 cpu 之间按一 定的指令周期进行同步 ap 对 cpu 的负荷率有一定的要求 如 果负荷率过高 cpu 的工作任务繁重 尤其会减慢通讯速率 再加上过去 ap 的通讯管理软件有缺陷 如在一定周期的时间片 内检查不到信息 就认为通讯延时 随即停运 cpu 导致 ap 冗 余丢失 历史情况也证实了这一点 凡是负荷率高的 ap 其冗 余丢失的概率也就相对较高 1 2 机组的 ap6 ap20 和 ap21 的负荷率都在 66 69 之间 大大超过了规定的负荷率标准 所以 ap6 ap20 和 ap21 的冗余丢失情况也较为频繁 针对这种情况 扬二厂对 1 2 机组 ap20 ap21 和 1 机组 ap6 进行了扩容改造 其负荷率均已低于规定指标 2 机 组 ap6 采用了延长采样周期的方法来降低负荷率 但效果不佳 负荷率仍达 59 2 6 静电对 ap 模件的破坏 dcs 模件的 mos 芯片对超高压非常敏感 而人们在日常工 作中随时都可能产生静电 人在塑料地板上行走可产生 12000v 的静电 坐在软垫椅子上可产生 18000v 的静电 在使用塑料杯 时可产生 5000v 的静电 在翻阅塑封面的书籍杂志时可生产 8000v 的静电 如在检修 ap 模件前不放掉静电或工作时不防止 静电 就有可能破坏 ap 模件的芯片 静电对模件的破坏往往是 隐性的 这就容易引起人们对防静电的疏忽 为了保护模件防止静电 t xp 的手册中明确要求 在打开 柜门进行工作前 操作人员必须先释放身上的静电 操作时必 须戴有良好接地的防静电靴或防护带 但在 t xp 调试和投运初 期 在很多场合基本上没有采取有效的防静电措施 这给整个 txp 系统带来了隐患 而静电损坏的模件不一定立即造成 ap 模 件不能使用 在许多情况下 模件在运算负荷增加或外界温度 发生变化时 才影响模件的固有性能或破坏有效数据 所以 在 ap 的运行环境超温 ap 负荷率的瞬间增大和模件的静电破 坏的影响同时作用时 隐性状态就会转变为 ap 冗余丢失的显性 状态 3ap 冗余丢失的治理 3 1 改善 ap 运行环境 立足长久效应 根据扬二厂的目前情况 电子室温度要求应严于行业 标准 最合适的环境温度应控制在 18 21 室温也不能太低 以免产生结露 可采用现有中央空调与分体式空调互补使用的 方式 继续使用现有中央空调系统 同时利用分体式空调对电 子室温度进行细调控制 在有条件时 改善现有 ap 扩展柜的内部降温方式 将 目前的柜内利用温差的自然对流换热方式改为使用风扇的强制 对流换热方式 可在 ap 扩展柜的中间层加装向上排气的风扇 使 ap 功能模件得到有效降温 这样 即使在电子室温度稍高于 21 时也能确保模件不超温 电子室的湿度控制在 45 70 范围 防止或减缓机架 背面的绕接线和其它硬接触的金属表面氧化 加强现有空调系统的定期维护 定期清理或更换中央 空调入口的滤网 以便有效阻挡尘埃 对 ap 柜底下夹层的水泥 地面进行油漆或喷塑 防止水泥地面风化后形成灰尘 在电子室加装专用静电释放装置 进入电子室的工作 人员先行释放带入的静电 工作过程中 随时带好防静电护套 腕套或脚套 装拆的模件放在防静电毯上或直接放在抗静 电地板上 备品流转过程中 无防静电措施不能触摸模件 提高 txp 系统各类模件的备品质量 改善模件备品库 的环境温度条件 尤其要改善热控班组临时备品库的环境温度 条件 3 2 根治软硬件缺陷 改善 ap 系统性能 观察并处理 txp 系统的硬件老化问题 对投运至今未 更换或升级过的 ap 柜模件进行登记和跟踪运行状况 发现异常 迹象及时更换新模件 对机架槽进行防风化腐蚀处理 大小修 时拔下所有模件 使用废旧模件对机架槽逐个进行数次插拔 清除表面风化物 然后对机架槽进行吹吸式清理 对通讯连接 电缆的插头和插座 要防止金属表面氧化造成接触不良 可定 期对金属接触面的污蚀和氧化层进行清理 定期对 ap 柜及其模 件进行吹吸式除尘 合理调整 ap 各模件的软硬件版本 凡购置新模件 软 硬件版本应统一到目前所使用的最高性能的版本 同一类型的 模件尽可能统一为相同的软硬件版本 安装新版的 ap 通讯管理软件 control mc5 解决 1 机组各 ap 判断通讯延时的性能差的问题 改善 ap 系统因 cpu 与 cp1430 瞬间通讯延时造成的冗余丢失 对 1 机组 ap 的 cp1430 模件进行软件升级 解决 1 机组各 ap 的 cp1430 数据传送时 出现偶然性的数据瞬间丢失 问题 对 apf120 自动处理器的固化程序进行升级 解决 1 机组 apf 数据处理性能差的缺陷 解决目前各 ap 柜长年报警的问题 删除 das 废点 消除所有的无效报警源 das 废点清除后 ap 可节约检测废 点故障的时间资源 从而可降低 ap 运行的负荷率 3 3 定期检查 ap 工况 及时处理隐患 采用在线传代码的方法 定期检查 ap 是否存在隐性的 故障 可在停机检修 t xp 前 分别对各 ap 进行在线传代码 如果代码传不下去 则相应 ap 一定存在内部故障 针对故障情 况进行分析 查找具体原因 予以消除 在处理 ap 冗余丢失故障时 即使从 cpu 已恢复运行 且状态灯显示正常的情况下 仍然不能保证 ap 的冗余一定正常 建立 还应检查 asd 报警和 soe 的记录信息 定期检查 ap 机柜地 信号地 电源地的接地情况和机 柜间电势差 发现异常及时处理 定期巡查 ap 柜故障诊断模件