分散控制系统安全运行的探讨

1、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。为了提升DCS安全运行的可靠性，一般都对较为关键的部件执行冗余配置，采用双系统运行。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

2、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系统采纳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。经过数年来施行和分析，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

3、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冗余丢失的状况比较频繁。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。      

4、;                                                  

5、0;                               附图1   T XP结构图        附表1：   2001-2003 AP冗余丢失状况   

6、60;    周期 AP1 AP4 AP5 AP6 AP7 AP20、21 合计         1机组冗余丢失 3 2 7 12 8 3 35         2机组冗余丢失 3 2 0 4 5 7 

7、;21         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状况是显性问题，有时也是隐性的问题。      

8、60; 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多数采纳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分散控制系统的扩大柜采纳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纳了风扇通风，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2

9、1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，关于扬二厂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%。从施行状况看，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合适扬二厂电子室的环境温度要求。   

10、0;    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。这些尘埃在三种状况下会对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。二是在模件改换或新增模件时，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。这种状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。  &#

11、160;     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

12、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，采用了多种处理方案，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

13、件故障，后又出现AP机架CP槽与模件的接触不良，改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状况，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有时存在通讯延时，三是APF120固化程序存在缺陷。      

14、0; T XP系统制造商针对各地用户的运行缺陷，已经公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，马上停运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

15、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善，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

16、 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随时坚持与主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，立即停运CPU，导致AP冗余丢失。历史状况也证实了这一点，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

17、失状况也较为频繁。        针对这种状况，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采纳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1

18、2000V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。操作时必须戴有优良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用有效的防静电措施，这给整个TXP系统带

19、来了隐患。而静电损坏的模件不一定马上造成AP模件不能使用，在许多状况下，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，立足长期效应        依据扬二厂的目

20、前状况，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。可采纳现有中央空调与分体式空调互补使用的方式。持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扩大柜的内部降温方式，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扩大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时也能保证模件不超温。    &#

21、160;   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。        强化现有空调系统的定期维护。定期清理或改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

22、地板上；备品流转过程中，无防静电措施不能触摸模件。        提升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。对投运至今未改换或升级过的AP柜模件进行登记和跟踪运行状况，发现异常迹象及时改换新模件；对机架槽进行防风化腐蚀

23、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.m

24、c5，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柜常年报警的问题，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