提高DCS火電廠應(yīng)用水平之淺見

一、DCS在火電廠應(yīng)用現(xiàn)狀
自上世紀(jì)九十年代至今，DCS在我國火電廠已普遍使用。DCS基本控制范圍能覆蓋主要的自動控制系統(tǒng)DAS、MCS、SCS、FSSS等，部分DCS控制范圍包括了DEH/MEH、ECS、ETS等。DCS應(yīng)用技術(shù)也已成熟，采用DCS實施的熱控系統(tǒng)功能也能基本滿足機(jī)組主輔設(shè)備控制要求。但是，DCS總體應(yīng)用水平還不夠高，未充分發(fā)揮DCS應(yīng)有的作用。
在工程應(yīng)用中，DCS的安全性、可靠性尚待提高。調(diào)研表明，因DCS(含DEH)系統(tǒng)自身故障造成機(jī)組跳機(jī)的次數(shù)占誤動跳機(jī)次數(shù)的近一半，而且DCS故障多呈現(xiàn)"軟故障"的特點，較難確切分析查找原因，并易造成反復(fù)跳機(jī)的隱患;如何規(guī)范設(shè)計，挖掘其資源，科學(xué)、合理、有效使用之，提高其利用率，也是當(dāng)前DCS應(yīng)用的重要任務(wù);針對電站的控制功能(如先進(jìn)控制算法、大型先進(jìn)優(yōu)化軟件包)尚需研發(fā)、拓展。
同時，當(dāng)前對DCS系統(tǒng)(性能、功能)的測試、考核不夠，尚未能客觀掌握以及公正評價DCS的應(yīng)用效果，這不利于DCS應(yīng)用技術(shù)的提高和發(fā)展。
新的電力形勢對機(jī)組，特別是對機(jī)組熱工自動化系統(tǒng)的安全、可靠性要求更為嚴(yán)格，對自動控制水平也有更高要求。本文筆者結(jié)合近年來DCS工程實踐經(jīng)驗，就DCS應(yīng)用中一些"老話題"、"老問題"進(jìn)行分析、探討，愿對提高DCS應(yīng)用水平有促進(jìn)作用。
二、提高DCS在火電廠應(yīng)用的安全可靠性
1.關(guān)于處理器
國內(nèi)使用的一些DCS在處理器方面仍有如下表現(xiàn):冗余處理器的主備切換不正常;處理器的初始化易引發(fā)意外;處理器配置不夠，負(fù)載較重，風(fēng)險集中等。應(yīng)采取有效措施，避免冗余處理器切換故障發(fā)生。
近幾年，國內(nèi)發(fā)生多個冗余處理器對未能正常切換而發(fā)生故障的案例，有些甚至引起機(jī)組跳閘。究其原因，可能是處理器對抗干擾能力差，或系統(tǒng)安裝、連接不合格，或其它原因。檢修、維護(hù)中應(yīng)特別注意在機(jī)組停運時對有"前科"的處理器對的測試、觀察和狀態(tài)跟蹤。在接地系統(tǒng)、電源配置、網(wǎng)絡(luò)連接中排除可能產(chǎn)生的干擾因素，控制系統(tǒng)區(qū)域應(yīng)具備防止干擾措施，如I/O通道的隔離、良好的電纜屏蔽和合理的電纜走向、"關(guān)閉手機(jī)"的警示等。
處理器的配置應(yīng)滿足分散度要求、負(fù)荷率要求，并能兼顧系統(tǒng)相對獨立完整的要求(筆者在與王利國合作的《試論DCS控制器配置之安全準(zhǔn)則》一文中有更多闡述)。在激烈的市場競爭中，處理器的數(shù)量常常因商務(wù)原因而配置偏緊，導(dǎo)致分散度不夠或負(fù)載較重。有些DCS因處理器負(fù)載重最終不得不以降低處理速度作為代價。一些DCS在投運后出現(xiàn)畫面刷新慢、通信速度慢、甚至處理速度不一致而導(dǎo)致錯誤邏輯關(guān)系等，這常常是由于處理器負(fù)載過重引起的。有些DCS為降低處理器負(fù)載，均衡處理任務(wù)而放棄工藝、功能劃分原則?？偠灾?，充裕的處埋器余量是必要的，不能因節(jié)省經(jīng)費或市場競爭而影響系統(tǒng)性能。
在一些DCS中，(I/0)子模件智能化程度較高，具有邏輯處理功能，在實際應(yīng)用中這種子模件常常與主(大)處理器一起分擔(dān)控制處理任務(wù)。由于子模件一般不做(也不易實現(xiàn))雙重冗余配置，對子模件控制任務(wù)的分配應(yīng)特別慎重，重要的控制任務(wù)最好由主處理器完成。由子模件完成重要控制任務(wù)(有時考慮到速度因素)時，可考慮采用雙重或三重冗余(三取二方式)，在模件輸入輸出端做處理。
重視機(jī)組運行中的處理器初始化。注意系統(tǒng)維護(hù)，盡可能避免機(jī)組運行中出現(xiàn)處理器初始化(可能因在線組態(tài)下裝造成;可能因處理器不正常主備切換導(dǎo)致重啟造成;也可能由干擾或其它不明原因引起)。設(shè)計中應(yīng)重視初始化參數(shù)的選擇(工程應(yīng)用中常被"默認(rèn)"而過，缺乏仔細(xì)研究)，一般選擇維持原狀態(tài)，特別注意盡量避免觸發(fā)除報警外的"動作"，如果觸發(fā)動作應(yīng)確保在任何狀態(tài)是朝向安全的。
2.通信接口
隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的發(fā)展，DCS與其它系統(tǒng)的通信也越來越容易，但近年來國內(nèi)還是有因通信問題導(dǎo)致或誘發(fā)機(jī)組跳閘甚至擴(kuò)大至設(shè)備損壞的案例(不再詳述)。筆者建議:同一廠內(nèi)不同(機(jī)組或種類)DCS(包括公用系統(tǒng)、輔控系統(tǒng))在建立"點信息記錄"、"標(biāo)簽名稱"等方面應(yīng)重視總體規(guī)劃，規(guī)范設(shè)計，避免接口通信中錯誤的刷新、覆蓋;同時應(yīng)盡量避免機(jī)組運行中的通信程序修改維護(hù)、通信代碼傳遞。
3.報警系統(tǒng)
報警系統(tǒng)是人機(jī)界面的重要組成部分，同時報警系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)信息量多面廣，常常是導(dǎo)致DCS通信故障甚至處理器、操作站"死機(jī)"的禍根。報警系統(tǒng)的設(shè)計是目前DCS應(yīng)用(特別是老機(jī)組DCS改造項目)的薄弱環(huán)節(jié)。
"報警信息多"是很多機(jī)組DCS的通病(也是"老病")。除設(shè)備原因外，不合理的報警內(nèi)容使得報警系統(tǒng)異常繁瑣。由于"報警信息多"，DCS最基本的"列表報警"功能也因"不實用"而被冷落。在"光字牌"取消后，一些DCS設(shè)計了形式類似的報警畫面——"軟光字牌"，形式比較貼近運行人員，對運行操作有一定幫助。但"軟光字牌"設(shè)置較多(據(jù)了解有個別300MW機(jī)組軟光字設(shè)置數(shù)量達(dá)600-700點)時，運行人員過分倚重，"列表報警"中的其它信息(如時間、報警回歸等)易遭忽略。對于老機(jī)組的報警內(nèi)容，應(yīng)從工藝角度認(rèn)真篩選、審查;從控制系統(tǒng)角度看，部分報警內(nèi)容也需優(yōu)化調(diào)整。
智能化、動態(tài)的報警系統(tǒng)很早就被提出，但一直未落實和實踐。如:同時出現(xiàn)相關(guān)報警只顯示真正原因(其它可查找)，而不列出全部報警條目、實現(xiàn)報警智能化;報警狀態(tài)、參數(shù)的設(shè)置與設(shè)備(機(jī)組)運行狀態(tài)密切關(guān)聯(lián)，應(yīng)實現(xiàn)動態(tài)化報警。真正使報警系統(tǒng)有效發(fā)揮作用，是目前DCS設(shè)計應(yīng)用中需不斷研究、探討的課題。
4.保護(hù)投切設(shè)置
技術(shù)規(guī)范明確要求"保護(hù)和閉鎖功能應(yīng)是經(jīng)常有效的，應(yīng)設(shè)計成無法由控制室人工切除。"最初就采用DCS作為熱控系統(tǒng)的機(jī)組，基本沒有"保護(hù)投切設(shè)置";熱控系統(tǒng)后改造為DCS的機(jī)組，"保護(hù)投切設(shè)置"較為普遍。設(shè)置原因有設(shè)備問題(檢修頻繁)，也有思想原因。用戶為了穩(wěn)妥，往往最終選擇維持舊的運行、維護(hù)方式與習(xí)慣。
"保護(hù)投切設(shè)置"要嚴(yán)格控制數(shù)量，不能以切除保護(hù)遮掩(掩蓋)設(shè)備問題，回避管理問題，更不能因為保護(hù)頻繁動作而切除保護(hù)。有些DCS改造項目的設(shè)計，以設(shè)備故障多、檢修頻繁為名，不僅對機(jī)組主保護(hù)、重要輔機(jī)保護(hù)條件設(shè)置"投切"，進(jìn)而延伸到一些聯(lián)鎖條件也設(shè)置"投切"。數(shù)量龐大的"保護(hù)投切設(shè)置"偏離了最初設(shè)計意圖，使得"投切"操作頻繁，增加了故障因素及管理難度，對切除條件的相關(guān)監(jiān)視也增加了操作員的監(jiān)控強(qiáng)度，難免使一些保護(hù)條件形同虛設(shè)。
對有限數(shù)量的"保護(hù)投切設(shè)置"，應(yīng)加強(qiáng)投切操作管理(有以"軟工作票"形式設(shè)置授權(quán)的設(shè)計實例)，嚴(yán)格按申請、授權(quán)、監(jiān)視、切除、恢復(fù)、記錄、報告等程序?qū)嵤┎僮?。切投保護(hù)條件，要有相應(yīng)措施，要注意相關(guān)參數(shù)、狀態(tài)的監(jiān)視，避免機(jī)組(設(shè)備)失去相應(yīng)保護(hù)。
保護(hù)投切設(shè)置要有合理、科學(xué)的邏輯背景支撐，如切除操作應(yīng)有確認(rèn)過程，切除的保護(hù)應(yīng)設(shè)置相應(yīng)警示等。
5.電源
模件柜(包括處理器柜)供電可靠。一般有專用電源模件(配電柜分散供電)，采用雙重?zé)醾洹⒕仃嚒?N十l"等多種方式供電，各機(jī)柜也能做到獨立供電，可靠性高。
工程師站、操作員站供電是DCS系統(tǒng)供電的薄弱環(huán)節(jié)。常常是1路(220V AC)電源供操作站或2路(220V AC)分別對一半數(shù)量操作員站供電、1路(220V AC)供工程師站及其打印機(jī)等，對每臺站而言，實際為單路供電。少數(shù)DCS采用交流電源切換裝置，可實現(xiàn)雙路交流電源冗余切換(切換時間在30ms內(nèi))，提高了工程師站、操作員站的供電可靠性。
系統(tǒng)冗余供電的要求涵蓋了工程師站和操作員站，建議選用可靠性高的交流電源切換裝置。
獨立配置的中間繼電器柜的典型設(shè)計，為每面機(jī)柜設(shè)2只電源模塊，通過高選供繼電器線圈。有些設(shè)計為了降低成本，采用直流電源集中布置、單路供電等，這些均應(yīng)在設(shè)計、應(yīng)用中避免。變送器和電磁閥的供電應(yīng)盡量獨立、分散。
對DCS電源系統(tǒng)(包括關(guān)系密切的外圍供電)的監(jiān)視、報警不容忽視，冗余供電單路失電時即應(yīng)報警、提示。
6.接地
不同型式的DCS系統(tǒng)對接地要求不同，但歸根結(jié)底是滿足"一點接地"的要求。整個接地系統(tǒng)最終只有一點接到接地網(wǎng)上，并滿足接地電阻的要求。DCS系統(tǒng)的接地要求應(yīng)該是確定的、完整周全的，不能為迎合用戶的不同要求而改變。
在電廠環(huán)境下，要求DCS有較強(qiáng)的抗干擾能力。用戶希望對接地方式及接地電阻的要求寬松一些。但是，只有嚴(yán)格按廠家要求實施系統(tǒng)接地，才可保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，也方便在某些故障情況下盡早排除不良接地因素。
7.關(guān)于大屏幕
圖像拼接系統(tǒng)的出現(xiàn)，豐富了大屏幕顯示功能，使大屏幕與DCS通信簡單化，也使其它視頻信號方便接入，特別是醒目的顯示效果，常使其成為控制室的"亮點"。
大屏幕的使用，原本想減少操作站(含顯示器)數(shù)量，但實際應(yīng)用中常緣于對大屏幕質(zhì)量的信任度不夠(同時運行成本高)而無法實現(xiàn)，使得大屏幕成為DCS的裝飾、點綴。
原本依賴于大屏幕的設(shè)計，如老機(jī)組改造中運行人員特別看重的火焰監(jiān)視圖像、水位監(jiān)視圖像等采用視頻信號直接接入大屏幕而取消工業(yè)電視，大屏幕專用畫面或報警信息的設(shè)計等，因大屏幕無法與普通顯示器同樣持續(xù)運行而陷入尷尬的狀況。
大屏幕的設(shè)計選用應(yīng)慎重，應(yīng)選用可長期連續(xù)運行的產(chǎn)品，否則就放棄。
8.重視運行人員培訓(xùn)，減少誤操作
一些案例表明，運行人員對DCS了解不夠，或受夸大宣傳的影響高估DCS功能，更有甚者將DCS誤認(rèn)為"萬能"的"黑匣子"，由此引發(fā)一些低級的操作錯誤，實在應(yīng)該避免。
DCS應(yīng)用軟件的設(shè)計，特別是改造項目，應(yīng)創(chuàng)造機(jī)會讓運行人員盡早地積極參與。通過設(shè)計中的溝通交流，吸收運行經(jīng)驗和體會，使設(shè)計能更顯現(xiàn)出針對性、個性化。同時，通過設(shè)計中的培訓(xùn)，使運行人員深入理解設(shè)計背景和設(shè)計思想，達(dá)到對DCS全面掌握的目的。
對運行人員培訓(xùn)中還可發(fā)揮DCS優(yōu)勢，根據(jù)操作記錄、運行指標(biāo)記錄，及時分析總結(jié)，提高運行水平。具備條件的電廠最好采用仿真系統(tǒng)對運行人員進(jìn)行培訓(xùn)、考察。
三、提高DCS控制水平
1.重視細(xì)調(diào)整
近年來投產(chǎn)的大機(jī)組，經(jīng)基建調(diào)試、試生產(chǎn)期內(nèi)的完善化及生產(chǎn)調(diào)試，較多機(jī)組的自動控制系統(tǒng)能正常投運。而未進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)試及早期投產(chǎn)的機(jī)組，由于多方面原因，自動控制系統(tǒng)投運效果不理想。
生產(chǎn)調(diào)試及控制系統(tǒng)完善化的工作重點是充分利用DCS強(qiáng)大功能，進(jìn)行控制策略的完善及控制系統(tǒng)的精心調(diào)試。
細(xì)調(diào)整過程中，常常能發(fā)現(xiàn)與自動系統(tǒng)投運相關(guān)的其它問題，如設(shè)備可控性問題、管理問題等。以細(xì)調(diào)整為主線解決相關(guān)問題，可促使自動系統(tǒng)按設(shè)計要求長期、穩(wěn)定地運行。
2.逐步采用先進(jìn)控制理論與算法、大型優(yōu)化軟件包
傳統(tǒng)控制理論和算法運用得當(dāng)，可以取得良好效果，這在國內(nèi)有相當(dāng)多的工程實例。
有些電廠或科研設(shè)計單位嘗試使用了不同類型的先進(jìn)控制理論或算法、大型優(yōu)化軟件包，取得了一定的效果，但尚未明顯表現(xiàn)出獨到之處。
目前，國內(nèi)對先進(jìn)控制理論、算法，特別是針對電站控制的先進(jìn)算法以及優(yōu)化軟件包的研發(fā)相對落后，應(yīng)加強(qiáng)，并應(yīng)在實踐中不斷完善，逐步采用。
3.DCS改造應(yīng)提高層次
對老機(jī)組控制系統(tǒng)實施DCS改造，易陷入僅更換"工具"、"界面"的低級水平，有"換湯不換藥"的嫌疑。工程設(shè)計中過多照顧了電廠檢修、運行習(xí)慣，未能發(fā)揮DCS可實現(xiàn)復(fù)雜控制策略的優(yōu)勢，從而無法全面提高控制水平。
對"工程設(shè)計"(尤其是改造項目)未給予足夠重視。有些改造項目限于工期、人力等因素，由電廠熱工人員將原控制策略"翻譯"成DCS組態(tài)軟件即告完成設(shè)計，造成DCS改造工程的先天不足。
一次設(shè)備改造滯后，制約了DCS功能的發(fā)揮。在設(shè)計先進(jìn)控制策略時，不得不考慮落后被控設(shè)備的特性(過多考慮故障情況)，使得控制策略復(fù)雜化。一些復(fù)雜的順序控制設(shè)計、完善的聯(lián)鎖設(shè)計，常因為現(xiàn)場回饋信號及執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作不正常而被取消或"基本不用"。
對于改造機(jī)組，已積累了多年的運行經(jīng)驗，掌握了設(shè)備特性。這些優(yōu)勢只要體現(xiàn)在DCS設(shè)計中，即可在短時間內(nèi)明顯改善控制效果。
四、加強(qiáng)管理、規(guī)范設(shè)計、強(qiáng)化考核
1.招、投標(biāo)與合同授予
招標(biāo)過程要把好配置關(guān)口。招標(biāo)文件常常只能對控制系統(tǒng)的性能(包括余量等技術(shù)指標(biāo))提一般要求，有些投標(biāo)方盡量壓縮配置以獲取價格競爭力。一些用戶片面認(rèn)為"現(xiàn)在DCS技術(shù)很成熟了，都能用"，未對其性能、目標(biāo)配置進(jìn)行深入研究，最終易留下"配置不足"的系統(tǒng)硬傷。
合同授予應(yīng)平等。同樣，因市場競爭激烈，當(dāng)前的DCS技術(shù)條款、商務(wù)合同，從招標(biāo)文件開始到合同簽訂，不同程度地有對賣方過于苛刻要求甚至不平等條款存在，如付款方式、考核條件、違約(罰款)條款等。過于苛刻甚至不平等條款往往難以落實，影響了合同的嚴(yán)肅性，也使得其它合同條款的正常執(zhí)行受到干擾。
合同執(zhí)行應(yīng)嚴(yán)格。特別對合同中的技術(shù)文件，簽訂要慎重，執(zhí)行須嚴(yán)格，否則可能影響DCS使用效果，最終使用戶利益受損。
2.規(guī)范設(shè)計
當(dāng)前DCS技術(shù)的成熟使用被夸大化，DCS應(yīng)用人為簡單化，表現(xiàn)為設(shè)計隨意性大、設(shè)計費用也隨之降低、DCS設(shè)計工作人力投入減少，直接影響到設(shè)計質(zhì)量。常規(guī)DCS項目不被重視，在設(shè)計、現(xiàn)場投運等環(huán)節(jié)上照搬套用，也是影響DCS應(yīng)用效果的重要原因。特別是目前電力市場擴(kuò)展較快，工期較緊，更需嚴(yán)格規(guī)范作為控制核心的DCS設(shè)計工作。
《火力發(fā)電廠分散控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范書》等文件對DCS招標(biāo)及設(shè)計工作意義重大，但作為指導(dǎo)性文件，一些技術(shù)條款、指標(biāo)的貫徹落實情況不甚理想。
DCS應(yīng)用軟件設(shè)計工作應(yīng)逐步走向標(biāo)準(zhǔn)化。一些實力雄厚的科研院所、工程單位或供貨商按ISO 9001 2000版要求建立了完整的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，包括DCS應(yīng)用軟件設(shè)計在內(nèi)，均有"作業(yè)指導(dǎo)書"、"檢驗標(biāo)準(zhǔn)"等體系文件。按標(biāo)準(zhǔn)程序完成設(shè)計工作，可保證設(shè)計質(zhì)量。
3.加強(qiáng)培訓(xùn)，提高運行、維護(hù)水平，是提高DCS應(yīng)用水平的有效途徑
對用戶進(jìn)行培訓(xùn)，確保其對DCS的正確維護(hù)使用，是提高運行水平便機(jī)組安全、可靠、高效運行的重要保證。
作為DCS的長期直接使用者，電廠的運行和維護(hù)人員深入了解DCS(性能、功能)，不僅有助于正確、準(zhǔn)確、迅速地完成運行操作，還可能結(jié)合運行實踐提出有益于DCS修改、完善的合理化建議。
電站仿真技術(shù)近年來發(fā)展較快，基于物理機(jī)理的全范圍、全過程仿真系統(tǒng)已被運行人員認(rèn)可。運行人員可在相同(相當(dāng))的人機(jī)界面得到訓(xùn)練、實踐，同時該類仿真系統(tǒng)的分析功能還可為DCS控制策略的制定提供參考、幫助。仿真系統(tǒng)未來將在運行人員培訓(xùn)、提高DCS應(yīng)用水平方面發(fā)揮作用。
4.強(qiáng)化考核
考核是管理的重要環(huán)節(jié)，要提高DCS在國內(nèi)電站應(yīng)用水平，強(qiáng)化考核無疑是有效促進(jìn)手段之一。當(dāng)前，國內(nèi)無論是新建項目還是改造工程，在DCS投運后，進(jìn)行規(guī)范考核測試的案例數(shù)量少，比例低。一些用戶在招標(biāo)及合同階段的"高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求"最終因未進(jìn)行權(quán)威、公正的考核、測試而落空。考核缺位，形成了DCS項目的開放式管理，難以保證應(yīng)用效果。
現(xiàn)行各項考核標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的各項指標(biāo)，只能算平均先進(jìn)水平，但要全面滿足標(biāo)準(zhǔn)要求也有一定難度。必須通過規(guī)范設(shè)計、深入反復(fù)的調(diào)整試驗，使得控制系統(tǒng)達(dá)到一定水平，才可能通過測試和考核。
若能將考核工作制度化、規(guī)范化，必將從政策上促進(jìn)DCS應(yīng)用水平的提高。
五、結(jié)束語
DCS在我國火電廠的普遍應(yīng)用，使機(jī)組的自動化水平明顯提高，但DCS技術(shù)的成熟應(yīng)用以及DCS強(qiáng)大功能不應(yīng)被夸大。新的電力形勢要求我們從管理、設(shè)計、考核、培訓(xùn)等多方面著手，進(jìn)一步提高DCS的安全可靠性，改善DCS自動控制效果，使DCS在火電廠的應(yīng)用達(dá)到新的境界。