Teleperm-XP分散控制系統AP擴容改造
一、問題的提出
山西陽光發電有限責任公司3#機組采用的DCS控制系統為90年代西門子控制系統TELEPERM—XP第一代產品，屬當時較早應用該系統的機組，投產以來一直未進行過升級改造。由于現在的軟、硬件應用設計、配置等原因造成了實時數據傳輸遲延、AP負荷較高、系統資源不足等一系列的問題，已經影響系統的正常運行，我們通過廣泛的技術交流和分析，對擴容改造的必要性和可行性進行了研究和論證，認為這些問題的解決必須進行擴容、升級等改造才能實現。通過擴容改造達到增加系統資源、降低AP負荷等目的，確保系統安全、持續運行。
1.1 系統擴容必要性
1.1.1 系統擴展硬件資源余量不足
a) DCS設計要求每個機柜內的每種類型的I／O都府陔有10～15％備用量。實際統計除APF機柜內備用量滿足要求外，其它機柜內的I／O備用量常用的210一E型已經不足6％，210一Z型已經沒有空余通道，210一DCM控制通道備用量不足3％，影響被控設備改造等進行的資源擴展需要。
b) DCS設計每個機柜內應該有10～15％的模件插槽備用量。實際統計AP1僅剩3個槽位，備用率為5.2％；AP2僅剩2個槽位，備用率為3.2％；AP3剩3個槽位，備用率為5.2％，AP4剩6個槽位，備用率為10.05％。槽位備用明顯不足。
1.1.2 AP系統軟件資源不足
由于設計及后期邏輯增加，AP1、AP2出現軟件資源不足問題。2001年4#機組小修中，在增加主機振動主保護時，發現AP2系統的C2周期已經占滿，無法使用，而保護信號的傳輸需要在C2以上的周期內安排，確保保護動作的實時性。當時只有將邏輯移動到AP3中運算，并將AP2中部分不重要信號的周期降為C3后，重新打包生成代碼。經過對3#、4#機組各4套AP資源測試分析，發現部分功能程序塊PB調用余量很少，其中，AP1、AP2最明顯。
1.1.3 部分重要信號未實現冗余
3#、4#機組為2套冗余PU、4個AP，I／O點數設計為4870點／單機。2002年6月24日，4#機組汽機調門開度信號所在模件故障，引起RB誤動，導致D組給粉機掉閘，造成燃燒波動。經檢查，汽機調門信號采集模件為非冗余配置，影響其可靠性。經過對3#、4#機組類似信號進行統計，發現每臺機組需要冗余配置的重要信號為18個，而目前機柜內已經沒有對應的空余槽位實現上述信號的冗余。
1.1.4 目前AP負荷超標，影響系統安全運行
3#機組2月12目測試AP1負荷43％，AP2負荷52％，AP3負荷65％，AP4負荷65％。兩門子建議AP負荷最好在40％以下；《火力發電廠分散控制系統在線驗收測試規程》規定，中央處理單元惡劣工況卜負荷率不得超過60％。
上述問題充分說明，有必要增加一套AP系統，將部分其它AP的內容移至新增AP內，降低負荷，同時增加資源冗余度。
1.2 系統擴容可行性
1.2.1 DCS提供商西門子公司技術支持
通過與西門子公司專業人員技術交流，以及由德國西門子總部系統測試，目前T－XP系統2套冗余PU、1套冗余SU的配置，以及主機性能、軟件資源滿足擴展AP系統需求。擴展AP后不影響會提高低層控制系統的可靠性。
1.2.2 其他廠家的經驗
來自首屆T—XP系統技術交流會的信息，我們公司3#、4#機組AP資源不足問題在部分其它T—XP電廠用戶也存在。其中，揚州二電廠已經擴展了2套AP，主要解決AP負荷過重問題。擴展后該廠因DCS引起的機組異常狀況明顯下降。
二、擴容的方案、技術和安全措施
基于上述原因，我們通過對運行工況下3#機組T—XP系統AS620B系統各子系統測試分析，在綜合考慮大修進度、系統安全、供貨時間和擴容工作可能出現的問題等因素后，決定新增加一對AP(增加的AP定義為AP5，機柜定義為DC09柜)，將AP3中的部分資源遷移至新增的AP5內，降低AP3的負荷。經研究確定如下方案和措施：
2.1 方案
2.1.1 考慮到大修進度和設備劍貨時間的限制，不適合對AP各子系統作大規模的調整，確定將AP3內擴展柜內的三層機架(即：AP3的DC06柜AG層信號、BG層信號、CG層信號)直接遷移到AP5，機柜和模件位置不動，通過總線和AP5相連，相應的代碼、功能區進行修改；具體涉及異動內容包括：
AP3異動的馬達、擋板等信號，共80臺；
AP3異動的連續控制設備，共18套；
AP3異動的4-20mA模擬量信號，共103個；
AP3異動的ptl00溫度信號，共110個；
2.1.2 在AP5中需要冗余配置的15個信號和3個非兀余配置信號，直接從MC柜的原接線位置拆除，在MC柜內新增加端子排，將異動的信號全部重新打線，集中通過信號線送到AP5內，利用新增模件實現。刪除原來組態的信號邏輯。新增信號2個。具體信號為：模擬量9個，開關量11個。
2.2 主要技術、安全措施
a)精確定義擴容的范圍，根據人修進度制定項目的進度時間表，并嚴格執行。對實際工程進度要做詳細的記錄。
b)機組停運前對系統進行負荷測試，并做記錄作為原始資料保存和擴容改造前后的效果對比。對涉及擴容的相關邏輯在下作開始前要進行打印、歸檔。對每個異動的設備詳細統計、整理。
c)機組停運前對系統進行全面檢查，確保系統的完好性。擴容工作開始前，對ES680系統、項目進行雙備份；對OM系統的PU、SU、OT進行雙備份。保證系統擴容出現問題時能恢復到一個正常狀態。
d)擴容工作要嚴格執行《火力發電廠分散控制系統運行檢修導則》和西門子公司的技術規范。
e)擴容改造硬、軟件完成后，要對系統進行功能和性能測試。包括I／O功能、OM顯示功能、工作站功能、報表打印存儲功能等功能和AP負荷、總線負荷、電源性能等性能測試和檢查。以上各項工作完成后系統投入試運行。
三、擴容改造的實施過程、步驟
3.1 擴容前的準備工作
a) 對系統進行備份，HP9000、PU、SU、OT各備兩份。
b) 對涉及擴容的每個功能圖和相關功能圖進行打印，存檔。
c) 對AP和OM的代碼做無錯性檢查，確保在擴容前系統正常。
3.2 硬件的安裝和連接
a) 機柜和機架的安裝：硬件安裝和軟件工作可以同時進行。機座采用槽鋼焊接與原DC08柜剛性連接，在底座上加膠皮作為機柜防震措施，最后用螺栓將機柜和底座固定。
b) 電源的連接：機架與機柜使用螺栓無電阻連接(在機柜出廠時己固定好)，機柜采用24mm2電纜與接地點連接。DC09柜電源采用PC01、PC02兩路獨立電源冗余供電，電源柜采用25A斷路器，電源線采用4×20mm2電纜連接。
c) 網絡的安裝連接：在Plant Bus的星藕器中插入兩塊網絡接口模件ECTP3；分別用2根網絡電纜6XVl850—OBN20連接Plant Bus星藕器中的ECTP3和DC09柜中的CP1430；將DC06柜IM614至DC05柜AP3中IM304的2根電纜拆除，并將相連的IM304拆除；將DC05柜拆下的IM304模件插入DC09柜DG051和DG131中。并且用I／O總線電纜6ES5721－0CC00分別將DC06柜的IM614與DC09柜DG051和DG131的兩塊IM304連接；
d) 模件、網絡參數設定：包括FUM機架、網絡接口模件、I／O總線模件的地址、參數設定。上電均正常后，用PG740給CP1430進行地址設定。
e) 上電前的檢查：對電源連接、總線連接、接地連接等進行檢查測試；機柜采用分步上電，兩路電源分別上電，檢有機柜背后電源兩個L+應為24V±1V，兩個M接地。正常后再給AP上電，機架上電；對各個模件的狀態進行檢查，正常后機柜投入試運行，具備代碼的下載條件。
3.3 軟件組態
a) AP.license寫入：T—XP系統在出廠時對系統的AP數量作了限制，擴容增加AP必須在購買產品時，獲得本項目的AP1icense，并將其寫入ES680系統，之后才可以開始增加AP的軟件的修改、組態工作。
b) 軟件框架建立：在系統硬件拓撲圖YDH：1YQTXP00上增加AP5。重新組態硬件YDM圖：DC05、DC09。將DC05中的擴展機柜二層機架刪除；在新增DC09中加入DC09基本機架和DC05的擴展機架；重新組態YDR圖：DC06.AG DC06.BG DC06.CG。新增YDR圖：DC09.AG DC09.BG DC09.DG。
c) 應用軟件組態：對涉及擴容的YFR圖修改，調整AP號。對AP的CPU REFERENCE進行調整。
d) 代碼的生成和下載：擴容涉及各個AP，分別對AP1、AP2、AP3、AP4、AP5、APF，進行硬件、軟件、LAN的代碼生成和下載。對ASR、PROCESS FUNCTION、PROTOCAL、MMI、BDM和FUP分別生成和下載至對應的PU、SU和OT。
3.4 系統測試
a) 使用西門子公司提供的測試手段Pgmaster對所有AP及APF進行負荷測試。測試結果見表1。
b) 對每對AP分別進行冗余切換試驗。對每對PU、SU分別進行冗余切換試驗。
c) 在OM畫面上觀察涉及本次擴容的每一個信號和設備，檢查其狀態是否正常。
d) 對涉及本次擴容的各個AP之間互相傳輸的信號，采用在MC柜用信號發生器接入的方式進行檢查，觀察其傳輸是否正常。
e) 檢查信息存儲、打印功能是否正常。
四、改造的實施結果、問題和建議
4.1 實施結果
a) 通過AP的擴容改造，有效的降低了AP的負荷，提高了底層控制系統的安全性、可靠性。負荷測試結果見表1。
注：改造后測試結果為連續12天在機組不同負荷工況下的最大值。
b) 為系統的擴展提供了必要的便件、軟件資源，為下一步系統改進奠定了基礎。擴容后為系統提供了38個標準槽位。
c) 對部分重要信號進行了冗余配置，提高了系統的可靠性、安全性。對15個信號進行冗余配置。
d) 系統靜態測試、熱態測試、負荷測試、冗余切換、信號傳輸及控制功能測試均正常。
4.2 存在的問題和建議
a) 擴容改造為系統的穩定運行奠定了基礎，但3#、4并機組T—XP系統投產以來，一直未進行軟件的升級，一些固有的問題西門子公司也是通過對軟件的升級來解決的，因此建議對系統的軟件進行升級。這也是德國西門子公司T—XP系統管理中心在2003年2月7日對公司3#機組測試后提出的建議。軟件的升級將解決該系統在眾多用戶使用工作中出現的問題。例如：ES680軟件的升級，將會極大的提高系統軟件處理能力。
b) 建議對PU、SU硬件進行升級。以此來提高機器的性能和軟件處理速度，整體提高DCS的性能。同時因為這些硬件在市場上已不是主流產品，當出現故障時較難修復和購置。
c) 擴容是一項復雜龐大的工程，為了保證安全、可靠，建議住今后進行此類工作時為系統測試留出足夠的時間。并且對系統試運行全面監測。
山西陽光發電有限責任公司3#機組采用的DCS控制系統為90年代西門子控制系統TELEPERM—XP第一代產品，屬當時較早應用該系統的機組，投產以來一直未進行過升級改造。由于現在的軟、硬件應用設計、配置等原因造成了實時數據傳輸遲延、AP負荷較高、系統資源不足等一系列的問題，已經影響系統的正常運行，我們通過廣泛的技術交流和分析，對擴容改造的必要性和可行性進行了研究和論證，認為這些問題的解決必須進行擴容、升級等改造才能實現。通過擴容改造達到增加系統資源、降低AP負荷等目的，確保系統安全、持續運行。
1.1 系統擴容必要性
1.1.1 系統擴展硬件資源余量不足
a) DCS設計要求每個機柜內的每種類型的I／O都府陔有10～15％備用量。實際統計除APF機柜內備用量滿足要求外，其它機柜內的I／O備用量常用的210一E型已經不足6％，210一Z型已經沒有空余通道，210一DCM控制通道備用量不足3％，影響被控設備改造等進行的資源擴展需要。
b) DCS設計每個機柜內應該有10～15％的模件插槽備用量。實際統計AP1僅剩3個槽位，備用率為5.2％；AP2僅剩2個槽位，備用率為3.2％；AP3剩3個槽位，備用率為5.2％，AP4剩6個槽位，備用率為10.05％。槽位備用明顯不足。
1.1.2 AP系統軟件資源不足
由于設計及后期邏輯增加，AP1、AP2出現軟件資源不足問題。2001年4#機組小修中，在增加主機振動主保護時，發現AP2系統的C2周期已經占滿，無法使用，而保護信號的傳輸需要在C2以上的周期內安排，確保保護動作的實時性。當時只有將邏輯移動到AP3中運算，并將AP2中部分不重要信號的周期降為C3后，重新打包生成代碼。經過對3#、4#機組各4套AP資源測試分析，發現部分功能程序塊PB調用余量很少，其中，AP1、AP2最明顯。
1.1.3 部分重要信號未實現冗余
3#、4#機組為2套冗余PU、4個AP，I／O點數設計為4870點／單機。2002年6月24日，4#機組汽機調門開度信號所在模件故障，引起RB誤動，導致D組給粉機掉閘，造成燃燒波動。經檢查，汽機調門信號采集模件為非冗余配置，影響其可靠性。經過對3#、4#機組類似信號進行統計，發現每臺機組需要冗余配置的重要信號為18個，而目前機柜內已經沒有對應的空余槽位實現上述信號的冗余。
1.1.4 目前AP負荷超標，影響系統安全運行
3#機組2月12目測試AP1負荷43％，AP2負荷52％，AP3負荷65％，AP4負荷65％。兩門子建議AP負荷最好在40％以下；《火力發電廠分散控制系統在線驗收測試規程》規定，中央處理單元惡劣工況卜負荷率不得超過60％。
上述問題充分說明，有必要增加一套AP系統，將部分其它AP的內容移至新增AP內，降低負荷，同時增加資源冗余度。
1.2 系統擴容可行性
1.2.1 DCS提供商西門子公司技術支持
通過與西門子公司專業人員技術交流，以及由德國西門子總部系統測試，目前T－XP系統2套冗余PU、1套冗余SU的配置，以及主機性能、軟件資源滿足擴展AP系統需求。擴展AP后不影響會提高低層控制系統的可靠性。
1.2.2 其他廠家的經驗
來自首屆T—XP系統技術交流會的信息，我們公司3#、4#機組AP資源不足問題在部分其它T—XP電廠用戶也存在。其中，揚州二電廠已經擴展了2套AP，主要解決AP負荷過重問題。擴展后該廠因DCS引起的機組異常狀況明顯下降。
二、擴容的方案、技術和安全措施
基于上述原因，我們通過對運行工況下3#機組T—XP系統AS620B系統各子系統測試分析，在綜合考慮大修進度、系統安全、供貨時間和擴容工作可能出現的問題等因素后，決定新增加一對AP(增加的AP定義為AP5，機柜定義為DC09柜)，將AP3中的部分資源遷移至新增的AP5內，降低AP3的負荷。經研究確定如下方案和措施：
2.1 方案
2.1.1 考慮到大修進度和設備劍貨時間的限制，不適合對AP各子系統作大規模的調整，確定將AP3內擴展柜內的三層機架(即：AP3的DC06柜AG層信號、BG層信號、CG層信號)直接遷移到AP5，機柜和模件位置不動，通過總線和AP5相連，相應的代碼、功能區進行修改；具體涉及異動內容包括：
AP3異動的馬達、擋板等信號，共80臺；
AP3異動的連續控制設備，共18套；
AP3異動的4-20mA模擬量信號，共103個；
AP3異動的ptl00溫度信號，共110個；
2.1.2 在AP5中需要冗余配置的15個信號和3個非兀余配置信號，直接從MC柜的原接線位置拆除，在MC柜內新增加端子排，將異動的信號全部重新打線，集中通過信號線送到AP5內，利用新增模件實現。刪除原來組態的信號邏輯。新增信號2個。具體信號為：模擬量9個，開關量11個。
2.2 主要技術、安全措施
a)精確定義擴容的范圍，根據人修進度制定項目的進度時間表，并嚴格執行。對實際工程進度要做詳細的記錄。
b)機組停運前對系統進行負荷測試，并做記錄作為原始資料保存和擴容改造前后的效果對比。對涉及擴容的相關邏輯在下作開始前要進行打印、歸檔。對每個異動的設備詳細統計、整理。
c)機組停運前對系統進行全面檢查，確保系統的完好性。擴容工作開始前，對ES680系統、項目進行雙備份；對OM系統的PU、SU、OT進行雙備份。保證系統擴容出現問題時能恢復到一個正常狀態。
d)擴容工作要嚴格執行《火力發電廠分散控制系統運行檢修導則》和西門子公司的技術規范。
e)擴容改造硬、軟件完成后，要對系統進行功能和性能測試。包括I／O功能、OM顯示功能、工作站功能、報表打印存儲功能等功能和AP負荷、總線負荷、電源性能等性能測試和檢查。以上各項工作完成后系統投入試運行。
三、擴容改造的實施過程、步驟
3.1 擴容前的準備工作
a) 對系統進行備份，HP9000、PU、SU、OT各備兩份。
b) 對涉及擴容的每個功能圖和相關功能圖進行打印，存檔。
c) 對AP和OM的代碼做無錯性檢查，確保在擴容前系統正常。
3.2 硬件的安裝和連接
a) 機柜和機架的安裝：硬件安裝和軟件工作可以同時進行。機座采用槽鋼焊接與原DC08柜剛性連接，在底座上加膠皮作為機柜防震措施，最后用螺栓將機柜和底座固定。
b) 電源的連接：機架與機柜使用螺栓無電阻連接(在機柜出廠時己固定好)，機柜采用24mm2電纜與接地點連接。DC09柜電源采用PC01、PC02兩路獨立電源冗余供電，電源柜采用25A斷路器，電源線采用4×20mm2電纜連接。
c) 網絡的安裝連接：在Plant Bus的星藕器中插入兩塊網絡接口模件ECTP3；分別用2根網絡電纜6XVl850—OBN20連接Plant Bus星藕器中的ECTP3和DC09柜中的CP1430；將DC06柜IM614至DC05柜AP3中IM304的2根電纜拆除，并將相連的IM304拆除；將DC05柜拆下的IM304模件插入DC09柜DG051和DG131中。并且用I／O總線電纜6ES5721－0CC00分別將DC06柜的IM614與DC09柜DG051和DG131的兩塊IM304連接；
d) 模件、網絡參數設定：包括FUM機架、網絡接口模件、I／O總線模件的地址、參數設定。上電均正常后，用PG740給CP1430進行地址設定。
e) 上電前的檢查：對電源連接、總線連接、接地連接等進行檢查測試；機柜采用分步上電，兩路電源分別上電，檢有機柜背后電源兩個L+應為24V±1V，兩個M接地。正常后再給AP上電，機架上電；對各個模件的狀態進行檢查，正常后機柜投入試運行，具備代碼的下載條件。
3.3 軟件組態
a) AP.license寫入：T—XP系統在出廠時對系統的AP數量作了限制，擴容增加AP必須在購買產品時，獲得本項目的AP1icense，并將其寫入ES680系統，之后才可以開始增加AP的軟件的修改、組態工作。
b) 軟件框架建立：在系統硬件拓撲圖YDH：1YQTXP00上增加AP5。重新組態硬件YDM圖：DC05、DC09。將DC05中的擴展機柜二層機架刪除；在新增DC09中加入DC09基本機架和DC05的擴展機架；重新組態YDR圖：DC06.AG DC06.BG DC06.CG。新增YDR圖：DC09.AG DC09.BG DC09.DG。
c) 應用軟件組態：對涉及擴容的YFR圖修改，調整AP號。對AP的CPU REFERENCE進行調整。
d) 代碼的生成和下載：擴容涉及各個AP，分別對AP1、AP2、AP3、AP4、AP5、APF，進行硬件、軟件、LAN的代碼生成和下載。對ASR、PROCESS FUNCTION、PROTOCAL、MMI、BDM和FUP分別生成和下載至對應的PU、SU和OT。
3.4 系統測試
a) 使用西門子公司提供的測試手段Pgmaster對所有AP及APF進行負荷測試。測試結果見表1。
b) 對每對AP分別進行冗余切換試驗。對每對PU、SU分別進行冗余切換試驗。
c) 在OM畫面上觀察涉及本次擴容的每一個信號和設備，檢查其狀態是否正常。
d) 對涉及本次擴容的各個AP之間互相傳輸的信號，采用在MC柜用信號發生器接入的方式進行檢查，觀察其傳輸是否正常。
e) 檢查信息存儲、打印功能是否正常。
四、改造的實施結果、問題和建議
4.1 實施結果
a) 通過AP的擴容改造，有效的降低了AP的負荷，提高了底層控制系統的安全性、可靠性。負荷測試結果見表1。
注：改造后測試結果為連續12天在機組不同負荷工況下的最大值。
b) 為系統的擴展提供了必要的便件、軟件資源，為下一步系統改進奠定了基礎。擴容后為系統提供了38個標準槽位。
c) 對部分重要信號進行了冗余配置，提高了系統的可靠性、安全性。對15個信號進行冗余配置。
d) 系統靜態測試、熱態測試、負荷測試、冗余切換、信號傳輸及控制功能測試均正常。
4.2 存在的問題和建議
a) 擴容改造為系統的穩定運行奠定了基礎，但3#、4并機組T—XP系統投產以來，一直未進行軟件的升級，一些固有的問題西門子公司也是通過對軟件的升級來解決的，因此建議對系統的軟件進行升級。這也是德國西門子公司T—XP系統管理中心在2003年2月7日對公司3#機組測試后提出的建議。軟件的升級將解決該系統在眾多用戶使用工作中出現的問題。例如：ES680軟件的升級，將會極大的提高系統軟件處理能力。
b) 建議對PU、SU硬件進行升級。以此來提高機器的性能和軟件處理速度，整體提高DCS的性能。同時因為這些硬件在市場上已不是主流產品，當出現故障時較難修復和購置。
c) 擴容是一項復雜龐大的工程，為了保證安全、可靠，建議住今后進行此類工作時為系統測試留出足夠的時間。并且對系統試運行全面監測。
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