提高分散控制系统运行可靠性的措施

何有山

（许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000）

0 引 言

随着发电机组容量的不断增加和发电过程中智能化发展需要，控制系统的设计越来越复杂，发电机组运行的可靠性显得愈发重要。分散控制系统运行可靠性不足，易引起发电厂机组控制电源故障、控制系统故障以及机组可靠性事故等。文献[1-3]分别介绍了分散控制系统在发电厂方面的具体应用，取得了较好的效果。文献[4-6]分别从系统接地和供电等方面的可靠性出发进行分析评估，但缺少分散控制系统本身配置措施方面的分析和论述。文献[7]分析了国内两起由发电厂分散控制系统控制器故障影响机组运行安全性而发生的事故。文献[8-9]从不同方面分析了分散控制系统故障，并给出了应急处理措施。但上述文献均未从系统全局方面给出分散控制系统运行可靠性的解决方案。

为提高发电厂分散控制系统的运行可靠性，降低系统的故障率，需从工程项目的设计源头着手，采取措施保证分散控制系统供电的可靠性和控制系统本身配置的可靠性。本文结合现代工业主流的分散控制系统（DCS）在某发电厂工程项目自动化控制方面的应用，从控制系统的供电可靠性和配置可靠性两个方面出发，系统分析分散控制系统运行可靠性的措施。

1 提高系统供电可靠性措施

在分散控制系统工程项目的安装施工阶段，由于安装施工队伍专业知识水平参差不齐和安装施工阶段操作不规范等因素的影响，控制系统可靠性受供电电源的影响很大，且在调试阶段因信号相互干扰等故障影响，原因分析比较困难。分散控制系统的供电可靠性是其安全可靠运行的重要保障，主要包括系统电源和系统接地两个方面。

系统电源的作用是保障分散控制系统各设备的电源供应和正常运行。户内控制系统设备间的环境温度应该满足标准要求，周围环境空气温度不超过+40 ℃，且在24 h一个周期的平均温度不超过+35 ℃，周围空气温度下限为-5 ℃[10]。工业环境不同频率电磁信号的复杂性和特殊性，使得分散控制系统在运行过程中会受到各种干扰[11]，因此需对装置进行屏蔽和接地处理，从而有效控制信号传输中产生的静电干扰。此外，为保证分散控制系统的设备和信号等免受各种系统的电气干扰，低压配电系统接地可采用TN-S接地系统，将电源的相线、零线以及地线分开单独设计，提高分散控制系统电源的稳定可靠性[12]。

电源应避免高负荷运行，一般不要超过线路额定负荷的60%，同时要考虑用高品质的电源。一般采用两路不同母线厂的保安电源供电，其中一路通过UPS供电，两路电源互为备用，可无扰切换，从而提高电源供电的可靠性，且一段母线出现问题不会影响DCS系统的电源供应。典型的系统电源分配原理如图1所示。

分散控制系统接地一般可分为保护接地（Cabinet Ground，CG）和逻辑接地（Digital Power Ground，PG）。其中，保护接地包括屏柜外壳接地和电源外壳接地等，逻辑接地包括屏蔽地等。分散控制系统的机柜外壳、逻辑地以及屏蔽地等应分别接至各机柜的保护地。一些测量和控制等信号在传输距离较远时，为了避免干扰应选择线路屏蔽措施，以减少电磁场内部感应浪涌的幅值[13]。信号的屏蔽地应采取单端接地的方式，统一接在保护地上。

为了消除分散控制系统受到供电干扰、公共阻抗、雷击引入以及漏电阻等方面的干扰，可将保护接地分成若干个站组，每个站组内实行单点接地，所有的接地点必须接触可靠[14-15]。此外，分散控制系统机柜与地板或金属槽钢必须采取绝缘隔离措施，系统的接地铜板到大地的接地电阻不大于2.5 Ω。典型的单站组接地方式如图2所示。

2 提高系统配置的可靠性措施

图1 典型的系统电源分配原理图

图2 典型的单站组接地示意图

分散控制系统的系统配置包括系统选择、控制器DPU、通信网络以及信号输入和输出等。张俊杰和熊锐等人[16]提出了分散控制系统的全局超稳定判据，从超稳定性角度出发，得到判定全局超稳定的充分条件。为此，可以将分散控制系统的各控制处理单元看作弱关联的分散系统，然后从以下6个方面提高分散控制系统的可靠性。

2.1 检验与优选系统

在选择分散控制系统厂家时，应选择技术先进成熟的分散控制系统，确保工厂在制造、设计以及调试过程中控制所有设备或部件的质量。将集成DCS系统各器件、部件以及设备的整个系统的平均无故障时间（MTBF）提高至大于200 000 h，另外平均故障修复时间（MTTR）小于5 min。

2.2 采用冗余设计思想

在分散控制系统的设计上，应用当今世界上先进的技术理念，采用多方位的冗余设计思想。例如，控制器在控制系统中肩负着控制中枢作用，应采取冗余配置，实现在线维护和调试。当一个控制器出现故障时，应能实现无扰切换，避免发生文献[7]中由控制器故障导致的事故。控制主干网、I/O通道以及I/O站控制等模件需采用冗余和容错技术，保证重要的通信网络和I/O信号不会因为某条网络或某个I/O信号出现故障而影响整个机组的运行可靠性。操作站互为热备用，任一操作站均能监控系统的所有设备。此外，历史数据记录热备用，防止重要数据丢失。

2.3 采用隔离设计措施

分散控制系统的设计中，从多方面、多层次体现了隔离设计原则，使系统设备故障最小化，减少了某个通道和模件故障对其他模件或设备的影响。

2.4 分散度设计

在系统设计应用上充分体现了分散和自治原则。虽然控制器的性能强大，但在设计上仍采用充分分散原则，采用多对控制器设计，且每对控制器负责控制的输入和输出信号（I/O）数量控制在400个以内。在分配I/O信号时，应使任一I/O通道损坏的影响尽可能小[17]。此外，冗余配置的I/O信号应分别配置在不同通道板上，重要的I/O信号也应分别配置在不同I/O站的通道板上，从而保证一个I/O通道板或I/O站出现故障时对机组的安全性影响最小。

在控制优化过程中，应注重提高系统自身反应灵敏度，以高效的单元控制监督机组运行。一个项目同一个子系统的I/O信号应配置在同一个控制器内，尽量减少不同控制器间的信号调用，从而减少信号调用造成的信号传输滞后或灵敏度降低现象。在I/O信号分配通道板卡时，每块板卡应留有一定的余量，为后续的设计更改或个别故障I/O通道提供就近I/O接口。

2.5 控制逻辑与工艺系统相适应

设计时应做到当电源或气源消失时，工艺系统的执行机构仍保持在预置的安全位置，从而保证不会危及设备安全，不出现设备误动。例如，利用气源控制通断的电磁阀时，需要了解是通气通型还是断气通型，确保系统失去气源时工艺系统内的介质不会外泄造成意外等。DCS系统控制回路按“开路运行”原则运行时，应提供合闸与跳闸的“短脉冲”式控制指令。设计顺序控制逻辑时，如果出现保护和连锁指令，则应立即执行，确保保护信号具有最高的优先权[18]。需要说明的是，人工指令比自动指令优先。

2.6 自诊断与在线维护

系统的操作级别具备分级功能，至少具有操作员和工程师两种操作级别。操作员级别具备对系统各功能进行监控和在线自诊断的功能；工程师具备在线维护和调试故障的功能，必要时需通知维护人员及时处理。某工程项目的分散控制系统监控画面如图3所示，从设备和测量信号的颜色可以分辨出信号是否正常。其中：绿色显示为正常状态；红色显示为超出正常范围，提醒监控人员调整控制参数；粉色显示为信号故障，提醒监控人员对其进行维护或更换相应的测量仪表等。对于自动设备，还可设置自动/手动运行方式，并在监控画面显示自动/手动状态。

图3 分散控制系统监控画面

3 结 论

在分析发电厂分散控制系统故障的基础上，提出了分散控制系统电源的可靠性措施和系统配置的可靠性措施，并成功应用于电站监控、化工及其他工业控制工程项目，能够有效提高控制系统运行的可靠性，提高工业自动化和智能化水平，实现测量、控制以及监控的智能化，减少系统故障率、人员劳动强度和设备运维成本，适用于工业自动化、智能化设计以及工程推广和应用。