火力发电厂DCS系统可靠性之研究

抚顺矿业中机热电有限责任公司 张勇刚

1 火力发电厂的DCS 系统分析

1.1 DCS 系统

DCS 系统又叫DCS 控制系统，在自动化生产中DCS 系统具有较高的应用价值，其中，火电厂在实际的DCS 系统应用时，对计算机技术、系统控制技术、网络通信技术和多媒体技术等的有机结合，从而构建符合DCS 系统需求的窗口友好人机界面并具有较强的通信能力，从而满足DCS 系统在实际的应用过程中保证设备管理，确保技术探讨控制的效果，从而实现过程管理的现代化管理，确保火力发电厂的可靠性和稳定性[1]。

DCS 系统在实际的运行中会运用到A/D 转换器，也就是信号采集卡，并将现场的工艺信号等转变为电子信号，将这些工艺信号包括电厂运行中的温度、压力和流量等信息，通过做A/D 转换器实现信号的转变，从而保证系统能识别这些信息，并以此为基础将数据信息存储在控制器内，再通过人机交互界面，相关工作人员可以实现对开关阀门的控制，同时操作人员还可以利用人机交互界面向设备发送相应的指令，从而保证变频器转数稳定，确保火力发电厂的稳定运行，降低安全隐患[2]。

除此之外，DCS 系统在实际的运行中还能实现对现场的遥控，系统在运行中如果有工艺变更的需求，可以由工作人员到人机交互界面实现对命令的传达，从而保证DCS 系统维持较好的运行状态，确保火力发电厂的控制，有效控制安全隐患，提高设备的运行质量。并且实际的工作中不仅能够发挥自身的功能，还能遥控现场设备，同时还可以通过组态编程实现PID、连锁和顺序控制等功能，进而满足火力发电厂的基本需求。

1.2 工程概况

为了保证分析的效果，本文以某一具体的工程为例分析具体的可靠性问题。本工程为一火力发电厂，机组为了提高系统的稳定性，近些年对其进行了改造，改造后的DCS 系统结构图如图1所示。因为近些年DCS 系统在实际的工作中容易出现一些问题，所以为了确认是否是系统存在问题，针对系统进行了可靠性分析。

图1 DCS 系统结构图

2 火力发电厂的DCS 系统可靠性研究

2.1 硬件的可靠性分析

火力发电厂在实际的工作中，DCS 系统想要较好的可靠性就需要对系统的硬件进行保证，确保硬件的稳定运行。DCS 系统的硬件可以分为监控网络、系统网络和控制站内的控制网络，控制网络对全厂的锅炉和电气设备等进行控制。所以为了保证硬件的可靠，就需要将CCS 和DEH 控制站加到保护系统中，如果发生安全事故他们可以对系统进行保护，从而避免DCS 的软件和硬件出现异常保护的问题，像信号的损坏。输出板错误和设定模板故障等。所以为了确保硬件的可靠性，CCS 和DEH 控制站的应用就十分必要。

结合本工程的实际情况，能够获得DCS 系统的可靠性框图。根据图2进行研究，可以发现DCS 系统的可靠度可通过计算获得，具体的计算公式为：。图2中A是用于描述控制站的串联集合，以此为基础可对各个子站的可靠度算法进行计算。公式为：

图2 DCS 系统的可靠性框图

通过可靠度的计算能够获得硬件的可靠度计算情况，图2中E 代表人机接口设备的集合，这部分是由操作员站和1台工程师站组成，系统正常运行时，工程师站变为操作员口令、等同于操作员站，所以在实际的应用中，人机接口站子系统就可以被看作并联的组合，所以算法公式也可以做出相应的改变，从而得到公式，以此为基础能够实现对机组的可靠度计算，从而实现对硬件部分的可靠性分析，根据计算结果对可靠性进行研究，从而确保DCS 处于较好的运行状态。

2.2 根据故障分析子系统的可靠性

结合本工程的DCS 系统，为确保系统的可靠性，需要对系统的子系统可靠性进行研究，从而确保整体可靠性。子系统可靠性通过计算能够获得，但是要注意对故障的研究，将故障纳入的可靠性的分析体系中，从而实现对子系统的可靠性计算[3]。相关研究表明，电子产品在使用期间会出现失效率趋近于一个稳定的数值，具体的计算公式为λ=1/MTTF;R(t)=e-λt（1）。

发电厂在MAXIMO 缺陷管理系统中，能够查到DCS 系统中发生的设备故障情况，并且能够根据故障发生状况查询到故障发生的时间，结合本工程的实际情况，能够得到改造后的一个大修周期内产生的DCS 系统有关的故障数据，可以得出DCS系统单元模块MTTF。以此为基础，可以得到单元、子系统的MTTF，这样就可以按照公式（1）进行计算，进而获取子系统的可靠性。例如，本工程将一个大修周期的故障数据带入，从而获得了系统的可靠性时间，经过确认后，发现可靠性时间为100000h，根据这一内容可以得到相应的计算情况，进而获取准确的数据信息，最终能够得到子系统的可靠性的数据。

除此之外，还要对软件的可靠性进行计算，可以按照公式Rs=0.9o×0.95o×0.972×0.981×0.999完成计算。计算后就可以获取软件的计算内容，满足实际系统的需求，确保软件的可靠性。

3 提高DCS 系统可靠性的方法

为了保证DCS 系统始终处于较好的运行状态，具备较高的可靠性，就需要实施有效的方法，提高系统的可靠性。

为克服问题，需要对火电厂DCS 系统存在的问题进行控制，降低问题对系统的影响，从而保证设备的可靠性。要保证主控单元的负荷率相对较低且控制负荷率不超过40%，从而保证系统的可靠性，另外注意尽量分散I/O 模块到其他站内，同时将部分性能计算方法扫描周期进行调整，将原本的250ms 调整为1s，同时一些相对次要的控制算法要将扫描周期由250ms 调整为500ms，从而有效地对负荷进行控制，确保负荷在30%以内。

根据控制站控制网Profibus-DP 协议的相关要求，总线的特性阻抗应该在110Ω 左右，实际连接中，如果出现“虚接”的情况，总线的特性阻抗就会随之发生变化，且当阻抗过大时终端匹配器就会出现一定的变化，会导致终端匹配器失去本身应该具有的匹配作用，从而就会导致控制网离线故障的发生。造成DP 总路“虚接”的原因很多，这些原因都会给DCS 系统的可靠性带来影响，所以需要对这些问题进行控制。如果是因为安装不够紧固，就要对他们进行加固，垂直安装的模块底座受机械振动引起的触点松动和现场环境不佳情况，就会引起触点出现氧化问题。对于这部分需要对底座进行检查。如果有这种情况，就要临时在底座上添加DP通讯端子，从而确保系统可靠性。