提高DCS火電廠應用水平之淺見

一、DCS在火電廠應用現狀
自上世紀九十年代至今，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DAS、MCS、SCS、FSSS等，部分DCS控制范圍包括了DEH/MEH、ECS、ETS等。DCS應用技術也已成熟，采用DCS實施的熱控系統功能也能基本滿足機組主輔設備控制要求。但是，DCS總體應用水平還不夠高，未充分發揮DCS應有的作用。
在工程應用中，DCS的安全性、可靠性尚待提高。調研表明，因DCS(含DEH)系統自身故障造成機組跳機的次數占誤動跳機次數的近一半，而且DCS故障多呈現"軟故障"的特點，較難確切分析查找原因，并易造成反復跳機的隱患;如何規范設計，挖掘其資源，科學、合理、有效使用之，提高其利用率，也是當前DCS應用的重要任務;針對電站的控制功能(如先進控制算法、大型先進優化軟件包)尚需研發、拓展。
同時，當前對DCS系統(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的應用效果，這不利于DCS應用技術的提高和發展。
新的電力形勢對機組，特別是對機組熱工自動化系統的安全、可靠性要求更為嚴格，對自動控制水平也有更高要求。本文筆者結合近年來DCS工程實踐經驗，就DCS應用中一些"老話題"、"老問題"進行分析、探討，愿對提高DCS應用水平有促進作用。
二、提高DCS在火電廠應用的安全可靠性
1.關于處理器
國內使用的一些DCS在處理器方面仍有如下表現:冗余處理器的主備切換不正常;處理器的初始化易引發意外;處理器配置不夠，負載較重，風險集中等。應采取有效措施，避免冗余處理器切換故障發生。
近幾年，國內發生多個冗余處理器對未能正常切換而發生故障的案例，有些甚至引起機組跳閘。究其原因，可能是處理器對抗干擾能力差，或系統安裝、連接不合格，或其它原因。檢修、維護中應特別注意在機組停運時對有"前科"的處理器對的測試、觀察和狀態跟蹤。在接地系統、電源配置、網絡連接中排除可能產生的干擾因素，控制系統區域應具備防止干擾措施，如I/O通道的隔離、良好的電纜屏蔽和合理的電纜走向、"關閉手機"的警示等。
處理器的配置應滿足分散度要求、負荷率要求，并能兼顧系統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則》一文中有更多闡述)。在激烈的市場競爭中，處理器的數量常常因商務原因而配置偏緊，導致分散度不夠或負載較重。有些DCS因處理器負載重最終不得不以降低處理速度作為代價。一些DCS在投運后出現畫面刷新慢、通信速度慢、甚至處理速度不一致而導致錯誤邏輯關系等，這常常是由于處理器負載過重引起的。有些DCS為降低處理器負載，均衡處理任務而放棄工藝、功能劃分原則。總而言之，充裕的處埋器余量是必要的，不能因節省經費或市場競爭而影響系統性能。
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，在實際應用中這種子模件常常與主(大)處理器一起分擔控制處理任務。由于子模件一般不做(也不易實現)雙重冗余配置，對子模件控制任務的分配應特別慎重，重要的控制任務最好由主處理器完成。由子模件完成重要控制任務(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。
重視機組運行中的處理器初始化。注意系統維護，盡可能避免機組運行中出現處理器初始化(可能因在線組態下裝造成;可能因處理器不正常主備切換導致重啟造成;也可能由干擾或其它不明原因引起)。設計中應重視初始化參數的選擇(工程應用中常被"默認"而過，缺乏仔細研究)，一般選擇維持原狀態，特別注意盡量避免觸發除報警外的"動作"，如果觸發動作應確保在任何狀態是朝向安全的。
2.通信接口
隨著計算機網絡與通信技術的發展，DCS與其它系統的通信也越來越容易，但近年來國內還是有因通信問題導致或誘發機組跳閘甚至擴大至設備損壞的案例(不再詳述)。筆者建議:同一廠內不同(機組或種類)DCS(包括公用系統、輔控系統)在建立"點信息記錄"、"標簽名稱"等方面應重視總體規劃，規范設計，避免接口通信中錯誤的刷新、覆蓋;同時應盡量避免機組運行中的通信程序修改維護、通信代碼傳遞。
3.報警系統
報警系統是人機界面的重要組成部分，同時報警系統涉及的數據信息量多面廣，常常是導致DCS通信故障甚至處理器、操作站"死機"的禍根。報警系統的設計是目前DCS應用(特別是老機組DCS改造項目)的薄弱環節。
"報警信息多"是很多機組DCS的通病(也是"老病")。除設備原因外，不合理的報警內容使得報警系統異常繁瑣。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"設置較多(據了解有個別300MW機組軟光字設置數量達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。對于老機組的報警內容，應從工藝角度認真篩選、審查;從控制系統角度看，部分報警內容也需優化調整。
智能化、動態的報警系統很早就被提出，但一直未落實和實踐。如:同時出現相關報警只顯示真正原因(其它可查找)，而不列出全部報警條目、實現報警智能化;報警狀態、參數的設置與設備(機組)運行狀態密切關聯，應實現動態化報警。真正使報警系統有效發揮作用，是目前DCS設計應用中需不斷研究、探討的課題。
4.保護投切設置
技術規范明確要求"保護和閉鎖功能應是經常有效的，應設計成無法由控制室人工切除。"最初就采用DCS作為熱控系統的機組，基本沒有"保護投切設置";熱控系統后改造為DCS的機組，"保護投切設置"較為普遍。設置原因有設備問題(檢修頻繁)，也有思想原因。用戶為了穩妥，往往最終選擇維持舊的運行、維護方式與習慣。
"保護投切設置"要嚴格控制數量，不能以切除保護遮掩(掩蓋)設備問題，回避管理問題，更不能因為保護頻繁動作而切除保護。有些DCS改造項目的設計，以設備故障多、檢修頻繁為名，不僅對機組主保護、重要輔機保護條件設置"投切"，進而延伸到一些聯鎖條件也設置"投切"。數量龐大的"保護投切設置"偏離了最初設計意圖，使得"投切"操作頻繁，增加了故障因素及管理難度，對切除條件的相關監視也增加了操作員的監控強度，難免使一些保護條件形同虛設。
對有限數量的"保護投切設置"，應加強投切操作管理(有以"軟工作票"形式設置授權的設計實例)，嚴格按申請、授權、監視、切除、恢復、記錄、報告等程序實施操作。切投保護條件，要有相應措施，要注意相關參數、狀態的監視，避免機組(設備)失去相應保護。
保護投切設置要有合理、科學的邏輯背景支撐，如切除操作應有確認過程，切除的保護應設置相應警示等。
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)，采用雙重熱備、矩陣、"N十l"等多種方式供電，各機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系統供電的薄弱環節。常常是1路(220V AC)電源供操作站或2路(220V AC)分別對一半數量操作員站供電、1路(220V AC)供工程師站及其打印機等，對每臺站而言，實際為單路供電。少數DCS采用交流電源切換裝置，可實現雙路交流電源冗余切換(切換時間在30ms內)，提高了工程師站、操作員站的供電可靠性。
系統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計，為每面機柜設2只電源模塊，通過高選供繼電器線圈。有些設計為了降低成本，采用直流電源集中布置、單路供電等，這些均應在設計、應用中避免。變送器和電磁閥的供電應盡量獨立、分散。
對DCS電源系統(包括關系密切的外圍供電)的監視、報警不容忽視，冗余供電單路失電時即應報警、提示。
6.接地
不同型式的DCS系統對接地要求不同，但歸根結底是滿足"一點接地"的要求。整個接地系統最終只有一點接到接地網上，并滿足接地電阻的要求。DCS系統的接地要求應該是確定的、完整周全的，不能為迎合用戶的不同要求而改變。
在電廠環境下，要求DCS有較強的抗干擾能力。用戶希望對接地方式及接地電阻的要求寬松一些。但是，只有嚴格按廠家要求實施系統接地，才可保證系統穩定運行，也方便在某些故障情況下盡早排除不良接地因素。
7.關于大屏幕
圖像拼接系統的出現，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)數量，但實際應用中常緣于對大屏幕質量的信任度不夠(同時運行成本高)而無法實現，使得大屏幕成為DCS的裝飾、點綴。
原本依賴于大屏幕的設計，如老機組改造中運行人員特別看重的火焰監視圖像、水位監視圖像等采用視頻信號直接接入大屏幕而取消工業電視，大屏幕專用畫面或報警信息的設計等，因大屏幕無法與普通顯示器同樣持續運行而陷入尷尬的狀況。
大屏幕的設計選用應慎重，應選用可長期連續運行的產品，否則就放棄。
8.重視運行人員培訓，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誤認為"萬能"的"黑匣子"，由此引發一些低級的操作錯誤，實在應該避免。
DCS應用軟件的設計，特別是改造項目，應創造機會讓運行人員盡早地積極參與。通過設計中的溝通交流，吸收運行經驗和體會，使設計能更顯現出針對性、個性化。同時，通過設計中的培訓，使運行人員深入理解設計背景和設計思想，達到對DCS全面掌握的目的。
對運行人員培訓中還可發揮DCS優勢，根據操作記錄、運行指標記錄，及時分析總結，提高運行水平。具備條件的電廠最好采用仿真系統對運行人員進行培訓、考察。
三、提高DCS控制水平
1.重視細調整
近年來投產的大機組，經基建調試、試生產期內的完善化及生產調試，較多機組的自動控制系統能正常投運。而未進行生產調試及早期投產的機組，由于多方面原因，自動控制系統投運效果不理想。
生產調試及控制系統完善化的工作重點是充分利用DCS強大功能，進行控制策略的完善及控制系統的精心調試。
細調整過程中，常常能發現與自動系統投運相關的其它問題，如設備可控性問題、管理問題等。以細調整為主線解決相關問題，可促使自動系統按設計要求長期、穩定地運行。
2.逐步采用先進控制理論與算法、大型優化軟件包
傳統控制理論和算法運用得當，可以取得良好效果，這在國內有相當多的工程實例。
有些電廠或科研設計單位嘗試使用了不同類型的先進控制理論或算法、大型優化軟件包，取得了一定的效果，但尚未明顯表現出獨到之處。
目前，國內對先進控制理論、算法，特別是針對電站控制的先進算法以及優化軟件包的研發相對落后，應加強，并應在實踐中不斷完善，逐步采用。
3.DCS改造應提高層次
對老機組控制系統實施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。工程設計中過多照顧了電廠檢修、運行習慣，未能發揮DCS可實現復雜控制策略的優勢，從而無法全面提高控制水平。
對"工程設計"(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組態軟件即告完成設計，造成DCS改造工程的先天不足。
一次設備改造滯后，制約了DCS功能的發揮。在設計先進控制策略時，不得不考慮落后被控設備的特性(過多考慮故障情況)，使得控制策略復雜化。一些復雜的順序控制設計、完善的聯鎖設計，常因為現場回饋信號及執行機構動作不正常而被取消或"基本不用"。
對于改造機組，已積累了多年的運行經驗，掌握了設備特性。這些優勢只要體現在DCS設計中，即可在短時間內明顯改善控制效果。
四、加強管理、規范設計、強化考核
1.招、投標與合同授予
招標過程要把好配置關口。招標文件常常只能對控制系統的性能(包括余量等技術指標)提一般要求，有些投標方盡量壓縮配置以獲取價格競爭力。一些用戶片面認為"現在DCS技術很成熟了，都能用"，未對其性能、目標配置進行深入研究，最終易留下"配置不足"的系統硬傷。
合同授予應平等。同樣，因市場競爭激烈，當前的DCS技術條款、商務合同，從招標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，影響了合同的嚴肅性，也使得其它合同條款的正常執行受到干擾。
合同執行應嚴格。特別對合同中的技術文件，簽訂要慎重，執行須嚴格，否則可能影響DCS使用效果，最終使用戶利益受損。
2.規范設計
當前DCS技術的成熟使用被夸大化，DCS應用人為簡單化，表現為設計隨意性大、設計費用也隨之降低、DCS設計工作人力投入減少，直接影響到設計質量。常規DCS項目不被重視，在設計、現場投運等環節上照搬套用，也是影響DCS應用效果的重要原因。特別是目前電力市場擴展較快，工期較緊，更需嚴格規范作為控制核心的DCS設計工作。
《火力發電廠分散控制系統技術規范書》等文件對DCS招標及設計工作意義重大，但作為指導性文件，一些技術條款、指標的貫徹落實情況不甚理想。
DCS應用軟件設計工作應逐步走向標準化。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量標準體系，包括DCS應用軟件設計在內，均有"作業指導書"、"檢驗標準"等體系文件。按標準程序完成設計工作，可保證設計質量。
3.加強培訓，提高運行、維護水平，是提高DCS應用水平的有效途徑
對用戶進行培訓，確保其對DCS的正確維護使用，是提高運行水平便機組安全、可靠、高效運行的重要保證。
作為DCS的長期直接使用者，電廠的運行和維護人員深入了解DCS(性能、功能)，不僅有助于正確、準確、迅速地完成運行操作，還可能結合運行實踐提出有益于DCS修改、完善的合理化建議。
電站仿真技術近年來發展較快，基于物理機理的全范圍、全過程仿真系統已被運行人員認可。運行人員可在相同(相當)的人機界面得到訓練、實踐，同時該類仿真系統的分析功能還可為DCS控制策略的制定提供參考、幫助。仿真系統未來將在運行人員培訓、提高DCS應用水平方面發揮作用。
4.強化考核
考核是管理的重要環節，要提高DCS在國內電站應用水平，強化考核無疑是有效促進手段之一。當前，國內無論是新建項目還是改造工程，在DCS投運后，進行規范考核測試的案例數量少，比例低。一些用戶在招標及合同階段的"高標準、嚴要求"最終因未進行權威、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，難以保證應用效果。
現行各項考核標準所規定的各項指標，只能算平均先進水平，但要全面滿足標準要求也有一定難度。必須通過規范設計、深入反復的調整試驗，使得控制系統達到一定水平，才可能通過測試和考核。
若能將考核工作制度化、規范化，必將從政策上促進DCS應用水平的提高。
五、結束語
DCS在我國火電廠的普遍應用，使機組的自動化水平明顯提高，但DCS技術的成熟應用以及DCS強大功能不應被夸大。新的電力形勢要求我們從管理、設計、考核、培訓等多方面著手，進一步提高DCS的安全可靠性，改善DCS自動控制效果，使DCS在火電廠的應用達到新的境界。