房之棟，趙永珍，史曉華

（1.北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰?，北?100028；2.國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001）

0 引言

清潔能源的發(fā)展使燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛，燃?xì)廨啓C(jī)除了對(duì)燃?xì)獬煞旨捌焚|(zhì)的要求外，對(duì)燃?xì)獾倪M(jìn)氣壓力及壓力的穩(wěn)定性也有較為嚴(yán)格的要求。受燃?xì)夤芫€的限制，從供方直接來的燃?xì)鈮毫σ话氵_(dá)不到燃?xì)廨啓C(jī)的要求，因此，天然氣增壓機(jī)成為燃?xì)怆姀S不可或缺的重要設(shè)備。

目前，國內(nèi)大多數(shù)燃?xì)怆姀S均設(shè)計(jì)有增壓機(jī)，增壓機(jī)的控制以各種品牌的可編程控制器PLC（Program Lecture Control）控制系統(tǒng)為主流，但由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)點(diǎn)配置等問題，其發(fā)生故障導(dǎo)致設(shè)備非正常停運(yùn)的可能性大大增加。北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰緩?008年4月起，由增壓機(jī)控制系統(tǒng)原因造成機(jī)組非正常停運(yùn)達(dá)8次之多，增壓機(jī)控制系統(tǒng)較低的可靠性成為制約北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰緳C(jī)組長周期穩(wěn)定運(yùn)行的瓶頸問題之一。

本文針對(duì)北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰荆ㄒ韵潞喎Q“京陽公司”）增壓機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題，通過對(duì)軟硬件進(jìn)行綜合考慮，結(jié)合集散控制系統(tǒng)DCS（Distribution Control System） 的設(shè)計(jì)規(guī)范，提出了全面提升增壓機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的方法，實(shí)踐證明對(duì)提高其他重要設(shè)備的PLC控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有一定的借鑒意義。

1 京陽公司增壓機(jī)控制系統(tǒng)存在的問題

北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰咎烊粴鈭?chǎng)站包含2臺(tái)壓縮機(jī)，用于向2臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)提供壓力大約為3.2 MPa的燃料氣體。增壓機(jī)控制系統(tǒng)由Allen Bradley ControlLogix邏輯控制器、Allen Bradley操作員界面HMI（Human Machine Interface） 以及其他支持硬件組成。

1.1 就地測(cè)點(diǎn)存在的問題

重要保護(hù)信號(hào)未考慮冗余配置。

增壓機(jī)共設(shè)有28項(xiàng)停機(jī)保護(hù)，其中喘振和危險(xiǎn)氣體兩項(xiàng)保護(hù)采用單點(diǎn)配置。

喘振是通過進(jìn)氣壓力、排放壓力、壓縮機(jī)流量進(jìn)行計(jì)算。其中壓縮機(jī)流量信號(hào)為單點(diǎn)信號(hào)，采用V型錐方式取壓。一旦流量信號(hào)出現(xiàn)故障，將直接引發(fā)喘振保護(hù)誤動(dòng)從而導(dǎo)致設(shè)備非正常停運(yùn)。

危險(xiǎn)氣體濃度高跳機(jī)分A/B兩個(gè)區(qū)域，均為單點(diǎn)保護(hù)，一旦發(fā)生意外故障，必然給機(jī)組帶來不必要的誤動(dòng)。

1.2 控制系統(tǒng)I/O卡件配置存在的問題

重要I/O點(diǎn)卡件及通道配置不合理，未考慮非同一板件的冗余配置。

京陽公司I/O卡件共分布在3層機(jī)架上，每層I/O機(jī)架控制網(wǎng)絡(luò)的通訊配置均為“單卡雙通道”，即通道冗余，但通訊卡均為單卡配置，一旦通訊卡件故障，跳機(jī)將不可避免。

增壓機(jī)有軸系保護(hù)共18項(xiàng)，其中振動(dòng)4項(xiàng)，軸位移1項(xiàng)，溫度13項(xiàng)，全部采用二取二的保護(hù)方式。就地測(cè)點(diǎn)首先進(jìn)入Bently3500系統(tǒng)，然后由本特利卡件進(jìn)行判斷后送出跳機(jī)信號(hào)給PLC，進(jìn)入Bently3500系統(tǒng)的保護(hù)，同項(xiàng)保護(hù)分配在同一塊I/O卡上，一旦卡件故障，即造成保護(hù)誤動(dòng)作。

由PLC輸出的數(shù)字量輸出點(diǎn)（DO） 主要分為兩類：保護(hù)動(dòng)作DO點(diǎn)及設(shè)備操作DO點(diǎn)。由于設(shè)備操作DO點(diǎn)均為脈沖型指令，因此卡件故障不會(huì)對(duì)其帶來影響；需要進(jìn)行優(yōu)化的是保護(hù)動(dòng)作DO點(diǎn)，由于保護(hù)繼電器為失電關(guān)斷，一旦發(fā)生機(jī)架上通訊卡件故障、自身DO卡故障或機(jī)架失去電源將導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。

2 增壓機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化方向

為提高增壓機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性，徹底避免因控制系統(tǒng)本身故障造成機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)，技術(shù)人員多次進(jìn)行技術(shù)改造優(yōu)化方案論證，根據(jù)DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，從就地測(cè)點(diǎn)、控制系統(tǒng)硬件、控制系統(tǒng)軟件、遠(yuǎn)程監(jiān)控4個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

3 京陽公司增壓機(jī)控制系統(tǒng)提高可靠性的優(yōu)化措施

3.1 就地測(cè)點(diǎn)的優(yōu)化

3.1.1 增壓機(jī)出口流量的改造

增壓機(jī)出口流量為單測(cè)點(diǎn)配置，如果發(fā)生下面任意一個(gè)問題，均可導(dǎo)致喘振保護(hù)動(dòng)作，給機(jī)組帶來重大損失。

a）取樣一次元件磨損損壞。

b）流量變送器故障。

c）線路故障。

d）PLC模擬量輸入點(diǎn)AI卡件故障。

為此，進(jìn)行如下設(shè)計(jì)方案。

a）增加2對(duì)V型錐流量取樣裝置及對(duì)應(yīng)變送器。

b）將新增加的流量信號(hào)送入PLC不同機(jī)架的不同AI卡件上。

c）在邏輯中將流量信號(hào)進(jìn)行三取中組態(tài)后送入喘振計(jì)算回路。

通過改造后，單測(cè)點(diǎn)變?yōu)榱巳≈械慕?jīng)典方案，從原理上完全規(guī)避了測(cè)點(diǎn)故障造成的機(jī)組誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 危險(xiǎn)汽體濃度測(cè)點(diǎn)的改造

由于罩殼出口處已沒有燃?xì)夤芫€，且其上方布置有罩殼風(fēng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，該區(qū)域檢測(cè)出危險(xiǎn)氣體的概率不存在；或者說，在該區(qū)域達(dá)到報(bào)警值之前，管線上方的探頭如果沒有故障，必然已提前動(dòng)作。

考慮以上的分析，同時(shí)為規(guī)避單測(cè)點(diǎn)帶來的風(fēng)險(xiǎn)，做了如下改造方案。

a）取消罩殼出口處燃?xì)馕ｋU(xiǎn)氣體探頭。

b）增加增壓機(jī)上方危險(xiǎn)探頭為2個(gè)。

c）保護(hù)邏輯改為

探頭1動(dòng)作 and（探頭2報(bào)警or探頭2故障）or

探頭2動(dòng)作 and（探頭1報(bào)警or探頭1故障）

觸發(fā)保護(hù)條件。

3.1.3 改造后就地測(cè)點(diǎn)的狀況

經(jīng)過改造后，增壓機(jī)控制系統(tǒng)的就地測(cè)點(diǎn)均實(shí)現(xiàn)了冗余配置。對(duì)增壓機(jī)出口流量而言，三取中的測(cè)點(diǎn)配置，在防止設(shè)備誤動(dòng)的同時(shí)，也可以保證保護(hù)系統(tǒng)的可靠動(dòng)作；對(duì)危險(xiǎn)氣體濃度探頭可靠性也大幅度得以提高。

就地測(cè)點(diǎn)的改造完善后，對(duì)增壓機(jī)系統(tǒng)基本避免了因?yàn)閱螠y(cè)點(diǎn)故障給設(shè)備保護(hù)帶來誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 控制系統(tǒng)硬件的優(yōu)化

3.2.1 優(yōu)化方向

根據(jù)DCS系統(tǒng)“集中操作，風(fēng)險(xiǎn)分散”的指導(dǎo)思想，重新對(duì)I/O測(cè)點(diǎn)在控制系統(tǒng)卡件上的通道進(jìn)行再分布，主要有以下兩方面。

a）所有保護(hù)測(cè)點(diǎn)分散布置于三層機(jī)架上。

b）所有自動(dòng)測(cè)點(diǎn)分散布置于三層機(jī)架上。

改造后，將實(shí)現(xiàn)任一I/O卡件的故障不會(huì)導(dǎo)致機(jī)組保護(hù)的誤動(dòng)，同時(shí)，不影響機(jī)組保護(hù)的可靠動(dòng)作。

3.2.2 模擬量保護(hù)項(xiàng)目I/O側(cè)的改造

直接進(jìn)入PLC系統(tǒng)的6套模擬量保護(hù)測(cè)點(diǎn)已分散布置在不同機(jī)架的不同卡件上，有效規(guī)避了通訊卡及單個(gè)I/O卡故障帶來的保護(hù)誤動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。增壓機(jī)18項(xiàng)軸系保護(hù)，由于目前軸系保護(hù)的測(cè)點(diǎn)分布不合理，為此，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)重新分配的改造方案，同時(shí)另增加1塊軸位移卡。

改造完成后，可確保所有模擬量卡件的單卡故障不會(huì)造成機(jī)組保護(hù)誤動(dòng)，同時(shí)也可確保保護(hù)正確動(dòng)作的可靠性。

3.2.3 開關(guān)量保護(hù)的I/O側(cè)改造

京陽公司增壓機(jī)控制系統(tǒng)重要DI卡件分為兩類：一類直接進(jìn)入PLC形成跳機(jī)指令，此類保護(hù)目前只有危險(xiǎn)氣體濃度高與主電機(jī)故障（啟動(dòng)指令發(fā)5 s后，電機(jī)運(yùn)行信號(hào)未返回）兩項(xiàng)；另一類接受Bently3500系統(tǒng)的跳級(jí)與報(bào)警信號(hào)，目前的配置如表1所示。

表1 重要數(shù)字量輸入點(diǎn)測(cè)點(diǎn)配置表

表1中I為卡件通道。進(jìn)行了以下幾項(xiàng)改造。

a）危險(xiǎn)氣體濃度高：取消增壓機(jī)電機(jī)區(qū)危險(xiǎn)氣體濃度高報(bào)警后，A/B探頭均測(cè)量增壓機(jī)區(qū)域的危險(xiǎn)氣體濃度。采用二取二保護(hù)，將其DI信號(hào)在卡件上重新分布。

b）主電機(jī)運(yùn)行信號(hào)另并一路硬接線進(jìn)入另一塊I/O卡件。

c）Bently3500系統(tǒng)送入PLC的4路跳機(jī)信號(hào)，進(jìn)行卡件號(hào)的重新分配。

改造后的配置如表2所示。

改造中原屬于3號(hào)機(jī)架的第5塊I/O卡重新分配到4號(hào)機(jī)架的第2塊空槽位上，這樣即可確保無論通訊卡還是I/O卡甚至整個(gè)機(jī)架失電均不會(huì)導(dǎo)致保護(hù)條件誤發(fā)。

3.2.4 D/O測(cè)點(diǎn)的卡件分散改造

由PLC輸出的數(shù)字量輸出點(diǎn)DO主要分為兩類：保護(hù)動(dòng)作DO點(diǎn)及設(shè)備操作DO點(diǎn)。由于設(shè)備操作DO點(diǎn)均為脈沖型指令，因此卡件故障不會(huì)對(duì)其帶來影響；需要進(jìn)行改造的是保護(hù)動(dòng)作DO點(diǎn)，由于保護(hù)繼電器為失電關(guān)斷，一旦發(fā)生機(jī)架上通訊卡件故障、自身DO卡故障或機(jī)架電源失去將導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。

表2 重要DI測(cè)點(diǎn)改造后配置表

目前，PLC側(cè)共有DO卡2塊，均分布在3號(hào)機(jī)架上，將其中1塊DO卡重新分配到機(jī)架5上，并利用機(jī)架5上新分配的DO卡所余的空通道進(jìn)行保護(hù)輸出優(yōu)化（將3號(hào)機(jī)架2號(hào)DO卡移至5號(hào)機(jī)架2號(hào)空槽位，并利用空余通道10、11重新組態(tài)一路報(bào)警及保護(hù)通道，與原有信號(hào)并聯(lián)后接線至保護(hù)繼電器）。由于保護(hù)繼電器采用失電關(guān)斷的原理，因此，在避免硬件故障導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)的同時(shí)，絲毫未增加保護(hù)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。同樣，BENTLY3500系統(tǒng)到PLC的4路DO輸出利用已有的2塊DO卡進(jìn)行分散布置。

3.3 控制系統(tǒng)控制邏輯的改造

3.3.1 模擬量保護(hù)的邏輯改造

三取二的溫度保護(hù)測(cè)點(diǎn)若發(fā)生斷線、干擾導(dǎo)致的溫度異常飛升，組態(tài)中直接予以剔除，保護(hù)自動(dòng)變?yōu)槎《壿?，待熱控人員處理好測(cè)點(diǎn)問題后，手動(dòng)投入該測(cè)點(diǎn)的保護(hù)以恢復(fù)為原有的三取二方式。該組態(tài)用于出口溫度及供油溫度兩項(xiàng)保護(hù)。

軸系18項(xiàng)溫度保護(hù)均為二取二方式，因此自動(dòng)剔除問題測(cè)點(diǎn)的保護(hù)沒有意義，目前的解決方案是利用斷線保護(hù)的組態(tài)為報(bào)警輸出，同時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，待測(cè)點(diǎn)故障解決后，手動(dòng)復(fù)位報(bào)警。

3.3.2 自動(dòng)系統(tǒng)邏輯的改造

出入口壓力及出口流量采用三取中后參與自動(dòng)控制，若有1測(cè)點(diǎn)損壞，或與2測(cè)點(diǎn)偏差大時(shí)，剔除該測(cè)點(diǎn)，采用二取平均控制，同時(shí)發(fā)出報(bào)警至陰極射線顯示器CRT（Cathode Ray Tube）。待熱工人員處理好測(cè)點(diǎn)故障后，手動(dòng)回復(fù)原三取中控制方式，同時(shí)復(fù)位CRT報(bào)警。

3.3.3 AO輸出邏輯改造

對(duì)每一路AO輸出，做以下幾項(xiàng)邏輯改造。

a）當(dāng)通道故障信號(hào)發(fā)出時(shí)，AO輸出切換至上一周期數(shù)值。

b）AO輸出保持時(shí)發(fā)出軟光字報(bào)警，同時(shí)退出協(xié)調(diào)系統(tǒng)，保持工況穩(wěn)定。

c）通道正常后，恢復(fù)原有AO輸出。

3.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控改造

a）所有增壓機(jī)畫面測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)傳至DCS畫面，以供運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)。

b）保護(hù)項(xiàng)目測(cè)點(diǎn)在DCS增加軟光子報(bào)警。

c）斷線保護(hù)、AO通道故障報(bào)警及所有卡件報(bào)警信號(hào)在DCS側(cè)增加軟光字報(bào)警。

4 結(jié)論

北京太陽宮燃?xì)鉄犭娪邢薰咀酝懂a(chǎn)以來由增壓機(jī)控制系統(tǒng)故障導(dǎo)致機(jī)組多次非正常停運(yùn)的問題，依據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)規(guī)范、原則，從就地測(cè)點(diǎn)、硬件與網(wǎng)絡(luò)配置、卡件分布、遠(yuǎn)程監(jiān)控4個(gè)大的方面提出了提高增壓機(jī)控制系統(tǒng)可靠性的優(yōu)化方案。2011年4月進(jìn)行了增壓機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造。改造后，增壓機(jī)控制系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行至今，再未發(fā)生過保護(hù)誤動(dòng)作的事故，取得了良好的效果。

京陽公司提高控制系統(tǒng)可靠性研究的成功實(shí)踐，為控制系統(tǒng)在生產(chǎn)投運(yùn)后如何提高可靠性這一課題提供了良好的范本。