基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的故障預診斷報警系統(tǒng)

2023-01-05 15:00:50天津國能津能濱海熱電有限公司

電力設(shè)備管理 2022年1期

天津國能津能濱海熱電有限公司潘鐸

1 項目背景

現(xiàn)用火電廠DCS系統(tǒng)雖然采用諸多如設(shè)備冗余配備、定期性能實驗等措施增強系統(tǒng)運行可靠性，但其由于結(jié)構(gòu)龐大、附屬測點多、持續(xù)運行時間長的特點，極易造成在運行狀態(tài)中出現(xiàn)DPU重啟、IO模件故障閃斷、離線等情況，此類故障持續(xù)時間短、現(xiàn)象隱蔽，不易被運行及檢修人員發(fā)現(xiàn)，從而不斷累積，易發(fā)生重大故障，如汽輪機純電調(diào)型六線制閥門伺服模塊由于長期運行出現(xiàn)的元件及程序故障，造成一主蒸汽閥門失控，直接影響發(fā)電機功率。

因此考慮電子設(shè)備自身壽命、線纜老化破損、積塵存污等客觀情況，DCS系統(tǒng)容易發(fā)生突發(fā)性設(shè)備故障或隱蔽的故障隱患，若不加以監(jiān)測，會直接影響機組發(fā)電及供熱的穩(wěn)定運行?；谶@一需求研發(fā)一套DCS控制系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)，以完成DCS系統(tǒng)在運行中的安全穩(wěn)定監(jiān)控任務。但由于DCS系統(tǒng)處于生產(chǎn)網(wǎng)絡的核心位置，其對網(wǎng)絡安全、信息安全、運行性能的要求極高，其總線網(wǎng)絡、通訊網(wǎng)絡不得有任一節(jié)點與互聯(lián)網(wǎng)相連接，這就提高實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)的難度。通過分析現(xiàn)有SIS系統(tǒng)，雖然其可以實現(xiàn)部分功能，但其投入成本高，運維專業(yè)性極強，熱控人員上手難度大，數(shù)據(jù)庫、服務器等軟硬件結(jié)構(gòu)復雜，系統(tǒng)架構(gòu)龐大，且僅可在廠區(qū)內(nèi)部使用，無法在第一時間通知廠外人員。

因此放棄現(xiàn)有技術(shù)，獨立研發(fā)一套系統(tǒng)規(guī)模小，成本低廉實用性強的預警系統(tǒng)，是與DCS配合的優(yōu)質(zhì)選擇。近年來快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以通過物理電信號與DCS系統(tǒng)通訊，不影響網(wǎng)絡安全，且安裝成本低、維護簡單、可拓展性強。同時，在研發(fā)中發(fā)現(xiàn)諸多物聯(lián)網(wǎng)功能，如溫濕度檢查與控制、漏水監(jiān)測，很貼合熱控設(shè)備監(jiān)控、電子間環(huán)境控制的需要，但對熱控人員來說，DCS系統(tǒng)編程難度低且熟練度高，所以決定以DCS系統(tǒng)為處理核心，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供通訊與傳感輔助，建立了一套DCS系統(tǒng)協(xié)同物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)共同完成的故障預診斷報警系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實施

該系統(tǒng)的設(shè)計初衷是為了提高DCS系統(tǒng)在運行過程中的故障暴露率，在投運后也切實發(fā)現(xiàn)了諸多模組、電源等設(shè)備的隱蔽故障，且該系統(tǒng)在建立過程中充分發(fā)揮出了DCS系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)點，其系統(tǒng)硬件區(qū)域分布廣但模塊化、標準化程度高，可以分批次、分功能投入使用，每一個區(qū)域、功能的獨立性強、互不干擾，使得整套系統(tǒng)的建立過程都可以看到實際效果。該系統(tǒng)在等保測評、網(wǎng)絡安全大檢查等多次網(wǎng)絡信息安全檢查中均得到檢查人員的一致好評，采用物理電信號進行信號傳遞無疑為DCS系統(tǒng)的拓展提供了一個很好的思路——將聯(lián)網(wǎng)部分與可不聯(lián)網(wǎng)的部分分開布置，兩者之間只傳遞關(guān)鍵信號，輔助通訊與環(huán)境監(jiān)測控制等需要實時聯(lián)網(wǎng)的功能設(shè)計于物聯(lián)網(wǎng)部分實現(xiàn)功能，這樣完全保留了DCS系統(tǒng)的原網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，進一步保證了生產(chǎn)大區(qū)的網(wǎng)絡信息安全。在安裝與維護過程中，熱控人員上手難度低，對系統(tǒng)的認可程度、認識程度高，可以集思廣益推動整套系統(tǒng)的改進與擴展。

2.1 系統(tǒng)的功能設(shè)計

該項目過程中依托DCS與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的模塊化特點進行設(shè)計，各個功能相互獨立，主要包括：DCS信息采集與監(jiān)控子系統(tǒng)包含DCS電子設(shè)備健康度預診斷功能，主輔機重要保護故障預診斷功能，重要電源故障預診斷功能，DCS系統(tǒng)環(huán)境異常預診斷功能，環(huán)保數(shù)據(jù)超標及成本預診斷功能；物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與通訊子系統(tǒng)包含電子間溫濕度監(jiān)測控制功能，5G通訊功能。

各子系統(tǒng)具體功能如下：

DCS電子設(shè)備健康度預診斷功能：以國能智深EDPF-NT+DCS系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)硬件可靠性高，但在長期運行中不可避免的會出現(xiàn)程序錯誤或硬件故障，且電子設(shè)備運行壽命公認約在8至10年，在此期間會出現(xiàn)大量DCS系統(tǒng)的硬件故障，而整體更換DCS系統(tǒng)硬件的時間成本、人工成本、材料成本非常高，且在更換過程中易造成事故擴大，因此很少會有公司集中更換所有DCS硬件設(shè)備，所以在運行過程中監(jiān)控DCS系統(tǒng)模塊的工作狀態(tài)就十分必要。且如廠用6kV、啟備變、燃料、化水等長期工作的公用系統(tǒng)，其DCS控制設(shè)備的檢修機會極其難得，需要在極短時間內(nèi)準確判斷故障點及薄弱點，該功能的實現(xiàn)就為檢修工作提供了極大幫助，公用系統(tǒng)的檢修的手段就不僅限于臨時測試系統(tǒng)，而是可以長期監(jiān)測故障區(qū)域、故障點，以點概面，找到急需維護的區(qū)域。如在化水綜合給水系統(tǒng)的PC段遠程站IOtrans模塊因環(huán)境潮濕造成通訊偶發(fā)中斷，拆卸后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部供電回路存在水蝕間歇短路的情況，而此類電源故障模塊本身報警不會發(fā)出，僅能在通訊中斷等現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)，而通訊中斷持續(xù)時間斷3到5秒，不易被運行監(jiān)視人員及檢修巡檢人員發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)投入后，此類隱蔽故障就直接暴露出來，避免了出現(xiàn)廠區(qū)供水中斷的情況出現(xiàn)。綜上，大部分DCS系統(tǒng)模件完全損壞前會有一定故障現(xiàn)象出現(xiàn)，主要表現(xiàn)包括溫度異常升高、CPU負荷率異常升高、通訊中斷，所以在本系統(tǒng)DCS硬件健康度監(jiān)測的功能設(shè)計中，主要監(jiān)視這三個狀態(tài)，出現(xiàn)模件通訊故障報警、DPU斷網(wǎng)告警、DPU負荷率與核心溫度到達報警值或在一定時間內(nèi)有異常增長，即向物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)發(fā)出故障告警，該告警無法在物聯(lián)網(wǎng)側(cè)消除，直至工作人員完成檢修任務后，確認系統(tǒng)無故障，在DCS系統(tǒng)中確認消除。

根據(jù)相關(guān)規(guī)程要求及現(xiàn)場硬件自身條件與環(huán)境條件，限定DPU及其附屬卡件應于環(huán)境溫度15℃至35℃的條件下運行，且溫度變化速率不超過5℃/h，DPU正常運行其負荷率應小于40%，惡劣條件下負荷率不應超過60%?？紤]到DPU自發(fā)熱的特性，與DPU正常運行時負荷率穩(wěn)定的特點，設(shè)定相關(guān)報警定值如下：DPU核心溫度超溫40℃時，DPU核心溫度異常增長5℃/h時，DPU負荷率高40%時，DPU負荷率異常增長5%/5min（600掃描周期）時。

主輔機重要保護故障預診斷功能：火電發(fā)電機組主要保護測點如凝汽器真空低、潤滑油壓低、給水流量低等，為避免出現(xiàn)單個變送器、壓力開關(guān)、取樣管路等環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障而造成保護誤動的情況，多數(shù)保護采用“三取二”或“四取二”保護邏輯。以主汽輪機EH安全油壓低保護為例，采樣管路分兩路從主汽輪機左右側(cè)EH油母管處引出兩根采樣管路，進入EH油試驗模塊，該試驗模塊為安全油系統(tǒng)運行中EH油壓低保護傳動試驗使用，每路采樣管路有單獨的壓力表及無壓回油管路用以試驗保護回路是否正常，其在試驗模塊有單獨的出口，輸出后分別送入兩個壓力開關(guān)進行監(jiān)視，共計四個壓力開關(guān)，當兩個支路上每路至少有一個壓力開關(guān)因安全油壓力低動作后，ETS系統(tǒng)判定汽輪機安全油壓力低主保護動作，汽輪機跳閘，聯(lián)動MFT及發(fā)電機主保護，機組停運。此類保護最大程度上避免了保護誤動的情況，但由于整個回路結(jié)構(gòu)復雜，有多個可能的故障點，且單一故障點出現(xiàn)后雖不會引起主保護動作，但由于主保護測點不在運行人員調(diào)整畫面中顯示，且各類保護測點數(shù)量龐大，無法被運行人員第一時間發(fā)現(xiàn)，這就為機組安全運行埋下了重大安全隱患，直接影響發(fā)電與供熱穩(wěn)定。因此需要本系統(tǒng)對所有重要測點進行監(jiān)視，當任一測點動作或異常時向物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)出告警，提醒檢修人員及時進行排查，預防該類故障造成機組非停。機組重要測點異常告警測點監(jiān)視涵蓋主機凝汽器真空低、安全油壓力低、潤滑油壓力低、主機轉(zhuǎn)速、定子冷卻水流量低；汽動給水泵真空低、安全油壓力低、潤滑油壓力低、小機轉(zhuǎn)速。

重要電源故障預診斷功能：火力電廠TSI系統(tǒng)、MTSI系統(tǒng)、DEH系統(tǒng)、MEH系統(tǒng)、ETS繼電器柜、METS繼電器柜、MFT繼電器柜、交換機網(wǎng)絡通信柜等均采用雙路供電以保證系統(tǒng)電源穩(wěn)定安全。如DEH系統(tǒng)中OPC電源、METS系統(tǒng)等通電動作的系統(tǒng)，電源故障無法直接反應在系統(tǒng)狀態(tài)上，以小汽輪機MEH系統(tǒng)為例，小汽輪機進汽門以兩個掛閘電磁閥、兩個跳閘電磁閥共四個電磁閥進行控制，在掛閘或跳閘時電磁閥通電四秒，以脈沖形式控制，常態(tài)電磁閥不通電，當MEH電源出現(xiàn)故障時，備用路投入，此時還可以進行控制，但當電磁閥回路因故障失電，而MEH柜未失電的情況，此小汽輪機無法進行跳閘和掛閘，但系統(tǒng)無法發(fā)現(xiàn)該故障，極易造成重特大事故。由此該系統(tǒng)為避免出現(xiàn)各電磁閥包含AST、OPC、小機掛/跳閘電磁閥由于故障出現(xiàn)的失電誤動、拒動的情況，持續(xù)監(jiān)視每路電磁閥電源情況，保證各保護電磁閥動作正常。同時核心交換機及機組交換機直接關(guān)系到機組運行的參數(shù)調(diào)整與監(jiān)視一旦出現(xiàn)雙路失電的情況會直接造成機組控制網(wǎng)絡中斷，造成機組非計劃停運。綜上該系統(tǒng)監(jiān)視各電源系統(tǒng)工作情況，當單路電源出現(xiàn)故障時及時向物聯(lián)網(wǎng)通訊系統(tǒng)發(fā)送告警信息，為檢修提供時間與條件。

DCS系統(tǒng)環(huán)境異常預診斷功能：由于DCS電子設(shè)備間布置于汽機廠房內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)受振動、老化等影響易出現(xiàn)滲漏縫隙，而當機組出現(xiàn)異常疏水、跑漏的情況時，極易出現(xiàn)電子設(shè)備間漏水，而電子設(shè)備間進水會直接造成控制信號、保護信號短路，DCS機柜進水燒毀等嚴重情況。決定采用漏水檢測電纜結(jié)合地面漏水監(jiān)測器的方式對電子間頂部、地面全面監(jiān)測。同時加入環(huán)境監(jiān)控傳感器、煙霧報警器等，全天候?qū)﹄娮娱g溫度、濕度、漏水情況進行監(jiān)視，當電子間出現(xiàn)溫濕度失調(diào)、房屋漏水等情況，該功能先接入一臺物聯(lián)網(wǎng)主機，由主機監(jiān)測電子設(shè)備間的環(huán)境情況，避免漏水監(jiān)測電纜引入大電流損壞DCS系統(tǒng)，主機監(jiān)測到出現(xiàn)異常向DCS發(fā)出一路報警，同時向通訊模組發(fā)出告警，避免出現(xiàn)如電子間溫度過高、濕度過大造成的DCS系統(tǒng)異常，同時也能全天候監(jiān)視電子間，避免出現(xiàn)漏雨、進水等情況，保證電子間DCS系統(tǒng)與電源系統(tǒng)運行的環(huán)境安全。

環(huán)保數(shù)據(jù)超標及成本預診斷功能：近年來對環(huán)保要求不斷提高，且隨各級環(huán)保預警等級調(diào)整，而運行人員易形成調(diào)整習慣，對環(huán)保排放要求可能存在政策傳達不及時等情況。且如脫硝系統(tǒng)噴氨過量易造成氨逃逸，影響空預器等設(shè)備的運行安全。綜上，參考當?shù)卣?，建立了一套環(huán)保數(shù)據(jù)超標及成本預診斷子系統(tǒng)。該系統(tǒng)會實時監(jiān)視環(huán)保數(shù)據(jù)，計算出十分鐘平均值、小時平均值、日平均值，并根據(jù)環(huán)保部門要求及時修改環(huán)保報警限值，當十分鐘平均值超過環(huán)保限值時即發(fā)出告警，避免出現(xiàn)小時均值超標的情況，從而避免出現(xiàn)環(huán)保考核。而啟停機等不可避免的超標情況根據(jù)當月運行小時數(shù)和超標小時數(shù)，自動計算超標小時占比，以保證享受環(huán)保電價，該系統(tǒng)同步計算實時小時數(shù)據(jù)占比，給出剩余可超標小時數(shù)據(jù)，給出該機組環(huán)保數(shù)據(jù)是否滿足季度內(nèi)啟停要求等，為機組運行協(xié)調(diào)給出建議。同時，根據(jù)脫硝反應公式、反應物摩爾質(zhì)量、尿素水解產(chǎn)品汽濃度、脫硝SCR反應器入口濃度，實時計算反應所需產(chǎn)品汽流量，避免產(chǎn)品汽噴入量過大。

電子間溫濕度監(jiān)測控制功能：該系統(tǒng)直接布置于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，由于電子設(shè)備間溫濕度控制主要依靠空調(diào)及除濕機。而隨物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展有已成型的物聯(lián)網(wǎng)溫濕度測量傳感器、紅外遙控插座、控制主機等。本套系統(tǒng)布置于電子間后可直接控制電子設(shè)備間空調(diào)及除濕機設(shè)備，對提高電子間溫濕度穩(wěn)定性、降低空調(diào)除濕機電耗、及時發(fā)現(xiàn)空調(diào)設(shè)備故障等方面都起到了很好的作用。

5G通訊功能：通訊模塊在2019年初始設(shè)計采用的是4G微機通訊模塊，隨5G技術(shù)的普及與發(fā)展，進一步升級為集成5G通訊模塊的PLC主機，該主機仍保持與DCS系統(tǒng)使用純粹的物理開關(guān)量電信號進行通訊，以保證DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全，但自身設(shè)備可靠性、計算功能等均有很大提高，為以后本系統(tǒng)的發(fā)展提供了良好的條件。

2.2 系統(tǒng)的硬件安裝

該系統(tǒng)主要硬件部分分為DCS系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其中DCS系統(tǒng)采用現(xiàn)有的DCS機柜及模件，不產(chǎn)生硬件安裝的工作。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要設(shè)備分電子設(shè)備間設(shè)備及通訊設(shè)備。電子設(shè)備間設(shè)備主要包含煙霧傳感器、紅外遙控模塊、溫濕度傳感器、漏水檢測設(shè)備等。煙霧報警器、溫濕度傳感器直接安裝于電子設(shè)備間頂部，紅外遙控模塊安裝于電子設(shè)備間空調(diào)及抽濕機處，漏水檢測設(shè)備分兩部分，漏水檢測線纜往復布置安裝于電子間頂部，充分監(jiān)視電子間頂部漏水情況，浸水檢測器安裝于墻角位置，預防墻壁或其他位置進水造成的浸水事故。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的通訊方式采用Zigbee方式進行連接，該種方式無線信號通訊功率低，不會對機柜內(nèi)的DCS設(shè)備造成干擾。通訊模塊安裝于靠近DCS廠房外墻的DCS遠程站處，通訊模塊供電采用DCS遠程站電源，且內(nèi)部自帶電池，當外部電源丟失后同樣會發(fā)出報警信號，以免因電源中斷造成系統(tǒng)失效。

3 項目優(yōu)勢

該系統(tǒng)充分發(fā)揮火電機組DCS等系統(tǒng)自身功能，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)無線模塊的獨特優(yōu)勢，取兩者所長，使兩者相互配合，有以下優(yōu)點。

系統(tǒng)間隔離性好：由于物聯(lián)網(wǎng)模塊與DCS系統(tǒng)之間采用開關(guān)量進行信號傳遞，兩系統(tǒng)間不涉及互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)通，所以能保證DCS系統(tǒng)的安全性。因此，即便物聯(lián)網(wǎng)采用廣域互聯(lián)網(wǎng)進行遠程報警、發(fā)送短信或撥打告警電話，不會影響DCS系統(tǒng)的安全。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以借由物聯(lián)網(wǎng)模塊將感知層（感知元件或DCS系統(tǒng)）所采集到信息借由無線通信模塊傳輸至網(wǎng)絡層，從而傳遞到應用終端（包含移動終端、網(wǎng)頁終端及臺式機終端），由于傳遞協(xié)議的變更，應用層網(wǎng)絡并不會影響到感知層的網(wǎng)絡安全。同時各層級部件拓展維護等除唯一性部件外互不影響。

系統(tǒng)模塊化好：物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用標準化的模塊來實現(xiàn)自身功能，當以后需要添加新的功能或維護時，僅需要新增、維修或替換相應模塊，降低拓展、使用與維護的成本。同時物聯(lián)網(wǎng)模塊可采用電池供電，模塊移動與安裝便捷。如漏水檢測模塊，可依據(jù)需求對漏水檢測電纜進行布置、延申、替換。