天津国能津能滨海热电有限公司 潘 铎

1 项目背景

现用火电厂DCS系统虽然采用诸多如设备冗余配备、定期性能实验等措施增强系统运行可靠性，但其由于结构庞大、附属测点多、持续运行时间长的特点，极易造成在运行状态中出现DPU重启、IO模件故障闪断、离线等情况，此类故障持续时间短、现象隐蔽，不易被运行及检修人员发现，从而不断累积，易发生重大故障，如汽轮机纯电调型六线制阀门伺服模块由于长期运行出现的元件及程序故障，造成一主蒸汽阀门失控，直接影响发电机功率。

因此考虑电子设备自身寿命、线缆老化破损、积尘存污等客观情况，DCS系统容易发生突发性设备故障或隐蔽的故障隐患，若不加以监测，会直接影响机组发电及供热的稳定运行。基于这一需求研发一套DCS控制系统的辅助系统，以完成DCS系统在运行中的安全稳定监控任务。但由于DCS系统处于生产网络的核心位置，其对网络安全、信息安全、运行性能的要求极高，其总线网络、通讯网络不得有任一节点与互联网相连接，这就提高实时监控系统状态的难度。通过分析现有SIS系统，虽然其可以实现部分功能，但其投入成本高，运维专业性极强，热控人员上手难度大，数据库、服务器等软硬件结构复杂，系统架构庞大，且仅可在厂区内部使用，无法在第一时间通知厂外人员。

因此放弃现有技术，独立研发一套系统规模小，成本低廉实用性强的预警系统，是与DCS配合的优质选择。近年来快速发展的物联网技术可以通过物理电信号与DCS系统通讯，不影响网络安全，且安装成本低、维护简单、可拓展性强。同时，在研发中发现诸多物联网功能，如温湿度检查与控制、漏水监测，很贴合热控设备监控、电子间环境控制的需要，但对热控人员来说，DCS系统编程难度低且熟练度高，所以决定以DCS系统为处理核心，物联网系统提供通讯与传感辅助，建立了一套DCS系统协同物联网技术共同完成的故障预诊断报警系统。

2 系统设计与实施

该系统的设计初衷是为了提高DCS系统在运行过程中的故障暴露率，在投运后也切实发现了诸多模组、电源等设备的隐蔽故障，且该系统在建立过程中充分发挥出了DCS系统与物联网系统的优点，其系统硬件区域分布广但模块化、标准化程度高，可以分批次、分功能投入使用，每一个区域、功能的独立性强、互不干扰，使得整套系统的建立过程都可以看到实际效果。该系统在等保测评、网络安全大检查等多次网络信息安全检查中均得到检查人员的一致好评，采用物理电信号进行信号传递无疑为DCS系统的拓展提供了一个很好的思路——将联网部分与可不联网的部分分开布置，两者之间只传递关键信号，辅助通讯与环境监测控制等需要实时联网的功能设计于物联网部分实现功能，这样完全保留了DCS系统的原网络结构，进一步保证了生产大区的网络信息安全。在安装与维护过程中，热控人员上手难度低，对系统的认可程度、认识程度高，可以集思广益推动整套系统的改进与扩展。

2.1 系统的功能设计

该项目过程中依托DCS与物联网系统的模块化特点进行设计，各个功能相互独立，主要包括：DCS信息采集与监控子系统包含DCS电子设备健康度预诊断功能，主辅机重要保护故障预诊断功能，重要电源故障预诊断功能，DCS系统环境异常预诊断功能，环保数据超标及成本预诊断功能；物联网监控与通讯子系统包含电子间温湿度监测控制功能，5G通讯功能。

各子系统具体功能如下：

DCS电子设备健康度预诊断功能：以国能智深EDPF-NT+DCS系统为例，该系统硬件可靠性高，但在长期运行中不可避免的会出现程序错误或硬件故障，且电子设备运行寿命公认约在8至10年，在此期间会出现大量DCS系统的硬件故障，而整体更换DCS系统硬件的时间成本、人工成本、材料成本非常高，且在更换过程中易造成事故扩大，因此很少会有公司集中更换所有DCS硬件设备，所以在运行过程中监控DCS系统模块的工作状态就十分必要。且如厂用6kV、启备变、燃料、化水等长期工作的公用系统，其DCS控制设备的检修机会极其难得，需要在极短时间内准确判断故障点及薄弱点，该功能的实现就为检修工作提供了极大帮助，公用系统的检修的手段就不仅限于临时测试系统，而是可以长期监测故障区域、故障点，以点概面，找到急需维护的区域。如在化水综合给水系统的PC段远程站IOtrans模块因环境潮湿造成通讯偶发中断，拆卸后发现内部供电回路存在水蚀间歇短路的情况，而此类电源故障模块本身报警不会发出，仅能在通讯中断等现象中发现，而通讯中断持续时间断3到5秒，不易被运行监视人员及检修巡检人员发现，该系统投入后，此类隐蔽故障就直接暴露出来，避免了出现厂区供水中断的情况出现。综上，大部分DCS系统模件完全损坏前会有一定故障现象出现，主要表现包括温度异常升高、CPU负荷率异常升高、通讯中断，所以在本系统DCS硬件健康度监测的功能设计中，主要监视这三个状态，出现模件通讯故障报警、DPU断网告警、DPU负荷率与核心温度到达报警值或在一定时间内有异常增长，即向物联网通讯系统发出故障告警，该告警无法在物联网侧消除，直至工作人员完成检修任务后，确认系统无故障，在DCS系统中确认消除。

根据相关规程要求及现场硬件自身条件与环境条件，限定DPU及其附属卡件应于环境温度15℃至35℃的条件下运行，且温度变化速率不超过5℃/h，DPU正常运行其负荷率应小于40%，恶劣条件下负荷率不应超过60%。考虑到DPU自发热的特性，与DPU正常运行时负荷率稳定的特点，设定相关报警定值如下：DPU核心温度超温40℃时，DPU核心温度异常增长5℃/h时，DPU负荷率高40%时，DPU负荷率异常增长5%/5min（600扫描周期）时。

主辅机重要保护故障预诊断功能：火电发电机组主要保护测点如凝汽器真空低、润滑油压低、给水流量低等，为避免出现单个变送器、压力开关、取样管路等环节出现故障而造成保护误动的情况，多数保护采用“三取二”或“四取二”保护逻辑。以主汽轮机EH安全油压低保护为例，采样管路分两路从主汽轮机左右侧EH油母管处引出两根采样管路，进入EH油试验模块，该试验模块为安全油系统运行中EH油压低保护传动试验使用，每路采样管路有单独的压力表及无压回油管路用以试验保护回路是否正常，其在试验模块有单独的出口，输出后分别送入两个压力开关进行监视，共计四个压力开关，当两个支路上每路至少有一个压力开关因安全油压力低动作后，ETS系统判定汽轮机安全油压力低主保护动作，汽轮机跳闸，联动MFT及发电机主保护，机组停运。此类保护最大程度上避免了保护误动的情况，但由于整个回路结构复杂，有多个可能的故障点，且单一故障点出现后虽不会引起主保护动作，但由于主保护测点不在运行人员调整画面中显示，且各类保护测点数量庞大，无法被运行人员第一时间发现，这就为机组安全运行埋下了重大安全隐患，直接影响发电与供热稳定。因此需要本系统对所有重要测点进行监视，当任一测点动作或异常时向物联网系统发出告警，提醒检修人员及时进行排查，预防该类故障造成机组非停。机组重要测点异常告警测点监视涵盖主机凝汽器真空低、安全油压力低、润滑油压力低、主机转速、定子冷却水流量低；汽动给水泵真空低、安全油压力低、润滑油压力低、小机转速。

重要电源故障预诊断功能：火力电厂TSI系统、MTSI系统、DEH系统、MEH系统、ETS继电器柜、METS继电器柜、MFT继电器柜、交换机网络通信柜等均采用双路供电以保证系统电源稳定安全。如DEH系统中OPC电源、METS系统等通电动作的系统，电源故障无法直接反应在系统状态上，以小汽轮机MEH系统为例，小汽轮机进汽门以两个挂闸电磁阀、两个跳闸电磁阀共四个电磁阀进行控制，在挂闸或跳闸时电磁阀通电四秒，以脉冲形式控制，常态电磁阀不通电，当MEH电源出现故障时，备用路投入，此时还可以进行控制，但当电磁阀回路因故障失电，而MEH柜未失电的情况，此小汽轮机无法进行跳闸和挂闸，但系统无法发现该故障，极易造成重特大事故。由此该系统为避免出现各电磁阀包含AST、OPC、小机挂/跳闸电磁阀由于故障出现的失电误动、拒动的情况，持续监视每路电磁阀电源情况，保证各保护电磁阀动作正常。同时核心交换机及机组交换机直接关系到机组运行的参数调整与监视一旦出现双路失电的情况会直接造成机组控制网络中断，造成机组非计划停运。综上该系统监视各电源系统工作情况，当单路电源出现故障时及时向物联网通讯系统发送告警信息，为检修提供时间与条件。

DCS系统环境异常预诊断功能：由于DCS电子设备间布置于汽机厂房内，整体结构受振动、老化等影响易出现渗漏缝隙，而当机组出现异常疏水、跑漏的情况时，极易出现电子设备间漏水，而电子设备间进水会直接造成控制信号、保护信号短路，DCS机柜进水烧毁等严重情况。决定采用漏水检测电缆结合地面漏水监测器的方式对电子间顶部、地面全面监测。同时加入环境监控传感器、烟雾报警器等，全天候对电子间温度、湿度、漏水情况进行监视，当电子间出现温湿度失调、房屋漏水等情况，该功能先接入一台物联网主机，由主机监测电子设备间的环境情况，避免漏水监测电缆引入大电流损坏DCS系统，主机监测到出现异常向DCS发出一路报警，同时向通讯模组发出告警，避免出现如电子间温度过高、湿度过大造成的DCS系统异常，同时也能全天候监视电子间，避免出现漏雨、进水等情况，保证电子间DCS系统与电源系统运行的环境安全。

环保数据超标及成本预诊断功能：近年来对环保要求不断提高，且随各级环保预警等级调整，而运行人员易形成调整习惯，对环保排放要求可能存在政策传达不及时等情况。且如脱硝系统喷氨过量易造成氨逃逸，影响空预器等设备的运行安全。综上，参考当地政策，建立了一套环保数据超标及成本预诊断子系统。该系统会实时监视环保数据，计算出十分钟平均值、小时平均值、日平均值，并根据环保部门要求及时修改环保报警限值，当十分钟平均值超过环保限值时即发出告警，避免出现小时均值超标的情况，从而避免出现环保考核。而启停机等不可避免的超标情况根据当月运行小时数和超标小时数，自动计算超标小时占比，以保证享受环保电价，该系统同步计算实时小时数据占比，给出剩余可超标小时数据，给出该机组环保数据是否满足季度内启停要求等，为机组运行协调给出建议。同时，根据脱硝反应公式、反应物摩尔质量、尿素水解产品汽浓度、脱硝SCR反应器入口浓度，实时计算反应所需产品汽流量，避免产品汽喷入量过大。

电子间温湿度监测控制功能：该系统直接布置于物联网系统，由于电子设备间温湿度控制主要依靠空调及除湿机。而随物联网系统发展有已成型的物联网温湿度测量传感器、红外遥控插座、控制主机等。本套系统布置于电子间后可直接控制电子设备间空调及除湿机设备，对提高电子间温湿度稳定性、降低空调除湿机电耗、及时发现空调设备故障等方面都起到了很好的作用。

5G通讯功能：通讯模块在2019年初始设计采用的是4G微机通讯模块，随5G技术的普及与发展，进一步升级为集成5G通讯模块的PLC主机，该主机仍保持与DCS系统使用纯粹的物理开关量电信号进行通讯，以保证DCS系统的网络安全，但自身设备可靠性、计算功能等均有很大提高，为以后本系统的发展提供了良好的条件。

2.2 系统的硬件安装

该系统主要硬件部分分为DCS系统与物联网系统，其中DCS系统采用现有的DCS机柜及模件，不产生硬件安装的工作。物联网系统主要设备分电子设备间设备及通讯设备。电子设备间设备主要包含烟雾传感器、红外遥控模块、温湿度传感器、漏水检测设备等。烟雾报警器、温湿度传感器直接安装于电子设备间顶部，红外遥控模块安装于电子设备间空调及抽湿机处，漏水检测设备分两部分，漏水检测线缆往复布置安装于电子间顶部，充分监视电子间顶部漏水情况，浸水检测器安装于墙角位置，预防墙壁或其他位置进水造成的浸水事故。物联网设备之间的通讯方式采用Zigbee方式进行连接，该种方式无线信号通讯功率低，不会对机柜内的DCS设备造成干扰。通讯模块安装于靠近DCS厂房外墙的DCS远程站处，通讯模块供电采用DCS远程站电源，且内部自带电池，当外部电源丢失后同样会发出报警信号，以免因电源中断造成系统失效。

3 项目优势

该系统充分发挥火电机组DCS等系统自身功能，结合物联网无线模块的独特优势，取两者所长，使两者相互配合，有以下优点。

系统间隔离性好：由于物联网模块与DCS系统之间采用开关量进行信号传递，两系统间不涉及互联网的联通，所以能保证DCS系统的安全性。因此，即便物联网采用广域互联网进行远程报警、发送短信或拨打告警电话，不会影响DCS系统的安全。物联网系统可以借由物联网模块将感知层（感知元件或DCS系统）所采集到信息借由无线通信模块传输至网络层，从而传递到应用终端（包含移动终端、网页终端及台式机终端），由于传递协议的变更，应用层网络并不会影响到感知层的网络安全。同时各层级部件拓展维护等除唯一性部件外互不影响。

系统模块化好：物联网系统采用标准化的模块来实现自身功能，当以后需要添加新的功能或维护时，仅需要新增、维修或替换相应模块，降低拓展、使用与维护的成本。同时物联网模块可采用电池供电，模块移动与安装便捷。如漏水检测模块，可依据需求对漏水检测电缆进行布置、延申、替换。

系统互补性强：物联网系统可提供DCS系统无法提供的功能如远程报警、漏水检测、红外遥控等功能。而DCS系统又可提供复杂的程序运算与便捷的程序编辑功能，两系统相互配合，可以用最简易的办法实现复杂的功能，同时，此类系统设计可以打破专业壁垒，能够使普通热控人员对整套系统自行编制与修改，降低物联网系统在应用中的技术难度，使物联网系统在火电行业应用的门槛降低。