和利时DCS系统检修规程.doc
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1、概述
1.1分散控制系统
分散控制系统(DistributedControlSystem)英文缩写为DCS,有时也称分布式控制系统,其实质是计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种新型控制技术。
它是由计算机技术、信号处理技术、测量控制技术、通信网络技术、人机接口技术相互发展渗透而产生的,即不同于分散的仪表控制系统,又不同于集中式计算机控制系统,它是吸收了两者的优点,在它们的基础上又发展起来的一门系统工程技术,具有很强的生命力和显著的优越性。
分散控制系统是计算机技术和自动化技术发展的结果。
机组容量不断增长、参数不断提高,为DCS应用创造了广阔;随着DCS系统的广泛使用,为机组安全经济运行提供了有力保障。
进入20世纪90年代,由于微处理器及其超大规模集成电路(VLSI)技术的发展,DCS发展很快,加上计算机技术、容错技术和人机接口技术的发展,窗口技术、交互图形等的出现,以及标准化的数据通信链路、通信网络技术的发展和人工智能、知识工程方法的发展及信息管理系统的发展,特别是开放式结构和集成技术的发展深刻地影响着90年代以后的DCS的发展。
90年代以后DCS向综合化、开放化发展,即90年代生产过程自动化要求各种装置(计算机、DCS、单回路调节器、PLC等)之间的通信能力加强,以方便地构成大系统;并且在大型DCS进一步完善和提高的同时,发展小型DCS,也就是说随着PLC计算机与DCS和其他控制回路之间接口的迅速发展,将连续控制回路、逻辑功能和批量控制功能汇入在统一的高性能系统中,从而将PLC与DCS融合在一起,满足了协调的需要,同时也为了适应离散类和批量工业自动化的要求。
今后的DCS发展方向将进一步采用人工智能技术,特别是知识库系统(KBS)和专家系统(ES)。
DCS具有通用性强、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、显示操作集中、人机界面友好、安装简单规范化、调试方便、运行安全可靠的特点,在国内外火电机组中得到广泛的应用。
东海拉尔发电厂2×50MW机组、2×220T循环硫化床锅炉,采用了北京和利时系统工程股份有限公司生产的MACS分散控制系统。
用以完成DAS(数据采集系统)、MCS(模拟量控制系统)、SCS(顺序控制系统)、BMS(燃烧器管理器)DEH(数字电液控制系统)、ETS(故障跳闸系统)等控制功能。
系统设有现场控制站9台、操作员站7台、工程师站2台、历史数据站1台、通讯站1台。
系统投运后东海拉尔发电厂的自动化水平将有一个整体的提高。
1.2和利时SmartPro系统特点
实时性:
控制器CPU采用Pentium级芯片,基于QNX嵌入式操作系统,保证控制精确、实时、高效。
可靠性:
采用多种冗余结构(网络、控制器、电源模件、I/O模件),系统安全可靠。
先进性:
灵活的Client/Server结构,适合大规模系统的I/O、Alarms、Reports、Trends、Time服务器可分布式设置;既保证数据的一致性,又可负荷均担;功能丰富的HMI人机界面,灵活强劲的控制软件,支持离线仿真。
易用性:
智能设备管理(故障诊断、精度校正、带电插拔),维护简单方便。
延续性:
操作站采用通用系统平台,可跟随计算机水平不断提高而同步升级。
SmartPro系统不仅拥有以上优点,更具有高效的可靠性设计;
1)危险分散措施
过程I/O单元采用的智能化设计方法,可有效地将部分控制或采集运算分散到各I/O单元,降低主控单元的负担,提高可靠性;另一方面,一旦主控制器发生故障,各单元仍能完成基本的输入输出功能,,如控制输出的自动保持功能,回路控制的独立执行等。
2)故障隔离措施
所有过程输入输出单元都采用可靠的光电隔离技术,使各单元之间和单元与上位机之间的CPU无任何电气联系,从而提高系统的抗干扰能力、可靠性和安全性。
在同一单元的不同通道及逻辑功能侧和现场信号侧,也提供了隔离措施,可消除由于现场地电位差对系统造成的损坏。
3)迅速排除故障措施
现场控制站的所有单元上均带有CPU,每单元均可进行周期性自诊断。
诊断主要包括CPU与内存等的自检、开关量输出回读比较、模拟量输入通道的正确性比较判断、模拟量输出通道的正确性比较等。
诊断结果每秒钟都上传到上位机的系统状态图中显示。
4)各种运行提示
系统中所有单元上均有状态指示灯、包括运行灯、故障灯、网络通信灯等,可以根据指示灯的状态及时发现、排除故障。
5)可带电热插拔
一旦发现故障,可带电对故障单元进行更换。
由于采用了特殊保护措施,系统中所有过程I/O单元均可带电插拔,对系统的运行不会产生任何影响。
2、分散控制系统构成
2.1分散控制系统组成
管理的集中性和控制的分散性这一需求,推动了分散控制系统的发展,其实质是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、管理和分散控制的一种控制技术。
分散控制系统是纵向分层、横向分散的大型综合控制系统,它以多层计算机网络为依托,将分布在全厂范围内的各种控制设备和数据处理设备连接在一起,实现各部分信息的共享和协调工作,共同完成控制、管理及决策功能。
概括起来,分散控制系统的硬件设备由管理操作应用工作站、现场控制站和通信网络组成。
SmartPro系统是和利时公司设计、开发的大型分布式控制系统,该系统采用Profibus-DP现场总线技术,具有高可靠性、先进、高性价比等特点。
SmartPro系统的体系结构如图2-1所示。
图2-1
一个大型SmartPro可由多组服务器组成,由此将系统划分成多个域,每个域可由独立的服务器、系统网络SNET和多个现场控制站(即I/O站)组成,完成相对独立的采集和控制功能。
操作员站和高级计算站等可通过域名登录到不同的域进行操作。
SmartPro系统的网络由上到下分为管理网络(即MNET网)、系统网络(即SNET网)和控制网络(即CNET)三个层次,系统网络实现工程师站、操作员站、系统服务器与现场控制站的互连,控制网络实现主控单元与过程I/O单元的通讯。
1)管理操作应用工作站包括工程师站、操作员站、历史数据站等各种功能服务器。
工程师站提供技术人员生成控制系统的人机接口,主要用于系统组态和维护,技术人员也可以通过工程师站对应用系统进行监视。
工程师站是一台工业计算机,采用Windows2000操作系统,运行相应的组态管理程序,对整个系统进行集中控制和管理。
工程师站主要有以下功能:
●
控策略组态(包括系统硬件设备、控制算法)、人机界面组态(包括图形、报表)和相关系统参数的设置。
●现场控制站的下装和在线调试,操作员站人机界面的在线修改。
●在工程师站上运行操作员站实时监控程序后,可以把工程师站作为操作员站使用。
操作员站是操作人员与系统数据库的人机交互界面,用于监视可以完成数据的状态值显示和操作员对数据点的操作。
运行相应的实时监控程序,对整个系统进行监视和控制。
操作员站也是一台工业计算机,采用WindowsNT4.0的操作系统,运行相应的实时监控程序,对整个系统进行监视和控制。
操作员站主要完成以下功能:
●各种监视信息的显示、查询和打印,主要有工艺流程图显示、趋势显示、参数列表显示、报警监视、日志查询、系统设备监视等。
●通过键盘、鼠标或触摸屏等人机设备,通过命令和参数的修改,实现对系统的人工干预,如在线参数修改、控制调节等。
历史数据站保存整个系统的历史数据,供组态软件实现历史趋势显示、报表打印和事故追忆等功能。
2)现场控制站是SmartPro系统中最下层的设备,它可以在控制室中采用柜式集中安装,也可以分散安装。
它采用先进的ProfiBus-DP现场总线技术。
它具有可靠性高、分散度强、可冗余配置等技术特点。
现场控制站作为信号采集和控制设备是SmartPro系统的硬件基础。
它的正常工作是整个SmartPro系统正常工作的基础。
现场控制站(亦称为控制站、过程控制站、过程控制单元)用于现场信号的采集与处理,控制策略的实现,并具有可靠性的冗余保证、网络通信功能。
包括机柜及其模件、电源模件和主控制器等。
主控制器是分散控制系统的核心控制部件,所有控制功能均由它根据功能的分配不同协调实现。
现场控制站由主控单元、智能I/O单元、电源单元、现场总线和专用机柜等部分组成,采用分布式结构设计,扩展性强。
其中主控单元是一台特殊的工业计算机,采用分布式全32-bit微内核实时操作系统QNX,运行工程师站所下装的控制程序,进行工程单位变换、控制运算,并通过监控网络与工程师站和操作员站进行通讯,完成数据交换;智能I/O单元完成现场内的数据采集和控制输出;电源单元为智能I/O单元提供稳定的工作电源;现场总线为主控单元与智能I/O单元之间进行数据交换提供通讯链路。
主控单元采用冗余配置,通过现场总线(Profibus-DP)与各个智能I/O单元进行连接。
在主控单元和智能I/O单元上,分别固化了相应的板级程序。
主控单元的板级程序固化在半导体存储器中,而将实时数据存储在带掉电保护的SRAM中,完全可以满足控制系统可靠性、安全性、实时性要求。
而智能I/O单元的板级程序同样固化在半导体存储器中。
3)通信网络连接分散控制系统的各个分布部分,完成数据、指令及其他信息的传递。
Smartpro系统由上下两个网络层次组成:
监控网络(SNET)和控制网络(CNET)。
上层监控网络主要用于工程师站、操作员站和现场控制站的通讯连接;下层控制网络存在于各个现场控制站内部,主要用于主控单元和智能I/O单元的通讯连接。
Smartpro系统网络拓扑结构图如图2-2所示
图2-2
监控网络
上层监控网络为冗余高速以太网链路,使用五类屏蔽双绞线及光纤将各个通讯节点连接到中心交换机上。
该网络中主要的通讯节点有工程师站、操作员站、现场控制站,采用TCP/IP通讯协议,不仅可以提供100MB/bps的数据连接,还可以连接到Intranet、Internet,进行数据共享。
监控网络实现了工程师站,操作员站、现场控制站之间的数据通讯。
通过监控网络,工程师站可以把控制算法程序下装到现场控制站主单元上,同时工程师站和操作员站也可以从主控制单元上采集实时数据,用于人机界面上数据的显示。
各个节点固定分配的IP地址进行标识。
为实现监控网络的冗余,网中每个接点的主机都配有两块以太网卡,分别连接到128网段和129网段的交换机上。
监控网络的前两位IP地址已作了规定,分别为128.0和129.0,现场控制站主单元IP地址的后两位由程序自动分配,工程师站、操作员站IP地址的后两位则可以自行定义。
一般我们将一个现场控制站里相互冗余的两个主控单元分别成为A机、B机。
他们的IP地址设置是通过一个拔码开关来实现的,具体设置如表1.1所示。
对于工程师站和操作员站的计算机,我们把它看作同一类计算机,进行同意编号,具体IP地址设置如表所示。
各现场控制站主控单元IP地址设置
#10站主控单元
#11站主控单元
#12站主控单元
#n站主控单元
A机
128网段
128.0.0.10
128.0.0.11
128.0.0.12
128.0.0.n
129网段
129.0.0.10
129.0.0.11
129.0.0.12
129.0.0.n
B机
128网段
128.0.0.138
128.0.0.139
128.0.0.140
128.0.0.(128+n)
129网段
129.0.0.138
129.0.0.139
129.0.0.140
129.0.0.(128+n)
各工程师站、操作员站计算机IP地址设置
计算机0
计算机1
计算机2
计算机n(0≤n<88)
128网段
128.0.0.50
129.0.0.51
129.0.0.52
129.0.0.(50+n)
129网段
129.0.0.50
129.0.0.51
129.0.0.52
129.0.0.(50+n)
控制网络
控制网络位于现场控制站内部,主控单元和智能I/O单元都连接在Profibus-DP总线上,采用带屏蔽的双绞线铜线(串行总线)进行连接,具有很强的抗干扰能力。
该网络中的通讯节点主要有DP主站(主控单元中的FM121模件)和DP从站(智能I/O单元------FM系列的输入/输出模件)。
利用总线技术实现主控单元和过程I/O单元间的通讯,以完成实时输入/输出数据和从站设备诊断信息的传送,并且通过添加DP重复器模件,可以实现远距离通讯,或者连接更多的智能I/O单元。
SmartPro系统控制网络结构图
4)分散控制系统的软件是由实时多任务操作系统、数据库管理系统、数据通信软件、组态软件和各种应用软件组成。
东海拉尔发电厂2×50MW机组、2×220T循环硫化床锅炉DCS系统的软件组成是:
Windows2000+PACK4操作系统,ConMaker应用程序软件,FacView应用程序软件。
SmartPro系统由硬件和软件两部分组成。
硬件部分主要包括和利时公司自行研制、开发的FM系列主控单元和输入/输出模件;软件部分包括ConMaker应用程序软件及FacView应用程序软件。
ConMaker软件主要用于实现控制策略程序的设计、运行、监控,支持算法离线仿真调试,有效提高工作效率,减少错误率,降低了危险性;支持主控单元数据库的增量下装和完全下装两种方式;可以从主控单元中读取当前工程的全部数据,包括所有参数。
ConMaker提供了功能强大的开发语言,采用符合IEC1131-3标准的五种编程语言:
SFC、FBD、LD、ST、IL,方便各个行业、不同种类的组态人员进行控制策略组态。
ConMaker提供了丰富控制算法库,包括算术运算函数库、类型转换函数库、控制策略函数库、定时器/计数器/触发器等函数库,同时组态人员还可以采用五种语言,灵活高效的自定义函数功能块(FunctionBlock),在任何应用程序种灵活方便的调用。
ConMaker软件主要用于实现控制策略的设计、运行、监控,支持算法离线仿真调试,有效提高工作效率,减少错误率,降低了危险性;支持主控单元数据库的增量下装和完全下装两种方式;可以从主控单元中读取当前工程的全部数据,包括所有参数。
ConMaker提供了功能强大的开发语言,采用符合IEC1131-3标准的五种编程语言:
SFC、FBD、LD、IL方便各个行业、不同种类的组态人员进行控制策略组态。
ConMaker提供了丰富控制算法库,包括算术运算函数库、类型转换函数库、控制策略函数库、定时/计数器/触发器等函数库,同时组态人员还可以采用五种语言,灵活高效的自定义函数功能块(FunctionBlock),在任何应用程序中灵活方便的调用。
FacView软件主要用于实现人机界面的设计、操作、调试、维护。
FacView软件由FacViewExplorer,工程编辑器、图形编辑器、代码编辑器,以及FacViewRuntime共5个部分组成。
利用图形编辑器可轻松制作各种工艺图形,画面上的各个图形元素具有各自相应的静态特性(点、线、弦、弧、矩形、椭圆、多变形等图形的填充、旋转、拉伸、拷贝、剪切、粘贴等)、动态特性(数值显示、填充、曲线跟踪、平移、旋转、闪烁、缩放及各种动画功能)和交互特性(各种操作按钮,可完成图形切换、弹出窗口、修改参数及各种控制功能)灵活运用这三种特性,即可定制各式各样的人机界面,还可定制仪表风格的控制操作界面,符合操作员的使用习惯。
代码编辑器内置的InterCode编程接口,可提供专为工程自动化见空而设计的简单易用的编程语言,无需专业编程经验即可掌握,支持多任务、多线程、远程调用的程序执行方式,通过功能强大的内部接口函数,可访问系统所有的应用:
变量、报警、趋势、图形、操作系统、通讯接口等。
FacView软件主要用于实现人机界面的设计、操作、调试、维护。
FacView软件有FacViewExplorer、工程编辑器、图形编辑器、代码编辑器,以及FacViewRuntime共5个部分组成。
利用图形编辑器可轻松制作各种工艺图形,画面上的各个图形元素具有各自相应的静态特性(点、线、弦、弧、矩形、椭圆、多变形等图形的填充、旋转、拉伸、拷贝、剪切、粘贴等)、动态特性(数值显示、填充、曲线跟踪、平移、旋转、闪烁、缩放及各种动画功能)和交互特性(各种操作按钮,可完成图形切换、弹出窗口、修改参数及各种控制功能)。
灵活运用这三种特性,即可定制各式各样的人机界面,还可定制仪表风格的控制操作界面,符合操作人员的使用习惯。
代码编辑器内置的InterCode编程接口,可提供专为工程自动化监控而设计的简单易用的编程语言,无需专业编程经验即可掌握。
支持多任务、多线程、远程调用的程序执行方式,通过功能强大的内部接口函数,可访问系统所有的应用:
变量、报警、趋势、图形、控制、操作系统、通讯接口等。
2.2名词术语解释
DCS(DistrbutedControlSystem),即分布式控制系统(或称分散控制系统),指控制功能分散、风险分散、操作显示集中、采用分布式结构的智能网络控制系统。
DAS(DateAcpuisitionSystem)数据采集系统,是指采用数字计算机系统对工艺系统和设备的运行参数、状态进行检测,对检测结果进行记录、处理、显示和报警,对机组的运行情况进行计算和分析,并提出运行指导的监视系统。
MCS(ModulationControlSystem)模拟量控制系统,是指通过控制变量自动完成被控制变量调节回路。
被控变量通过反馈通路引向控制系统输入端所形成的控制系统,也称闭环控制或回路控制,其输出量为输出量的连续函数。
它常包含参数自动调节及偏差报警等功能。
火力发电厂模拟控制系统是锅炉、汽轮机及其辅助设备运行参数自动控制系统的总称。
CCS(CoordinatedControlSystem)协调控制系统,是指将锅炉-汽轮发电机组作为一个整体进行控制,通过控制回路协调锅炉与汽轮机组在自动状态下工作,给锅炉、汽轮机的自动控制系统发出指令,以适应负荷变化的需要,尽最大可能发挥机组调频、调峰的能力,它直接作用的执行级是锅炉燃料控制系统和汽轮机控制系统。
SCS(SequenceControlSystem)顺序控制系统,是指对火电机组的辅机及辅助系统,按照运行规律规定的顺序(输入信号条件顺序、动作顺序或时间顺序)实现启动或停止过程的自动控制系统。
FSSS(FurnaceSafeguardSupervisorySystem)炉膛安全监控系统,指对锅炉点火和油枪进行程序自动控制,防止锅炉炉膛由于燃烧熄火、过压等原因引起炉膛爆炸(外爆或内爆)而采取的监视和控制措施的自动系统。
FSSS包括燃烧器控制系统(BurnerControlSystem,简称BCS)和炉膛安全系统(FurnaceSafetySystem,简称FSS)。
AGC(AutoGenerateControl)自动发电控制,根据电网对各电厂负荷的运行要求,对机组发电功率由电网调度进行自动控制的系统。
MFT(MasterFuelTrip)总燃料跳闸,是指保护信号指令动作或由人工操作后,快速切断进入锅炉炉膛的所有燃料而采取的控制措施。
DEH(DigitalEletro-HydraulicControl)汽轮机数字电液控制系统,是按照电气原理设计的敏感元件、数字电路以及按液压原理设计的放大原件和液压伺服机构构成的汽轮机控制系统。
ATC或ATSC(AutomaticTurbinestarupControl)汽轮机自启动,根据汽轮机的运行参数及热应力计算,使汽轮机从盘车开始直至带初负荷按程序实现自启动。
OPC(OverspeedProtectionControl)超速保护控制功能,是一种抑制超速的控制功能,常见有以下两种方式:
1)当汽轮机转速达到额定转速103%时,自动关闭高、中压调节汽门;当转速恢复正常时,开启这些汽门,以维持额定转速。
2)当汽轮机转速出现加速度时,发出超弛指令,关闭高、中压调节汽门;当加速度为零时由正常转速控制回路维持正常转速。
BPC(Bypasscontrolsystem)旁路控制系统,是汽轮机旁路系统的自动投入和旁路系统蒸汽压力、温度等自动控制系统的总称。
ETS(Emergencytripsystem)汽轮机紧急调闸系统,是在汽轮机运行过程中,机组重要运行参数越线等异常工况下,实现紧急停止汽轮机运行的控制系统。
MEH(Micro-electro-hydrauliccontrolsystem)给水泵汽轮机电液调节系统,是采用微型计算机控制和液压执行机构实现控制逻辑,驱动给水泵汽轮机电液调节系统。
UPS(UninterruptedPowerSupply)不间断电源。
RB(Runback)辅机故障减负荷,是针对机组主要辅机故障采取的控制措施,即当主要辅机(如给水泵、送风机、引风机)发生故障,机组不能带额定负荷时,快速降低机组负荷的一种措施。
3、检修运行维护的主要内容
检修运行维护的目的,就是为了采用正确的方法和手段,确保分散控制系统处于完好、准确、可靠状态,从而满足生产过程正常运转的需要。
3.1检修的主要内容
分散控制系统检修的主要内容包括系统停运前各部件状态检查,并做好记录,以便停运后针对性地进行检修;系统停运后要对系统各部件进行外观检查等一般性检查,对系统控制装置、卡件等硬件设备按反映技术指标所必须的项目进行测试或检验,以校验各硬件设备技术特性满足相关要求;对系统软件及应用软件进行逻辑检查及功能试验,以确保软件功能的完整性,并满足生产工艺流程的要求;从而保证分散控制系统安全可靠运行。
3.2运行维护的主要内容
分散控制系统运行维护的主要内容包括系统在投运前应做好必要项目的检查,检查合格且一切准备就绪后系统上电,按照相关步骤启动系统,并检查验收系统各部件正常或满足相关技术要求后,系统投入在线运行。
系统正常运行时,为确保系统处于完好、准确、可靠状态,要进行必要的日常与定期维护工作,即每日一次设备巡检,记录系统各部分的工作状况,发现异常问题及时查明原因解决处理,定期进行有关内容是否符合技术指标质量要求的试验和检查,并根据热控系统的运行工况决定热控系统设备的投入与退出。
4、DCS使用中常见问题及分析
DCS在运行中常有以下几类故障:
4.1通信网络故障
通信网络类故障一般易发生在接点总线、就地总线处,或因地址标识错误所造成。
4.2节点总线故障
节点总线的传送介质一般为同轴电缆,有的采用令牌信号传送方式,有的采用带冲突检测的确良多路送取争用总线信号传送方式。
不论采用哪种方式,当总线的干线任一处中断时,都会导致该总线上所有站及其子设备通信故障。
目前,一般防止此类故障的方法是采用双路冗余配置的方式,避免因一路总线发生故障而影响全局,但这并不能从根本上避免故障的发生,并且一旦一根总线发生故障,处理时极易造成另一个总线故障,其后果是非常严重的。
有效的方法应是从防止总线接触不良或开路入手。
比较成功的是系统的节点总线布置方式。
其同轴电缆的连接不是在通信模件的前面,而是在模件的后面,这样当系统运行中处理通信模件故障时,可避免误碰同轴电缆,造成网线断路。
同时,其同轴电缆除专门进行检查,任何时候都不会去触动,可防止因多次插拔同轴电缆的插头造成松动,增加其故障的可能。
另外,应制定同轴电缆检查与更换管理制度,在其接触电阻增大至影响通信之前,进行更换或处理。
4.3就地总线故障
就地总线或现场总线一般由双绞线组成的数据通信网络。
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