热控系统的容错设计

李芝华　白琮宇

【摘 要】通过对热控系统故障导致机组跳闸原因的分析，提出采用容错设计来提高热控系统的可靠性。讨论了冗余配置、逻辑优化、信号鉴别、坏值剔除、容错控制、软测量技术与故障诊断等几种容错设计方法。

【关键词】逻辑优化；容错控制；软测量技术；故障诊断；冗余配置；可靠性

热控系统的正确与完善，是大机组安全运行的基础。通过故障分析发现，大多数故障都是局部的设备故障所引起。为什么局部故障会导致机组跳闸？热控系统的整体可靠性该如何评价？有没有科学的方法来避免热控系统的误动？

1.热控系统可靠性不高的原因

1.1设计上对可靠性考虑不够

虽然近年来热控系统在设计、安装、调试方面都有了很大的进步，但热控系统在可靠性上还是存在着不足，由热控设备小故障所造成的机组非计划停运事件常有发生。尤其是新建机组投产后的前几年，热控专业通常都要进行大量的改进和完善工作。

1.2单点信号保护是系统的隐患

由于设备安装位置条件的限止或传统设计上的原因，在热工联锁保护系统中还大量存在着使用单点信号作保护的情况，这些单点信号造成了保护系统误动甚至机组跳闸，降低了热控系统的可靠性。某300MW机组磨煤机保护跳闸逻辑中，“一次风与炉膛差压低低”动作将跳所有磨煤机，设计中仅采用一个逻辑开关，误动造成机组跳闸的概率非常大。

分析认为：温度测量系统、绝对振动信号、位置开关、变送器等，由于故障时常发生，不宜用作单点保护。同时，单点保护还大大增加了因检修维护不当造成误动的风险。

1.3冗余不足

DCS的设计应采用合适的冗余配置、合理的分散度，使其具有高度的可靠性。系统内任一组件（电源、控制器、通讯模件、I/O模件、交换机、网络等）发生故障，都不应影响整个系统的工作。但实际运行中的DCS却很难完全满足上述要求，冗余失效和局部故障导致机组跳闸的事故时有发生。

有些系统虽然是按冗余系统设计，但并未做到真正的冗余。比如，将冗余的通讯口做在了同一块模件（有的甚至在同一个插接件），将冗余的保护信号组态在了同一块模件，当模件（插接件）发生故障时冗余失效。

对于冗余的独立取样系统同样存在以下问题：虽然设计了冗余的变送器，但采用了同一取样点，甚至共用了同一个一次阀门，或共用了同一个排污门。某600MW机组整套启动阶段发生的2次MFT，都是由于取样系统的冗余存在问题。

上述问题的存在，与热控系统的投资、技术手段有关，更与热控系统的设计理念有关。

2.热控系统的容错设计

2.1提高热控设备的冗余度

为了使热控系统具有较高的可靠性，合理的投入是很有必要的，也是最基本的保证。合理的投入是指选用高质量的热控设备，以及足够的冗余度。

保护信号首先要可靠，尤其是一次测量元件。如果选取的测量信号本身不可靠，将其用作跳闸信号时则会大大增加误动的概率。如大型辅机的电机线圈温度，目前已有许多机组将其由原来的跳闸改为报警，因为大量的运行实践表明，线圈温度测量信号的故障率非常高，辅机启动时常常不得不将故障的线圈温度测量信号强制撤出。

冗余也就能容错，因此，引入冗余信号、避免单点故障引起跳机是常见的容错设计方法。对重要开关量输入信号进行冗余逻辑判断，已经成为火电厂控制系统普遍采用的设计准则，如采用三选二正确性判断逻辑。当重要逻辑信号由模拟量信号转换产生时，对外部模拟量输入信号通常采用三取中冗余判断，并设置输入信号量程及变化速率等坏信号检查手段。对重要逻辑输出信号进行正确性检查判断，常采用二并、二串、二并二串的结构。并联输出降低了拒动的可能，但提高了误动的可能。串联输出降低了误动的可能，但提高了拒动的可能。采用二并二串的结构，可实现高可靠性的冗余控制输出。

2.2硬件优化和软件优化

在许多情况下，可以通过对硬件和软件进行适当地优化配置，使控制系统可靠性得到提高。

在热控系统设计中，在进行控制模件任务分配时，应注意将成对或多台组合配置的辅机控制（如磨煤机、给水泵、循环水泵、两侧烟风系统等）分配在不同控制模件中实现，以降低模件失效所带来的影响。过去曾出现过许多因模件分配不当，导致冗余失效的工程实例。如某600MW机组DEH系统3路“安全油压力低”信号共用了同一块模件，当该模件异常时导致汽机跳闸。

2.3引入故障鉴别信号改善单点保护

应尽量避免单点信号用于保护，当不得不采用单点信号作保护时，建议应引入故障鉴别信号。

对不可靠的单点信号保护（比如汽机振动）增加逻辑条件后，新加入的任何条件（与原信号相与）都将改变原来的保护机理。但如果采用引入故障鉴别信号的逻辑优化方式，原来的保护机理未改变，也就不会增加保护系统拒动的风险。如对于汽机轴向位移单点保护，可以引入汽机高中低压胀差作为故障鉴别信号。

2.4保护信号故障剔除

发电厂热工辅机保护逻辑中，常采用轴承和电机线圈的温度测量信号，当测量信号超过定值时触发保护动作，但由于温度测量回路中的热电阻很容易发生接触不良或断线的故障，使得保护误动。通常可以利用DCS I/O通道的故障诊断功能，如开路检测、超量程检测等对保护逻辑增加信号正确性判断，出现异常时及时将故障信号从保护回路中退出。对缓慢变化的温度信号进行正确性判断，速率鉴别是最有效的方法。

2.5容错控制技术的研究

目前，容错控制技术在火电厂热工自动控制系统的应用，大多是针对模拟量控制系统变送器、执行器的故障。

容错设计方法将特定的容错控制技术应用于火电厂热工自动控制系统的设计，更广泛地探讨提高控制系统可靠性的方法和途径。比如在模拟量控制系统中采用的控制指令方向性闭锁、禁开/禁关逻辑保护措施，以及在RB控制策略中的容错控制回路等等。

2.6软测量技术与故障诊断

将软测量技术应用于热工保护系统的故障诊断，可以大大提高热控系统的容错控制能力。

软测量技术是一门新兴的应用技术，它是通过构造数学模型使不可测变量可视化，并形成“推断控制”。目前，软测量技术在电厂热工过程中的研究和应用尚处于起步阶段，主要试图解决一些热工测量上存在的难题，如烟气含氧量、飞灰含碳量等等。

本文在前面提出，可以引入汽机高中低压胀差作为汽机轴向位移单点保护的故障鉴别信号。事实上，汽机轴向位移还与许多汽机参数相关，比如汽机调节级压力P。若利用软测量技术，建立汽机轴向位移与调节级压力P之间的对应关系曲线，也是实现轴向位移故障信号鉴别的另一种思路。

尽管软测量技术在电厂的应用还是初步的尝试，但已经显示出它的巨大潜力。由于软测量选取可靠性较高的参考信号，由DCS系统构造的数学模型稳定，是非常理想的主保护鉴别信号。

3.结束语

对火电厂热控系统的可靠性研究，是当前热控专业技术发展的热点之一。在热控系统中引入容错设计方法，为逻辑优化提出了明确的目标；我们可以按容错的要求，主动梳理控制逻辑，寻找保护系统中的薄弱环节，有针性地进行完善。我们可以引入热控系统容错度的概念，作为评价热控系统设计的量化指标；让热控系统在设计、制造两个重要环节中的优势显现出来，引导设计者、设备供应商去追求更高的可靠性目标。

本文提出的热控系统容错设计思想，只是一个抛砖引玉的作用，容错设计方法需要更多案例积累。希望通过进一步地研究，形成一整套典型的容错设计方案，并推广应用，以指导以后的火电厂热工自动化系统设计。 [科]