西门子PCS7型DEH控制系统优化

曹龙辉

(神华浙江国华浙能发电有限公司，浙江 宁波 315612)

0 引言

西门子PCS7系统是完全无缝集成的自动化解决方案，可以应用于所有工业领域，包括过程工业、制造工业、混合工业以及工业涉及的制造和过程自动化。作为一种先进的过程控制系统，SIMATIC PCS7形成了带有典型过程的组态特征，主要包括Step7，CFC，SFC，Simatic Net，WinCC 以 及PDM等软件，组态对象选用S7-400高端CPU，通过现场总线与I/O站点的连接，提供双向的信息交换，实现各种控制策略，完成数据采集、模拟调节、顺序控制、高级控制以及其他不同用户的特殊功能要求。

1 西门子PCS7系统简介

浙江国华宁海电厂4×600 MW机组DEH系统使用西门子公司的PCS7型集散控制系统，主要包括基本自动控制系统、操作和监视系统、工程师站等。该系统通信采用PROFIBUS-DP通信协议。

自动控制系统采用双控制器，由冗余的S7-417H CPU及高性能CPU FM458、接口模件EXM448-1、高速I/O采集模块ADDFEM构成。其功能分为常规逻辑部分及快速动作2部分，分别由远程I/O站ET200M和高速I/O采集模块ADDFEM实现。

操作和监视系统包含1套以WinCC为基础的操作员站。

工程师站负责组态及数据库管理。

网络系统分2块，其中自动控制系统、上位机、工程师站采用100 Mbit以太网通信方式，由光切换模件OSM作为HUB和电缆连接实现；自动控制系统的CPU与ET200M之间、CPU与ADDFEM之间均采用PROFI BUS DP 连接。

PCS7型集散控制系统结构如下：1对冗余的控制器S7-417H分别与4对ET200站相连，用于采集现场信号；2块CP443卡件与上层网络连接，用于传送数据；2块高速控制器 FM458通过通信卡EXM448-1驱动4块ADDFEM卡，负责采集、处理DEH系统中的重要信号，如汽轮机转速、调门指令及反馈、发电机功率等。

2 PCS7型集散控制系统优化的必要性

自投产以来，该系统基本的自动控制、操作和监视功能等均能满足机组的运行要求，但由于系统结构及硬件方面的缺陷，导致系统的稳定性降低。

2.1 双控制器交叉运行故障

417H与FM458在设计上是独立运行的，分别处理不同的现场信号，但2个FM458之间的冗余切换需要依靠417H的光纤同步器来完成。如果一侧的417H控制器出现问题，FM458控制器也无法进行冗余切换；如果出现交叉故障，即一侧的417H控制器故障，另一侧的FM458控制器故障，那么DEH系统将无法正常运行。

2.2 硬件易损坏

EXM448-1通信卡件负责连接FM458与ADDFEM卡，一旦出现问题，就会导致控制器无法对现场的调门进行控制。在现场实际使用中，发现EXM448-1卡件运行一段时间后，若在检修时断电后再送电，大概率会发生卡件损坏事故，且无法修复。

2.3 备件缺乏

因EXM448-1通信模件故障率较高，西门子公司已逐步停止生产该卡件。自机组投产以来，出现多起EXM448-1卡件损坏事故，现有备件基本消耗完，市面上也已没有该型号卡件出售。

3 优化总体方案

3.1 取消EXM448-1通信模件

由于EXM448-1卡件的功能只是作为FM458与ADDFEM卡的PROFIBUS-DP通信接口，而FM458上本身自带PROFIBUS-DP通信端口，因此可以考虑取消EXM448-1通信模件，改为FM458与ADDFEM的直连方式，以减少中间环节，降低卡件的故障率。通过取消EXM448-1卡件的技术改造方法，可以解决EXM448-1卡件故障率高且备件停产的问题，同时也提高了DEH控制系统的稳定性。升级后的系统结构如图1所示。

图1 升级后的系统结构示意

3.2 升级ADDFEM卡

取消EXM448-1卡件后，ADDFEM卡必须由FM458直接驱动，但经过厂家测试，6DL3100-8AA型的ADDFEM卡版本较低，不能由FM458直接驱动，因此必须升级为6DL3100-8AC型。

3.3 组态程序升级

必须更新FM458，AS417H及ADDFEM卡用户程序，包括接口软件、库函数等，这些可在FM458，AS417H及ADDFEM卡中进行组态修改。

4 优化方案实施

4.1 硬件安装

系统断电后，拆下EXM448-1卡件，将PROFIBUS-DP通信线拔下，直接插在FM458卡件的X3接口。更换ADDFEM卡，设置地址，4块ADDFEM卡从左往右地址依次为3，4，5，6，与硬件组态中对应。设置完毕后，将ADDFEM卡转到RUN或者RUN-P状态。

ADDFEM卡地址设置过程：查看原地址，工作模式转到MRES状态，地址清零，拨片拨到“0”位置；等USR1灯从慢闪到快闪时，进入地址设置；设置好地址，把运行模式转到MERS状态进行保存，工作模式转到RUN状态，地址设置完成。

4.2 修改逻辑组态

首先，备份原逻辑。修改硬件组态，组态中删除EXM448-1卡件，增加FM458的PROFIBUSDP网络，速率为12 Mbs。添加4块ADDFEM卡，设地址及配置通道参数。组态时如果找不到ADDFEM卡，必须要导入GSD文件；该文件在ADDFEM卡自带的光盘中，文件名为SIF080A3.GSE。导入后在硬件库里可以找到6DL3100-8AC型号的ADDFEM卡。

其次，打开硬件组态，删除EXM448-1卡件和老型号的ADDFEM卡，在主从侧分别添加新型号为6DL3100-8AC的ADDFEM卡，并配置好硬件通道类型。

软件逻辑方面做如下修改：

(1) 将原ADDFEM卡通信接口EXM443.X01修改为4581DP.X3；

(2) 在“ADD7R1”模块的入口处，新增“SWB_B”模块，将信号W05至W22分别断开后通过“SWB_B”模块依次连接起来；

(3) 在“ADD7NT”模块的出口处，交换C11和C12接口的输出；

(4) 在“ADD7T”模块的出口处，新增“SWB_B”模块，依次连接信号W02至W09。

最后，将修改好的逻辑保存，编译下装，下载顺序为硬件—网络—软件，在硬件、网络及FM458左右两侧分别下装。在下装过程中，可能会遇到FM458报错，则要勾选初始登录选项，相当于将原来的逻辑清空，再重新启动CPU。

4.3 硬件检查及通道测试

4.3.1 硬件检查

硬件及软件逻辑修改完毕后，检查硬件，发现FM458及ADDFEM卡外部故障报警红灯亮起，说明该卡件有故障。从系统结构上看，FM458外部故障应该是ADDFFM卡故障引起的。系统升级前，ADDFFM卡一直有外部故障，在FM458和ADDFFM卡之间有EXM448-1卡件，所以FM458没有显示外部故障，在FM458与EXM448-1卡直连后，该故障报警就送到FM458显示。

对ADDFEM卡进行详细分析后，发现ADDFEM卡有空余AI通道及DO通道未使用，导致外部故障报警。ADDFEM卡有AI/AO/DI/DO 4种信号类型，AI为12通道，前6个通道为0—10 V电压型信号，7—12通道可设置为0—20 mA或4—20 mA电流型信号（或设置为电压信号），而未使用的通道全部组态为4—20 mA电流信号，所以卡件认为该通道断线。DO通道则需要外接24 V电源供电，否则卡件认为该通道不正常。

因此，可考虑使用2个方法消除此故障：

(1) 将ADDFEM卡的AI空通道组态为0—20 mA信号；

(2) 空余DO通道接入24 V电源。

修改完毕后，ADDFEM及FM458卡外部故障红灯均消失。

4.3.2 通道测试

硬件及逻辑组态修改完成后，为保证系统硬件的可靠，需要进行通道测试。测试内容包括：

(1) AI/DI通道，使用信号发生器模拟，记录组态逻辑中的输入值；

(2) DO通道，使用信号发生器模拟信号，在机柜内记录继电器是否动作；

(3) AO通道，测试时需要将3个挂闸信号短接，在逻辑中修改每个指令输出的限制，强制AO通道有输出，在卡件测量通道的输出电流。如调门指令，在PIC功能块中强制上限LU和下限LL，强制值为-1—+1，对应的输出值为-30—+30 mA。

4.4 仿真试验

为了验证DEH逻辑的正确性，在控制系统升级或逻辑大量修改时，需要进行DEH仿真试验，完全模拟机组的正常运行状态，以保证DEH系统的可靠性。

4.4.1 仿真参数

仿真试验需要修改较多参数，在仿真试验前需要将逻辑做好备份，在原有逻辑上直接做修改并做好记录，仿真试验完成后恢复参数。需要修改的参数主要有：功率信号、转速信号、挂闸信号、并网信号、第一级压力信号等。

仿真试验在冲转过程中遇到转速抖动的情况，分析后发现，是由于仿真试验跟实际冲转时汽轮机的惯性不一致，主汽门及调门的PID参数不合适。经整定PID参数后，可以冲转并网，仿真试验得以顺利进行。

4.4.2 具体操作

(1) 备份原逻辑，修改仿真逻辑并下装。模拟主蒸汽压力，模拟中主门开到位信号，进行纯仿真试验。在“操作员自动”控制模式下，在仿真面板SIM上模拟汽轮机挂闸，设阀限108，设置初始转速目标值。

(2) 控制系统在转速控制方式下，按机组启动升速的各阶段设置目标转速和升速率，转速在2 950 r/min时进行阀切换，由TV控制切换为GV控制，阀切换完毕时转速设定值3 000 r/min，升速到额定转速，检查控制系统对机组转速的全程调节功能。等待转速稳定在3 000 r/min后继续如下实验步骤。

(3) 电超速仿真试验必须在模拟并网前，汽机转速在3 000 r/min时进行。确认DEH方式在“操作员自动”及“单阀”控制方式，设定目标转速3 100 r/min。

转速升至＞103 %额定转速，OPC动作后将转速设定值设置为3 000 r/min，同时检查确认OPC信号输出是否正常，30CBA03柜K3K4K5K6继电器动作是否正确，画面上高中压调节汽门是否关闭。待转速达到重新开启阀门的条件时重新开启高中压调门，维持正常额定转速。

(4) 在DEH操作员站ETS试验画面上确认电超速保护投入。在DEH控制总貌上选择“OPC模式”窗口，投入“OPC失效”模式。在DEH控制总貌画面的“控制设定值”窗口中设定目标转速3 310 r/min和升速率50 r/min，提升汽机转速。

(5) 汽机转速升至电超速动作转速3 300 r/min(110 %额定转速)，ETS画面上“电超速跳机”亮，确认汽机跳闸、转速下降，各主汽门、调速汽门关闭，电超速已动作，确认30CBA03柜K1K2K7继电器动作正确。在DEH控制总貌上选择“OPC模式”窗口，切除“OPC失效”模式。

(6) 机组重新挂闸，按机组启动升速各阶段设置目标转速和升速率，设定目标转速至2 950 r/min，TV/GV阀切换后升速至3 000 r/min并维持。

(7) 模拟并网带初始负荷。设定负荷目标及负荷变化率，将负荷升至200 MW，400 MW，600 MW。负荷稳定至600 MW进行单多阀切换试验(阀门由单阀切至顺序阀)。

(8) DEH投入遥控方式。DCS侧OM操作设定负荷设定值，将负荷减至300 MW，检查控制系统对机组负荷控制的全程调节功能。进行单多阀切换(阀门由顺序阀切换为单阀)，切除DEH遥控。模拟机组打闸，纯仿真试验结束。

(9) 热控人员短接ETS信号，使机组具备挂闸条件（进行带油动机的混仿试验）。在“操作员自动”控制模式下，模拟主蒸汽压力，模拟中主门开到位信号。运行人员启动相关设备，机组挂闸，设阀限108，设置初始转速目标值。

(10) 控制系统在转速控制方式下，按机组启动升速的各阶段设置目标转速和升速率，转速在2 950 r/min时进行阀切换由TV控制切换为GV控制，阀切换完毕时转速设定值3 000 r/min，升速到额定转速，检查控制系统对机组转速的全程调节功能。等待转速稳定在3 000 r/min转后继续如下试验步骤。

(11) 电超速仿真试验必须在模拟并网前，汽机转速在3 000 r/min时进行。确认DEH方式在“操作员自动”及“单阀”控制方式，设定目标转速3 100 r/min，转速升至103 %额定转速，OPC正确动作后将转速设定值设置为3 000 r/min，同时检查确认30CBA03柜K3/K4/K5/K6继电器动作正确，就地OPC电磁阀动作正确，高中压调节汽门关闭。待转速达到重新开启阀门的条件时重新开启高中压调门，维持正常额定转速，OPC仿真试验结束。

(12) 在DEH操作员站ETS试验画面上确认电超速保护投入。在DEH控制总貌上选择“OPC模式”窗口，投入“OPC失效”模式。

(13) 在DEH控制总貌画面的“控制设定值”窗口设定目标转速3 310 r/min和升速率50 r/min，提升汽机转速。汽机转速上升至电超速动作转速3 300 r/min(110 %额定转速)，ETS画面上“电超速跳机”亮，确认汽机跳闸、转速下降，各主汽门、调速汽门、抽汽逆止门关闭，电超速已动作，确认30CBA03柜K1K2K7继电器动作正确。在DEH控制总貌画面上选择“OPC模式”窗口，切除“OPC失效”模式。

(14) 机组重新挂闸，按机组启动升速各阶段设置目标转速和升速率，设定目标转速至2 950 r/min，TV/GV阀切换后升速至3 000 r/min并维持转速不变。

(15) 仿真面板上模拟发电机并网带初始负荷。设定负荷目标及负荷变化率，将负荷升至200 MW，400 MW，600 MW。负荷稳定至600 MW进行主汽门松动试验。

(16) 投DCS上DEH概貌画面中的“VALVE NOT TEST”块，并确认该画面上所有阀门均未在被选中状态。

(17) 在DEH总貌画面上选中 “TV1松动” 试验块，执行“试验投入”。检查TV1自动关闭至80 %开度，就地检查动作正常，执行“试验切除”。检查TV1自动开启至100 %开度，就地检查动作正常。投DCS上DEH概貌画面中的“VALVE NOT TEST”块，并确认该画面上所有阀门均未在被选中状态。

(18) 在DEH总貌画面上选中 “TV2松动” 试验块，执行“试验投入”，检查TV2自动关闭至80 %开度，就地检查动作正常，执行“试验切除”，检查TV2自动开启至100 %开度，就地检查动作正常。投DCS上DEH概貌画面中的“VALVE NOT TEST”块，并确认该画面上所有阀门均未在被选中状态。

(19) 负荷稳定至600 MW时，进行主从CPU冗余切换试验。检查切换过程中各项控制参数是否正常。

CPU切换试验完毕后负荷稳定在600 MW，进行单多阀切换试验（阀门由单阀切至顺序阀）。

(20) DEH投入遥控方式，DCS侧OM操作设定负荷设定值，将负荷减至300 MW检查控制系统对机组负荷控制的全程调节功能。进行单多阀切换（阀门由顺序阀切换为单阀）。切除DEH遥控。负荷设定值100 MW，负荷降至100 MW。

(21) 运行按手动停机，机组停运。解除逻辑中信号强制，恢复原逻辑。

5 总结

西门子PCS 7系统优化后，解决了如下问题。

(1) DEH控制系统CPU冗余切换慢。FM458与ADDFEM卡件通信需要依靠EXM448-1卡件，切换时可能出现故障。

(2) EXM448-1卡件故障问题。检修期间停送电后，EXM448-1卡件极易损坏，且不可修复，只能更换。

(3) EXM448-1卡件备件问题。EXM448-1卡件已经停产，现在使用库存备件，且价格极其昂贵。

经过本次系统优化，减少了系统通信环节，优化了控制策略和控制工艺，简化系统维护工作，提高了西门子PCS7型DEH控制系统的可靠性，保证了汽轮发电机组的安全稳定运行。

下 期 要 目

● 大型发电企业外包工程安全管理问题及对策

● 基于远程诊断技术开展的设备运行优化实践

● SNCR-SCR联合脱硝工艺影响因素探析

● 输变电设备集中监控信息专家库建设

● 低压配电网三相不平衡补偿装置研究