基于DCS的火电厂智慧报警设计

黄启东

浙江浙能嘉华发电有限公司 浙江 嘉兴 314201

引言

DCS因其组态灵活、控制功能强大、人机界面友好、技术成熟等特点，在火电厂生产控制过程中得到了广泛的应用。以660MW火电机组为例，仅主机部分就有1000多个设备和10000多点IO信号，对于运行人员来说，要实时监控这些设备和信号需要借助先进的自动化控制设备。DCS系统为此提供了一种分散控制、集中管理的监控方式，即将分散在现场的设备进行数据采集和控制，同时将设备状态集中传送至集控室监控管理。其报警功能是DCS的一项基本功能，在工艺参数偏离正常值或运行状态出现异常情况时报警系统会发出声光报警，以提醒运行监管人员尽早采取干预措施，对保持设备正常运行有着重要的作用。本文介绍了一种火电厂DCS分层报警设计理念，探讨了一些典型的基于DCS系统的火电厂智慧报警逻辑设计，以提高火电厂自动化监控水平。

1 火电厂DCS报警系统常见问题

因报警系统与设备的控制不存在直接的关联，很多火电厂在基建调试时对报警系统的设计未引起足够的重视，在移交运行后经常存在一些问题，常见如下。

1.1 报警层级设置不合理

报警层级设置不合理，未对信号根据重要性、紧急性等因素进行区分，在一些突发情况下出现报警雪崩现象，未能在紧急情况下及时地提供简洁、明确的报警信息。

1.2 报警逻辑设计不合理

大屏光字牌报警是报警级别最高的一种，一旦大屏发生大屏报警就意味着有设备跳闸或者较紧急的情况发生。但在实际运行过程中平常就有很多大屏报警存在，这些报警的出现与逻辑设置不合理等因素有关。比如在备用制粉系统停运时大屏报警触发了磨煤机一次风量低报警，未考虑设备运行和停运时的区别。

1.3 报警设置过多

因为DCS报警设置极为方便，且几乎无额外的成本，易造成一种报警越多越好的错误认识，导致报警设置过多[1]。举例来说，一个开关量测点可以设置为0报警、1报警、状态翻转报警等，我们应该结合工艺设置一种报警，而不是盲目地设置状态翻转报，造成额外的无效报警。

1.4 报警参数设置不合理

报警参数设置不合理经常导致误报、漏报、报警不及时，在实际运行过程最常见的情况是反复频繁报警，造成运行人员警觉性降低。

2 DCS报警分层设计

针对DCS报警系统常见的问题，本次改造对DCS报警逻辑、定值等进行了全面梳理，在此基础上提出了一种基于分层级报警的方案，解决了报警分级不明确、重点不突出等问题。本方案将报警分为大屏软光字牌报警、侧栏点信息报警、工艺流程图报警三个层级。

2.1 DCS大屏报警

DCS大屏报警包含火电机组主保护信号异常报警、主重要系统和辅机的报警信号、仪控系统的电源和设备异常等报警，原则上出现影响机组安全运行的情况应均能在大屏报警出现。大屏报警从大体上划分为炉侧、机侧、电气3个区域，便于运行人员快速反应。大屏报警软光字牌又可根据重要性区分为红色报警和黄色报警，点击每个光字牌进入相应的报警窗口，每个窗口内有更具体的报警细项。大屏报警的优势是系统指向性明确、报警内容详细，有利于运行人员在紧急情况下作出正确的判断。

本次改造的DCS系统使用和利时公司的MACS6.5.4系统，大屏报警需要使用其特定的HSALARMSPARK报警功能块触发声光报警，否则无法关联声音报警。该报警功能的引脚和输出定义如图1所示：

图1 HSALARMSPARK报警功能

I1引脚为报警输入，相关报警条件相或后引入该引脚；I2引脚为报警复位。光字牌根据报警触发条件和人工是否确认，确立了4种状态[2]：①报警条件触发，光字牌红闪或黄闪，同时触发声音报警，即O2置1。②报警条件触发且人工确认后，如报警条件仍在，此时O1为1。则光字牌常红或常黄，报警声音被复位。③报警条件触发且条件在人为确认前已消失，此时O3为1，光字牌绿闪且报警声音消失。④所有报警条件出现后消失且人为确认，光字牌恢复常绿。

2.2 DCS侧栏报警

大屏报警主要通过逻辑组态和画面组态，将重要的信息系统性地呈现给运行人员，快速指引运行人员对相关系统进行检查、调整。而DCS侧栏报警则主要借助DCS系统自带的报警功能。本工程使用的和利时MACS6.5.4系统自带工艺报警、设备报警等功能。

DCS侧栏报警的优点是系统自带、设置方便；缺点是着重单点报警，系统性不强，报警信息不详细。可作为大屏报警的有力补充。

2.3 DCS流程图报警

流程图报警指当工艺流程参数或设备异常时，直接在流程图上以文字或图符的形式呈现。一般来说流程图报警作为大屏报警和侧栏报警的辅助手段，在运行人员查看流程图时能直观地发现设备或参数异常。

上述这种以大屏报警为主、侧栏报警为辅、流程图报警为补充的分层级报警机制能够直接快速明确地提供设备参数异常信息，第一时间指导运行人员检查处理异常，很大程度上提高了运行人员处理事故的效率，保证了机组的长期稳定运行。

在建设智慧电厂的大背景下，对于DCS报警系统的要求也更加智能化，下文介绍了一些基于DCS系统的火电厂智慧报警优化设计。

3 火电厂智慧报警逻辑设计

3.1 可重复触发式大屏报警设计

和利时系统常规的大屏报警功能块原理如图1所示，但其存在当光字牌已经变色的情况下无法再次让其报警的问题，其原因为是否报警是基于对HSALARMSPARK报警功能I1引脚是否为1 的判断。本文设计了一种改进的大屏报警逻辑，即基于判断报警信息条件数量改变的逻辑。此方案首先所有条件的真假判断转换为模拟量相加，即计算了当前的报警条件存在的数量。当存在的报警数量大于1，且与前一扫描周期相比报警条数相差大于1时，触发报警的点有1-0-1的变化过程，解决了常规大屏在已有报警的情况下无法再次触发光字牌闪烁的问题。

3.2 一种适用于检测参数相对缓慢变化的报警逻辑

在火电厂中主油箱液位是一个非常重要的参数，主油箱液位因泄漏下降会造成保护动作跳机，甚至会造成汽轮机损坏，因此希望有一种检测主油箱液位下降的报警。但对于火电厂仪控来说，如何设计一种适用于检测参数相对缓慢变化的逻辑一直以来都是一个问题，我们考虑了以下几个常用方案：

3.2.1 使用速率块方案。不同于温度变化等变化速率比较快的测点，可以使用DCS自带的速率检测功能块，一般来说设定的为每秒钟或者每个扫描周期变化的量。而变化缓慢的参数，折算到每秒钟或者每个扫描周期的变化量非常小，一旦用速率功能块来做参数变化报警则非常容易引起误报。

3.2.2 使用微分块方案。使用采样值与LAG滞后块后的数值相减表示微分逻辑用来表达数值的变化。此方案一定程度上可以表达被侧数值的变化，但是不能非常明确地表达变化的速率。

3.2.3 使用堆栈功能块方案。对采样的数据进行堆栈处理，通过实时采集的信号数据与堆栈处理后的数据进行比较得出该信号的变化趋势。该方案存在的问题是并非所有DCS系统有合适的堆栈功能块，普遍适用性较差。

3.2.4 平均值比较方案。通过观察分析，我们发现主油箱液位信号在平时有几mm的波动，但总体上应该是稳定在一个区间内的。那么我们考虑采用比较某一时段内的平均值来进行报警。根据不同机组的特点设置5分钟均值、半小时均值、1小时均值计算逻辑，并进行多轮锁存，通过锁存的均值比较可以得出均值的变化情况，通过仿真可以实现主油位下降的观测报警。

3.3 一种适用于检测低速转动设备卡涩的报警逻辑

在电厂中有很多转动机械，当出现卡涩的时候，转动机械的电流或相关参数会出现周期性的变化。当这些参数还未达到保护值或者报警值时，我们可以利用检测这些参数周期性的变化趋势来达到报警的目的，以便尽早发现故障并采取处置措施防止设备运行状况进一步恶化。本文设计了一种适用于检测缓慢转动设备卡涩的报警逻辑，在干渣机的卡涩报警上得到了良好的应用。该逻辑在干渣机电流超过设定值后开始计时，如设定时间内有设定次数的电流值超过定值从而判断为设备卡涩，逻辑中的时间、电流定值、超限次数等都是可以根据设备情况设置。

3.4 一种判断火电机组AGC运行模式的报警逻辑

AGC指令根据负荷变化情况一般可分为爬坡模式和稳态模式[3]。在爬坡模式下需要较强的前馈作用以满足快速地响应负荷。而在稳态模式下如仍按爬坡时刻的前馈等控制参数则会造成燃料量频繁地大幅波动，根据试验表明这种工况下减小前馈作用不但对AGC调节速率和主汽压控制影响甚小而且还有利于主汽温等的稳定控制。本次DCS改造设计了两套CCS参数，分别用于AGC爬坡模式和稳态调频模式，供运行人员手动选择。

本文设计了一种判断火电机组AGC运行模式的报警逻辑辅助运行人员进行参数切换。逻辑原理如下：在机组处于CCS模式下默认为稳态模式，并锁存了进入稳态模式时的机组指令值，当实时机组指令与锁存的机组指令偏差超过20MW时则认为进入了爬坡模式，并重新锁存一次机组指令。当指令变化在20MW内或无指令变化时，延时一定时间进入稳定模式，这个延时时间与前一个指令幅度和机组速率有关。通过辨识AGC模式辅助切换控制参数，既满足了AGC爬坡模式的速率要求，又使得AGC小幅调节时各过程参数稳定。

4 结束语

本次DCS改造重新对报警设置进行了全面梳理，包括对那些信号需要报警、报警的定值等，并在此基础上进行了DCS报警分层设计，形成了以大屏报警为主、侧栏报警为辅、流程图报警为补充的报警系统，尽可能避免了漏报、误报、迟报的发生。结合智慧化电厂建设的需求，设计了一些智慧化报警逻辑，取得了良好的应用效果。火电厂报警系统的建设和完善是一项长期的工作，应结合设备工艺的变化和运行经验，不断地完善优化，以进一步提高机组自动化水平。