容错措施在大型隔压换热站控制系统中的应用

1 项目概况

    华能上安电厂至鹿泉区供热长输管网一号隔压换热站主要安装二十台换热器，四台回水增压泵，四台循环泵，一台紧急补水泵和二台常规补水泵。

隔压换热站控制系统整体分为三层结构，即现场控制层、数据采集层和能源管理层。

现场控制层--隔压换热站的控制是通过 PLC控制器内预设的控制逻辑，来实现隔压换热站内的独立的自动运行，手动运行以及远程自动控制。实现对隔压换热站温度、压力、流量、热量、补水泵、循环水泵及电机工作状态等物理量进行实时监测，以及对调节阀开度，水泵电机启停等控制。控制逻辑主要包括压力控制、温度控制、补水定压控制、一级网循环水泵变频控制，仿真优化控制策略等。

数据采集层--SCADA系统数据来自隔压换热站的生产运行数据，通过SCADA系统来获取并进行存储与控制，热网调度中心SCADA系统的主要功能为：在线数据采集、数据集中监视、生产数据统计分析、系统管理等。

在线数据采集实现与隔压换热站PLC的实时通讯，将PLC采集到的仪表、设备数据实时传送到SCADA系统，主要监测参数有： 供回水温度、压力、流量、热量、调节阀阀位、水箱液位、补水流量、用电总表、循环泵、补水泵频率、电流、运行状态、故障等。

    能源管理层--画面显示是对供热管网的各个业务环节进行集中监控，真实反映生产过程状况。在公司内网及Internet网上可通过系统对各个重要生产环节进行集中监控，对生产现场的生产执行情况进行实时监视，使各级管理人员能及时、准确、全面、直观的了解和掌握生产状况，进而实现对整个供热系统的集中控制。

2 实施背景

在供热期间，如出现PLC 故障或柜内出现故障，容易导致整个系统数据无法显示和控制，严重情况下可能导致整个隔压换热站系统停运。隔压换热站作为集中供热的主要热源部分，一旦停运将会影响整个供暖区域无法供暖，严重影响人民的正常生活。

3 冗余主要措施

隔压换热站容错措施主要分为主控制器冗余配置、I/O卡件双电源切换供电、现场测量与控制设备双电源供电、双路服务器共同控制、重要联锁逻辑实现三取二控制。

3.1主控制器冗余配置

      PLC柜采用两路UPS供电，UPS应是在线运行、可自动切换旁路工作，无切换时间，实现无扰动切换。功率见设备清单，技术参数如下：

隔压换热站控制系统采用两套PLC控制系统对隔压换热站进行控制，每套PLC系统采用冗余控制器，其中一套PLC控制器控制A&B长输回水增压泵、A&B一级网循环泵与补水泵C、补水阀B、一网泄压阀与1-10号换热器的信息和控制；另一套PLC控制器控制C&D长输回水增压泵、C&D一级网循环泵、补水泵A&B、补水阀A与11-20号换热器的信息和控制。供热信息网了解到如果单台PLC内的一台控制故障会自动切换到另台控制器，不会影响隔压换热站系统的安全运行。极端情况下，如果一套控制器全部故障，最高负荷下至少保证一半设备正常运行，避免长输管网全部失水的严重不安全事件。

3.2 I/O卡件双电源互相切换供电功能

常规PLC控制柜的I/O卡件设计为单电源系统，如果电源故障，I/O将停止工作，对系统的安全运行带来严重隐患， 针对这种情况采用双电源系统，通过STS电源快切装置对两路电源进行切换，确保任何一路电源故障不会导致I/O卡件的正常运行，为系统安全运行提供多种保障。 

STS主要功能：（1）冗余供电。通过 STS，任何关键设备机架都可连接到一个冗余供电系统。两路电源（主电源和备用电源）直接连到机架基座上的 STS 上，STS 则直接控制该供电系统的冗余度，如果主电故障则立即自动地转换到备用电源供电。（2）自动和手动转换。 通过 STS 前面板的设置按钮来选择其中一路电源为优先，也可通过人工手动来实现双路电源切换。（3）择优选择供电。  STS 可对两路电源的电压和频率分别设定合格范围，有效保证对负载的安全供电，可根据负载的具体情况现场设定自动转换阈值范围和超限保护关机阈值范围，STS 模块将依据设置参数优先选择电源质量高的一路电源优先给负载供电；如果两路电源都超出设置的运行参数许可范围， STS 会自动关机以保护负载。（4）保护功能 。STS 有完善的保护功能，包括过温保护、输入电压超限保护、输出过流保护、静态开关开路及短路保护、过载关机保护（5 分钟后自启动）等。

3.3现场测量与控制设备实现双电源供电

    常规的现场测量设备（温度变送器、压力变送器）模拟量和数字量公用一个DC24V电源。  DC24V电源主要为模拟量现场变送器提供DC24V电源，而数字量多来源与高压变频柜内，容易与强电接触，对DC24V电源损坏率较高，一旦DC24V损坏，现场测点的数据我们将无法进行实时监测，也就无法判断系统运行是否正常，针对这种情况，采用了多个DC24V电源单独控制，并将模拟量和数字量的DC24V电源分开，进行单独控制，避免了因高压柜侧导致DC24V电源故障引起的系统故障。

    常见服务器机柜配置，一般为一个服务端带一个或多个客户端，这种情况下，服务端一旦出现故障或维护等情况时，所有客户端都将无法监测到现场数据和指令下发，造成黑屏事件。针对这种情况，将服务器设计为2个，每个服务端独立运行，并各带一个或两个客户端，任何一个服务端出现故障或维护时，另一个服务端不会受到影响，来确保至少一个客户端可监测到现场数据和指令下发。

3.5重要联锁逻辑实现三取二控制

    对温度、压力等模拟量信号的取样采用3个独立取样点，并对取样信号进行质量和高低判断后，采用“三取二”方式后再输出联锁信号，三个信号之间偏差超过一定值时应及时报警。

4 效果与前景

    主控制器冗余配置、I/O卡件双电源切换供电、现场测量与控制设备双电源供电、双路服务器共同控制、重要联锁逻辑实现三取二控制容错措施具有较高的安全可靠性，不仅降低供热及其它行业的事故风险，提高控制系统的可靠性，而且极大程度地降低由于控制系统的故障而引起的设备停运时间及造成设备系统的损坏，避免造成引起的社会风险，提高设备系统的自动化、可视化、智能化水平及生产效率，从而获得更高的经济效益与社会效益。

参考文献：

[1] 华能国际电力股份有限公司企业标准《火电厂热控逻辑可靠性评估技术导则》