《基于P320系統(tǒng)的汽輪機(jī)控制器優(yōu)化探究》6000字（論文）

基于P320系統(tǒng)的汽輪機(jī)控制器優(yōu)化研究目錄TOC\o"1-2"\h\u23764基于P320系統(tǒng)的汽輪機(jī)控制器優(yōu)化研究 1317191引言 1230032P320平臺 286772.1P320的結(jié)構(gòu) 2106952.2汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng) 284672.3FIP8000網(wǎng)絡(luò) 3167732.4STG控制器及切換邏輯 3295972.5P320系統(tǒng)調(diào)試 5286112.6汽輪機(jī)控制系統(tǒng)與DCS通訊試驗 576713STG控制器切換邏輯存在的問題及優(yōu)化 6239573.1STG控制器頻繁切換原因分析 6270023.2STG控制器切換邏輯優(yōu)化 7105634STG控制器切換邏輯優(yōu)化后的功能測試 8134224.1單路FIP8000網(wǎng)絡(luò)故障，主/輔控制器不切換測試 852564.2兩路FIP8000網(wǎng)絡(luò)故障切換測試 830304.3主控制器卡件及時鐘故障切換測試 9188904.4FIP8000網(wǎng)絡(luò)總線故障恢復(fù)后，閥門控制輸出指令故障切換測試 992825結(jié)語 96163參考文獻(xiàn) 9摘要：某核電站將法國Alstom開發(fā)的P320系統(tǒng)作為汽輪機(jī)調(diào)節(jié)設(shè)備平臺，它采用冗余汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制器（STG）控制汽輪機(jī)，避免了因控制器自身問題造成的機(jī)組瞬態(tài)，有效地提高了機(jī)組運行的可靠性。從場景中實際存在的主/輔控制器之間頻繁切換的問題出發(fā)，研究了STG主輔控制器的切換邏輯，找出了導(dǎo)致該問題的原因，優(yōu)化了STG控制器的切換邏輯。最后，在保證冗余功能完備的情況下，本實用新型很好地解決了主子控制器之間切換頻繁的難題。關(guān)鍵詞：P320系統(tǒng)；汽輪機(jī)；控制器；1引言某核電項目由兩臺百萬千瓦機(jī)組組成，渦輪機(jī)在P320平臺上使用法國Alstom公司V2以上的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用分布式過程控制、冗余等技術(shù)思想，較好地滿足了各種控制的需要，它有更多的優(yōu)勢，如標(biāo)準(zhǔn)模塊冗余配置，結(jié)合實際汽機(jī)狀態(tài)實現(xiàn)自動控制、自啟動和負(fù)荷上升、自動速度控制、自動干擾處理等它代表了現(xiàn)代世界核電發(fā)電機(jī)的控制前沿水平。該控制系統(tǒng)中的渦輪調(diào)節(jié)的控制邏輯由兩個STG控制器執(zhí)行。兩個STG控制器相互冗余，正常運行時在機(jī)柜左側(cè)稱為“主控制器”，在機(jī)柜右側(cè)稱為“安全控制器”。當(dāng)主控制器出現(xiàn)硬件故障時，由于網(wǎng)絡(luò)故障或其他外部條件啟動控制器切換邏輯時，主控制器對子控制器進(jìn)行控制權(quán)限的無干擾切換，保證了汽輪機(jī)的正常工作。2P320平臺2.1P320的結(jié)構(gòu)P320在結(jié)構(gòu)上主要由一個CCL控制器組成，包括通信、汽輪機(jī)保護(hù)STP控制器、信號采集I/O控制器、汽輪機(jī)調(diào)節(jié)STG控制器、閥位控制維氏卡、轉(zhuǎn)速采集卡和工程站等負(fù)責(zé)操作站與現(xiàn)場調(diào)節(jié)閥的關(guān)系等。在圖1中，工程師站、HMI與打印機(jī)和其他設(shè)備之間通過Office網(wǎng)絡(luò)連接，各控制器之間使用FIP8000網(wǎng)絡(luò)連接，所述Office網(wǎng)絡(luò)與所述FIP8000網(wǎng)絡(luò)通信，所述S8000網(wǎng)絡(luò)用于傳輸。2.2汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)在汽輪機(jī)控制系統(tǒng)中占有重要地位。其基本工作流程是：STG控制器通過控制邏輯，運算從現(xiàn)場收集到的所有運行參數(shù)，將計算出的參數(shù)輸入到數(shù)字電液控制系統(tǒng)，通過數(shù)字電液控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)高度，打開中壓調(diào)節(jié)閥完成汽輪機(jī)蒸汽流量的調(diào)節(jié)，從而完成汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、功率、頻率和壓力的控制等。同時達(dá)到機(jī)組超速約束、超加速約束、負(fù)荷速降約束以及蒸汽流量要求約束，使機(jī)組在各模式下安全、經(jīng)濟(jì)運行，達(dá)到供電頻率和功率要求。渦輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參照圖1。圖1汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.3FIP8000網(wǎng)絡(luò)FIP8000網(wǎng)絡(luò)采用基于WorldFIP標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部總線通信方式，傳輸速率為2.5Mbits/s，實現(xiàn)了STG控制器的設(shè)計、STP控制器與其他控制器的連接、通信。FIP8000網(wǎng)絡(luò)由A網(wǎng)絡(luò)和B網(wǎng)絡(luò)組成，它們之間相互冗余，保證在任何一種故障發(fā)生的情況下，各控制器之間都可以進(jìn)行通信和交換數(shù)據(jù)。FIP8000網(wǎng)絡(luò)與DCS之間的通信由兩個冗余網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)，兩者沒有主從之分，數(shù)據(jù)收發(fā)在兩個網(wǎng)關(guān)同步完成。2.4STG控制器及切換邏輯STG控制器采用主子冗余結(jié)構(gòu)。從機(jī)組穩(wěn)定性的角度出發(fā)，在STG控制器切換和調(diào)整過程中，必須保證調(diào)整的連續(xù)性和穩(wěn)定性。P320系統(tǒng)采用VOS125型高速雙穩(wěn)變換繼電器控制，保證主/副控制器切換不引起汽輪機(jī)監(jiān)控功能和控制功能故障。兩個STG控制器分別采用兩路獨立不間斷電源供電，一路電源丟失或重新接通，不影響機(jī)器正常工作。STG的主/子控制器的開關(guān)如圖2所示。圖2STG主控器正常工作及主輔切換示意圖STG控制器的開關(guān)邏輯的創(chuàng)建和修改是在阿爾斯通本人開發(fā)的CCAD控制軟件上進(jìn)行的。修改、編譯正確后，在STG控制器內(nèi)安裝在控制邏輯下，完成控制器的各種控制、調(diào)試功能，還包括控制器之間的切換功能。與主/次控制器切換邏輯有關(guān)的信號和狀態(tài)如表1所示。從設(shè)計邏輯來看，導(dǎo)致STG主/輔控制器交換機(jī)的信號按優(yōu)先級分為以下4組：。1）PRIORITYSWITCHBYCVFAULT（閥控輸出指令故障），其觸發(fā)信號為STG控制器的模擬量輸出卡ALG392的物理輸出不正?；蜻^高等，中壓調(diào)節(jié)閥的反饋電路不正常。2）PRIORITYSWITCHBYHARDFAULT（L101C主控制器卡部件故障），其觸發(fā)信號由L101C卡I/O卡保險熔斷組成，數(shù)字量輸出卡部件MDL753不正常，高度、中壓調(diào)節(jié)閥的模擬量輸出電路不正常。3）PRIORITYSWITCHBYSYNCHRDFAULT（時鐘故障），被觸發(fā)的信號當(dāng)前的主時鐘狀態(tài)不正常。4）PRIORITYSWITCHBYFIPMEDIAFAULT（FIP8000網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部總線故障），其觸發(fā)信號為單路或雙路FIP8000的不正常網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。主/子控制器的切換步驟請參照圖5。通常，四組信號輸出“與”塊的輸出端子值都為0，當(dāng)進(jìn)入相同的“OR”門時，輸出端子0被輸出，根據(jù)切換邏輯，控制器不維持開關(guān)。在四組信號中的任一組發(fā)生故障的情況下，在將輸出功率設(shè)為1的情況下，“OR”門的輸出端為1，是用于根據(jù)控制邏輯完成主子控制器之間的一次切換的控制器。當(dāng)一個系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，通過主控制器和次控制器的相對位置的變化，可以進(jìn)行兩種模式的轉(zhuǎn)換。如果系統(tǒng)出現(xiàn)電源損壞或其他原因，則主板不可用。然后，可以使用輔助控制器代替主控制器，使整個控制系統(tǒng)的動作穩(wěn)定。主/輔雙CPU結(jié)構(gòu)是一種理想的設(shè)計方案。2.5P320系統(tǒng)調(diào)試2.5.1GSS與GRE機(jī)柜雙端供電本核汽水分離再熱系統(tǒng)信號MSR的控制利用IA平臺進(jìn)行，MSR二級管板溫度及MSR一級蒸汽壓力通過GSS001AR送入GRE機(jī)柜。TP08通道測試燒毀了GRE機(jī)柜內(nèi)ADI400卡的保險。經(jīng)過考察和分析，究其原因，GSS機(jī)柜AO卡部件在4mA至20mA之間輸出主動信號，GRE機(jī)柜ADI400卡部件還提供24VDC電路電壓，因為信號兩端有電源，ADI400卡保險被燒毀。由于GSS機(jī)柜AO卡部件的特性，GSS機(jī)柜側(cè)電路的電壓不容易解除，在分析了ADI400卡部件的布線后，ADI400卡部件能夠接收主動信號，能夠接收被動信號。通過從X10.11線芯變更X10.15線芯（OE1）、從X10.21線芯變更X10.24線芯（+I1）/X10.24線芯變更X10.25線芯（OE1），GRE機(jī)柜能夠正常接收從GSS機(jī)柜發(fā)送的4mA到20mA的有源信號，長期未觀察到異常。2.5.2測量電纜雙端共地仿真試驗完成后，還原了轉(zhuǎn)速通道的連接，研究表明，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速信號始終受到上位機(jī)黃色干擾，用信號發(fā)生器進(jìn)行仿真，通道顯示數(shù)值恢復(fù)正常。反復(fù)驗證端子連接的結(jié)果是，機(jī)箱側(cè)端子臺的電纜端子連接正確。協(xié)調(diào)人員沿電纜進(jìn)行分段檢查，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)谻R箱側(cè)設(shè)企業(yè)每次進(jìn)入當(dāng)?shù)谻R箱電纜均采用屏蔽接地。但是，該電纜實際上接地在機(jī)殼的一側(cè)，產(chǎn)生構(gòu)成測定電纜的兩端接地現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速通道始終處于擾動狀態(tài)。為此，調(diào)整人員和安裝單位對汽輪機(jī)GRE、GSE、GME進(jìn)行了接觸、GGR及其他現(xiàn)場CR箱側(cè)電纜統(tǒng)一檢查確認(rèn)，切斷了CR箱側(cè)屏蔽接地。2.6汽輪機(jī)控制系統(tǒng)與DCS通訊試驗2.6.1通訊地址更改在P320柜的出廠試驗中，在和DCS進(jìn)行通訊測試中，找出了P320內(nèi)Modbus寄存器地址與P320真實內(nèi)寄存器地址之間的映射失配問題，后來和ALSTOM進(jìn)行了明確交流，5NC12A40S13_EB.pdf文中定義MODBUS地址存在誤解。如：MODBUS地址為48520,TG內(nèi)的內(nèi)部地址是%R30601，而真實MODBUS地址應(yīng)在448521處?，F(xiàn)場實發(fā)通訊組態(tài)文件，DCS一層內(nèi)部并沒有根據(jù)當(dāng)時通訊測試結(jié)果做出改變，致使在初始測試中，P320與DCS無法正常通訊。從當(dāng)時試驗結(jié)果看，調(diào)試人員將DCS上所有和P320通信的點址一一修改，使P320與DCS通訊正常。2.6.2DCS生命信號DCS通訊的檢測中，發(fā)現(xiàn)通訊清單設(shè)1GRE999KM_XJ52，表征P320TGC生命的變量，1GRE999KM_XJ52在P320系統(tǒng)內(nèi)，每個生命周期的改變，DCS側(cè)掃描至變化數(shù)據(jù)顯示，TGC與DCS之間的通信正常。又設(shè)置了一個1GRE999KM_XJ11，接收DCS變化的一個模擬量。每一個掃描周期該數(shù)值發(fā)生變化時，說明DCS與TGC之間通信正常。以及ALSTOM位于通訊清單上，只有1GRE999KM_XJ11的信號才給量程，信號未作解釋。造成DCS一層僅給出一個靜態(tài)模擬量，進(jìn)行通訊試驗的時候，研究發(fā)現(xiàn)，始終表明DCS和P320之間的通信存在異常。最后，對兄弟電廠的成功經(jīng)驗進(jìn)行認(rèn)識，這種信號實際上應(yīng)是變化的量，表征DCS總是為P320提供通信，調(diào)試后，工作人員改變了這個信號，最終使得通訊恢復(fù)正常。2.6.3部分點位無法通訊傳輸該部分點主要由DCS發(fā)送控制命令給TGC，例如汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定值（AC/BC）、控制量，如負(fù)荷設(shè)定值（AC/BC），經(jīng)檢查證實，為TGC和DCS通訊試驗，在靜態(tài)試驗中進(jìn)行，即汽輪機(jī)在跳閘狀態(tài)下，只有在模式匹配的情況下，TGC才能夠正常地接收DCS傳送過來的信息，例如：轉(zhuǎn)速設(shè)定值GRE500KM_XZ38，僅當(dāng)TGC側(cè)系統(tǒng)已掛閘時，并且汽輪機(jī)控制方式為BC方式，這樣DCS二層發(fā)出數(shù)據(jù)，TGC能夠正常接收資料，通訊試驗平時應(yīng)進(jìn)行汽輪機(jī)處于模擬狀態(tài)，若時間窗口布置不合理，為開展通訊試驗，在工程師站一定會強(qiáng)制要求。3STG控制器切換邏輯存在的問題及優(yōu)化3.1STG控制器頻繁切換原因分析在機(jī)器運行中，檢查員發(fā)現(xiàn)STG主/輔助控制器間頻繁切換現(xiàn)象，分析STG切換邏輯，結(jié)果顯示，在控制邏輯“1C（1L101C）”頁FIP8000網(wǎng)絡(luò)總線故障“AND”塊中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)存在兩個信號：用于表征主控制器的至少一個FIP8000網(wǎng)絡(luò)通信故障的“1L101C_XA13”和用于表征輔助控制器FIP8000網(wǎng)絡(luò)通信故障的“1L101C_XA14”。當(dāng)主控制器的任一路徑FIP8000的網(wǎng)絡(luò)的任一節(jié)點異常時，使控制器的FIP8000網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，開始“1L101C_XA13”信號，在主子控制器之間發(fā)生轉(zhuǎn)換。在設(shè)計上，當(dāng)原主控制器FIP8000網(wǎng)不穩(wěn)定性消失時，控制邏輯自動將控制權(quán)限返回原主控制器。因此，在主控制器的任一路徑FIP8000的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)總是變動的情況下，STG主/子控制器頻繁地切換。STG主/輔控制器根據(jù)需要具有冗余FIP8000網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)，以保證STG控制器與其他設(shè)備的通信。如果沿途FIP8000網(wǎng)絡(luò)通信丟失，另一個通信可以正常交換信號。因此，在主控制狀態(tài)下，在主控制裝置的任意一個FIP8000網(wǎng)中發(fā)生異常的情況下，STG控制裝置不需要在主輔助裝置之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，只要提供警報即可，能夠通知檢查員存在FIP8000網(wǎng)絡(luò)信號的缺陷。只有在主控制器2路FIP8000同時失去網(wǎng)絡(luò)通信的情況下，才需要將控制功能轉(zhuǎn)換為子控制器，否則，產(chǎn)生上述主控制器中的1路FIP8000網(wǎng)絡(luò)信號的不穩(wěn)定化而產(chǎn)生主子控制器間的頻繁開關(guān)汽輪機(jī)控制系統(tǒng)DCS側(cè)無法達(dá)到正常控制和顯示，嚴(yán)重者汽輪機(jī)無斷負(fù)荷擺幅現(xiàn)象、跳閘等事故，嚴(yán)重影響安全穩(wěn)定運行，沖擊反應(yīng)堆安全。3.2STG控制器切換邏輯優(yōu)化3.2.1FIP8000網(wǎng)絡(luò)單路故障引起的切換問題優(yōu)化從上述分析可知，為了解決FIP8000網(wǎng)絡(luò)的單路徑故障引起的主/副控制器間的頻繁切換問題，只需刪除送入FIP8000網(wǎng)絡(luò)總線故障“AND”塊的“1L101C_XA13”和“1L101C_XA14”這兩個信號即可。如果刪除這兩個信號，則“與”塊中的相應(yīng)輸入端1和輸入端2沒有輸入值，并且與塊中其余四個變量的重新連接有關(guān)，會出現(xiàn)變量錯誤。為了保證該“AND”塊的輸出正確，該塊將本來連接于“1L101C_XA13”和“1L101C_XA14”的輸入端子1和輸入端子2分別用通常模式下的常數(shù)1和0（取下輸入端子2的非后為1）置換，與刪除兩個輸入端子相同。修正后的切換邏輯如圖6所示。為了能夠及時發(fā)現(xiàn)FIP800網(wǎng)絡(luò)異常，從表征當(dāng)前主STG控制器故障的“CUR_CTRL_FLTS”和表征輔助STG控制器故障的“DUAL_CTRL_FLTS”的“RF”（單路FIP8000網(wǎng)絡(luò)的異常）輸出端引出警報信號主/輔控制器FIP8000網(wǎng)絡(luò)單路故障時觸發(fā)報警信號，促使維修人員及時介入。同時，在FIP8000網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生短時間擾動的情況下，為了頻繁地觸發(fā)報警信號，在上述兩個“RF”后端分別導(dǎo)入“TON_W”延遲導(dǎo)通功能塊，使其能夠在任一STG控制器的任一個FIP8000網(wǎng)絡(luò)故障時觸發(fā)報警。3.2.2FIP8000兩路故障后STG控制器無法切換問題優(yōu)化在刪除了“1L101C_XA13”和“1L101C_XA14”信號后，在FIP8000網(wǎng)絡(luò)總線故障中，“AND”塊輸入端都是1，使其輸出始終為1，甚至在主控制器的2路FIP8000網(wǎng)同時發(fā)生故障的情況下無法觸發(fā)STG主/子控制器開關(guān)，STG控制器的正常故障切換功能出現(xiàn)故障。因此，STG主/輔控制器的切換邏輯需要進(jìn)一步優(yōu)化，以便在主控制器2路FIP8000網(wǎng)同時發(fā)生故障后，STG的主/輔控制器能夠正常切換。在主控制器“CUR_CTRL_FLTS”（控制器故障狀態(tài)）塊中，在FIP8000網(wǎng)絡(luò)正常的情況下，“GF”（主控制器FIP8000網(wǎng)絡(luò)2路故障）的輸出信號“1L101C_CR_FIP_FLT”作為0輸出，對FIP8000網(wǎng)絡(luò)故障2路進(jìn)行1路返回該信號可以用作觸發(fā)STG主/子控制器的開關(guān)。FIP8000網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的總線故障“AND”塊追加輸入端子“IN7”，將“CUR_CTRL_FLTS”塊的“GF”輸出端子信號“1L101C_CR_FIP_FLT”作為FIP8000網(wǎng)絡(luò)總線的狀態(tài)判斷信號發(fā)送給“IN7”。當(dāng)主控制器FIP8000網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，復(fù)位1，觸發(fā)STG主子控制器開關(guān)。如果FIP8000網(wǎng)絡(luò)中的任意1、2路恢復(fù)到正常的回零狀態(tài)，則可實現(xiàn)STG主/輔控制器之間的正常轉(zhuǎn)換。4STG控制器切換邏輯優(yōu)化后的功能測試4.1單路FIP8000網(wǎng)絡(luò)故障，主/輔控制器不切換測試在機(jī)柜內(nèi)，切斷FIP8000的通信網(wǎng)絡(luò)，利用工程師站CCAD軟件在線觀測FIP8000內(nèi)部總線故障“AND”塊，輸出信號保持為0，觀察工程師站的“8ARCHI”頁面已驗證STG控制器沒有主/輔交換機(jī)，機(jī)柜中實際的STG控制器沒有主/輔交換機(jī)。查看P320系統(tǒng)工程師工作站的警報日志，追加了符合切換邏輯變更需要的“FIP通信故障”警報。4.2兩路FIP8000網(wǎng)絡(luò)故障切換測試切斷機(jī)柜中當(dāng)前主控制器的2路FIP8000網(wǎng)絡(luò)信號，利用工程師站CCAD軟件包在線觀測FIP8000網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部總線故障“AND”塊，將信號從0輸出到1在工程師站“8ARCHI”頁面上觀察STG控制器是否完成了主子切換，確認(rèn)機(jī)柜中的實際STG控制器已完成主子切換，工作狀態(tài)一般?；謴?fù)F8000網(wǎng)絡(luò)信號，使輸出信號恢復(fù)正常，使系統(tǒng)正常工作。4.3主控制器卡件及時鐘故障切換測試為了驗證邏輯優(yōu)化STG控制器的控制功能是否完善，通過消除主控制器端子接線和主時鐘信號通信線，對主控制器卡故障和時鐘故障進(jìn)行了仿真。通過工程師站的CCAD軟件在線觀測“AND”塊輸出端信號從0到1的變化，在工程師站的“8ARCHI”頁面觀測STG控制器主/次切換完成情況在機(jī)柜中確認(rèn)實際的STG控制器已完成主/次切換，動作狀態(tài)一般。在分別恢復(fù)三組信號后，輸出信號恢復(fù)正常，系統(tǒng)工作正常。4.4FIP8000網(wǎng)絡(luò)總線故障恢復(fù)后，閥門控制輸出指令故障切換測試檢測閥控制輸出指令是否發(fā)生故障，在FIP8000網(wǎng)絡(luò)中內(nèi)部總線發(fā)生故障“AND”塊在STG主/子控制器的開關(guān)完成后自動復(fù)位，產(chǎn)生“閥的控制輸出指令發(fā)生故障”的重要信號的情況下確保STG主/子控制器的切換正常進(jìn)行。先是3.3運行，后切斷主STG控制器背板卡槽AGL392卡電源，在工程師站CCAD軟件中在線觀測“閥的控制輸出命令發(fā)生故障”“AND”塊的輸出信號確認(rèn)STG控制器完成主副切換，對AGL392卡進(jìn)行多電處理后，輸出信號恢復(fù)正