控制器重启导致汽包水位低MFT分析

控制器重启导致汽包水位低MFT分析周旭战（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华中分公司，河南 郑州 450000）摘 要：本文分析XDPS控制器电源故障，导致冗余控制器同时重启、汽包水位低MFT动作的软、硬件原因。

通过专业检测、电源切换风险分析和模拟试验，论证了电源器件老化直接导致控制器初始化重启，控制器启动后因SFT算法块输出初值和速率设置不合理，触发汽包水位低MFT动作的结论，提出应不断改进控制器电源老化的检测手段，通过针对性试验，设置合理的控制参数，共同减少机组保护误动的技术措施。

关键词：XDPS；控制器电源；初始化；电源切换；SFT算法；输出初值；MFTDCS（分散控制系统）是火电厂的神经系统，控制器是其核心组成单元，控制器电源的可靠性直接影响DCS和机组的安全运行。

XDPS分散处理系统（XinHua Distributed Processing System），主要包括XDPS-400、XDPS-400+、XDPS-400e等产品，凭借其先进合理的系统结构和技术性能，以及较高可靠性，广泛应用于600MW、300MW及其以下机组新建电厂和老厂改造工程［1］。

随着机组运行时间不断增长，DCS控制器（分布式处理单元DPU）电源问题日渐突出。

1 机组概况某公司2号机组采用东方锅炉（集团）股份有限公司生产的亚临界、一次中间再热、自然循环汽包锅炉，型号DG1025/17.4-Ⅱ14。

汽机采用上海汽轮机厂生产的一次中间再热、高中压合缸、双缸双排汽、单轴、冷凝式汽轮机，型号N300-16.7/537/537。

DCS采用上海新华公司分散型控制系统XDPS-400+，版本号XDPS2.05，于2004年12月投入使用。

2 故障过程6月14日机组#13、#33DPU控制器发生故障，该控制器主要包括汽包水位测量、补偿计算和调节，以及2A/2B/2C三台液偶调节电动给水泵的联锁、保护逻辑等。

故障发生前，机组负荷170 MW，2C给水泵运行，2A、2B给水泵备用，汽包水位正常。

03：29：08 2号机组发DPU脱网报警。

03：29：50 2号机45操作员站确认DPU脱网报警。

03：30：43 33 DPU begin to run（#33DPU开始运行）。

03：30：43 13 DPU begin to run（#13DPU开始运行）。

03：30：45 DPU脱网报警信号消失。

03：30：45 DPU33节点：Connect Partner Thread OK （连接副控线路正常）。

03：30：45 DPU33节点：Begin to Copy Algo（开始复制组态）。

03：30：45 DRUMLEVELL1汽包水位低一值报警。

03：30：45 DRUMLEVELL2汽包水位低二值报警。

03：30：55 MFT报警发出。

03：30：55 SOE记录锅炉故障遮断报警发出，一次风机全停，汽机挂闸信号消失。

03：30：59 DPU13：Copy OK！（复制成功）。

03：30：59 DPU13：Download Or Copy Succeed！（下装或复制成功）。

3 故障特点故障发生前，机组负荷稳定，设备运行正常，给水系统无重大操作。

故障发生后，DPU重启，期间工艺系统重要参数均显示离线。

分析故障前后参数，具有以下特点：一是#13DPU与#33DPU同时脱网，95s后，几乎同时完成自检并重启，#33DPU首先获得主控位置，#13DPU进入跟踪状态。

二是#33DPU进入主控时，汽包水位低一值、低二值报警同时发生。

三是汽包水位低一、低二值报警与MFT动作间隔10s，与MFT逻辑设置时间一致。

四是故障前后，水位测量差压、汽包压力、正压侧冷端补偿温度等工艺参数正常，计算后的汽包水位1显示正常，但汽包水位2和3在DPU初始化重启后，显示-300 mm。

因此，冗余DPU同时异常重启，DPU初始化完成后，汽包水位2和3计算错误，导致汽包水位低二值保护延时10s后MFT动作。

故障过程中主要参数变化如图1所示。

4 原因分析故障发生时，机侧电子间空调系统停运，柜内热电偶冷端补温度历史趋势显示最高值达33.43℃，判断机柜温度较高。

在排除测点泄漏、接地、屏蔽和干扰等因素后，判断造成故障的主要原因包括硬、软两个方面。

直接原因是DPU初始化完成后，汽包水位逻辑计算输出结果错误，根本原因是冗余DPU同时异常重启。

机组在完善逻辑、更换DPU后恢复运行，故障DPU整体返厂进行检验。

4.1 硬件原因正常情况下，DPU上电到初始化完成约为90 s，从DPU脱网报警到#13、#33DPU同时重启，且#33DPU首作者简介：周旭战（1975- ），男，汉族，河南许昌人，硕士研究生，工程师，主要从事火电机组热控调试、DCS 改造、技术监督。

先进入主控位置，主辅DPU同时完成重启的现象，可判断两者同时脱网并开始重启。

导致DPU重启的主要因素有：一是DPU负荷率过高；二是网络堵塞或中断；三是DPU电源故障；四是元器件老化，抗干扰能力差等。

故障DPU返厂检测发现DPU主板上的电容存在鼓包或开裂的原因：一是主板已工作10余年，接近故障临界点；二是现场工作温度高，加速了元器件老化，寿命降低。

电容鼓包或开裂，说明电解电容的容量失去，电解电容主要起到电压滤波和稳压功能，用于将+5V输入电压转换为内部CPU、外围大规模集成电路、内存工作所需要的+2.8V、+3.3V电压。

电容容量减小甚至失去，会造成CPU及外围芯片工作电压不稳定，此时外围比较小的动力干扰就会引起主机板复位，易导致单DPU复位，冗余DPU跟踪失败等现象。

XDPS-400+控制柜电源组件主要包括电源配电箱和直流电源模块。

电源配电箱采用2路220VAC输入，经过滤波器之后作为DPU和I/O电源，并提供一路切换后的电源，通常作为机柜风扇或检修电源使用。

其原理见图2。

其中，A路是主电源，只要A路供电正常，切换后的电源只取A路，与上电顺序无关。

DPU电源模块原设计由A路或B路分别供电，当其中一路电源故障时，可保证另一路电源对应的DPU工作正常。

但从现场电源分配箱输出端子排接线看，通过外加短接线，DPU输入电源按XDPS-400系统早期设计方式，接到了切换后的电源［2］，即#13、#33DPU的输入电源实际上都取自A路。

在XDPS系统中，DPU开关电源内置在DPU中，有图1 DPU重启前后主要参数变化图2 XDPS-400+电源配电箱原理图两种供电方式：一种为电源直接并联，另一种为采用交流切换技术，采用交流切换技术需要预防几个方面的风险：一是电源切换继电器本身有一定的故障率，增加一个切换过程，就存在危险集中的环节，应严格要求其具有高可靠性指标。

二是普通继电器切换时间通常是十几ms，甚至几十、上百ms，DPU 不重启的最大失电时间很严格（如某型DPU 要求≤40 ms），切换时间不一定能满足DPU 的不失电要求［3］，且参数会随着元器件的老化，发生飘移。

三是切换继电器如果特性差、切换速度慢，当主路电源电压波动时，通过切换继电器的动、静触点和触点切换时产生的弧光形成回路，在两路电源间出现环流，持续的环流造成继电器过热甚至烧毁，动、静触点彻底短路，最终造成两路电源全部失去［4］。

四是普通的电源切换试验通常采用模拟某路电源完全失去，观察DPU 等模件是否重启，该方法有一定的缺陷，它很难模拟出电源参数异常时的复杂情况。

若继电器的低电压切换值小于DPU 模件的耐压下限，就存在工作电压瞬间下降，低于DPU 模件的耐压下限，但大于电源继电器切换动作电压的情况，此时电源并不切换，如果电压下降持续时间超过DPU 不重启的最大失电时间，将导致该对DPU 全部失电；工作电源电压恢复正常时，DPU 得电自动重启［5］。

这可以解释一些电源切换试验正常，但仍会发生工作电源故障失压而导致机组DCS 系统失电的现象。

此外，如果主、辅DPU 电源都采用电源配电箱切换后的同一路电源，该路电源品质变化时，将对投运时间过长，不断老化的主、辅DPU 同时造成异常影响。

4.2 软件原因机组汽包水位测量采用单室平衡容器差压法，每只平衡容器下端各设计了1支PT100热电阻，根据测量温度值折算对应的密度值，正压侧不饱和水密度补偿组态见图3。

图3 正压侧不饱和水密度补偿组态冷端补偿温度首先进行坏品质、高低限和变化超速率判断，若任一故障出现，自动切为50℃对应的常数。

实测温度值按照≤40℃，≥80℃和40℃-80℃分为三个区间，根据汽包压力进行密度值折算，正常温度和压力下，密度值约为900 kg/m 3。

因机组正常运行时冷端补偿温度变化缓慢，所以两个软切换算法块（SFT 算法）均设置了100（单位/分钟）的切换速率。

XDPS 算法块有“输出初值”属性，缺省情况下为“0”，SFT 算法块也是如此。

正常情况下，机组启动前DPU 已正常非常运行，输出初值不起作用。

但当机组运行时，冗余DPU 异常重启，完成初始化后，第一个周期的计算结果可能是根据输入量进行正常运算的结果，也可能是算法块的初始值，DPU 初始化完成后，首个周期的输出结果具有不确定性。

通过虚拟DPU 平台，强制参数为故障前正常工况值，模拟SFT 算法块的输出从“0”，按照100（单位/分钟）的速率变化到900，得到一组试验曲线和故障过程的特征曲线非常吻合。

即：DPU 初始化重启后，在最初的6 min 时间，因冷端补偿密度非常低，计算出的水位值远小于-300 mm，但由于高低限幅，输出被限制在-300，MFT在10 s后正常动作；在稍后的近3 min时间，当计算水位大于-300 mm限制后，历史趋势才显示出实际计算值，并以相对恒定（水位对应的差压输入信号一直有小幅高频波动）的速率趋于正常值（零水位）。

为验证虚拟DPU的试验结果，使用XDPS-400e最小化系统搭建SFT算法块测试逻辑，观察到SFT算法块在真实DPU重启后，会从输出初值“0”开始，以设置的固定速率向目标值变化，且输出初值可以手动调整。

据此，可以判断DPU电源模件性能老化后，当输入电源品质明显变化时导致DPU初始化重启，水位2、3补偿逻辑中的SFT算法块因输出初值作用，从“0”开始向“900”缓慢变化时，计算出的水位远低于-300 mm，10s后直接触发MFT动作。

5 结论5.1 随着DCS投产时间增长，控制器电源等元器件逐渐老化。

电子间工作温度过高，将加速老化速度；应重视电源老化造成的DPU复位，冗余DPU跟踪失败异常分析。

5.2 电源在线切换试验对于发现电容容量下降等隐性故障作用有限，DCS电源老化监测应借助专业检测手段，及时发现并更换故障部件。

5.3 高质量输入电源是DPU正常工作的重要前提。

应定期对DPU的供电电源（UPS电源、保安电源）进行检测，有条件时可增加在线快速录波装置［6］。