Mark VIe 控制系統(tǒng)在燃氣輪機的應(yīng)用

牛澤亭

（中海油惠州石化有限公司 動力部，廣東 惠州 516086）

0 引言

公用工程動力站6B燃氣輪機采用的控制系統(tǒng)是GE公司生產(chǎn)的Mark VI控制系統(tǒng)[1]。燃氣輪機操作站（HMI）共有3臺。燃機操作系統(tǒng)采用Windows XP系統(tǒng)，操作站已經(jīng)使用多年，配置低，運行慢，如新購操作站只能安裝Windows 10操作系統(tǒng)，目前操作站使用的上位機軟件無法在Windows 10環(huán)境下安裝，故操作站處于無備件狀態(tài)，一旦現(xiàn)在設(shè)備出現(xiàn)問題，將直接影響工藝生產(chǎn)。

自2018年以來，燃機控制系統(tǒng)開始多次頻繁出現(xiàn)異常報警及故障。2018年1月17日、2019年11月14日、2019年12月7日、2019年12月12日、2019年12月13日、2021年1月1日、2021年1月21日、2021年2月6日、2021年11月29日先后出現(xiàn)燃機控制系統(tǒng)＜S＞模塊的I/O狀態(tài)交換失敗、熱電偶卡通訊故障、燃機＜R＞模塊通訊故障等，可斷定該控制系統(tǒng)存在著比較嚴重的軟故障且范圍在不斷擴大。這類故障通常是元器件老化，性能變差造成的，這給機組的穩(wěn)定運行造成重大安全隱患。

GE公司已宣布2019年之后停止供應(yīng)Mark VI備件，如果不升級控制系統(tǒng)，需要大量采購備件，費用成本大幅增加的同時，對大量備件的庫存保管會增加難度，也需要考慮備件庫存的自然損耗。因此，需要對燃機控制系統(tǒng)進行升級改造。

1 改造的詳細內(nèi)容

1.1 控制站

1.1.1 控制站配置

動力站燃氣輪機升級后的控制系統(tǒng)Mark VIe是GE最新一代控制系統(tǒng)，系統(tǒng)具有完備的冗余技術(shù)，設(shè)備冗余包含所有與控制有關(guān)的部件都按冗余配置。其中，控制器三冗余、電源雙冗余、聯(lián)鎖控制I/O卡件三冗余等。工作性能冗余包括控制器與三冗余模件之間通訊為三冗余，主干網(wǎng)通訊為雙冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

Mark VIe控制盤的I/O點類型及數(shù)量按現(xiàn)有的GE公司提供的6B燃氣輪機控制回路[2]及檢測點統(tǒng)計，在實際I/O點總數(shù)基礎(chǔ)上增加20%的備用量[3]?？刂乒駜?nèi)也留有不低于20%的空間，為日后安裝I/O卡件和端子板做預(yù)留。

Mark VIe控制系統(tǒng)的AI/AO模件中的AI精度為0.1%，AO精度為0.5%，AI/AO具備識別現(xiàn)場接線短路并發(fā)出報警的功能，DI/DO無此功能。各個模擬量輸入模件均配備有A/D轉(zhuǎn)換器，所有的模擬量輸出模件也都配有D/A轉(zhuǎn)換器。按GE標準，RTD信號均為單冗余信號，通過端子板直接傳輸?shù)組ark VIe系統(tǒng)的專用RTD模件，無需使用溫度變送器轉(zhuǎn)換，減少RTD信號轉(zhuǎn)換誤差。

I/O模件的通道隔離方式為組間相互隔離，即每塊I/O模件的輸入組和輸出組隔離?？刂破鳌/O模件有一定的抗干擾能力。系統(tǒng)的各種卡件[4]均具備在線熱插拔功能，無需停電、停機，可以實現(xiàn)在線更換，方便故障的及時處理[5]，解決問題，保證工藝平穩(wěn)運行。由于具備強大的冗余功能，卡件能夠自診斷。當卡件出現(xiàn)故障時，會有報警提示，且可自動進行切換。

1.1.2 電源

Mark VIe控制盤接收兩路電源供電，一路為125V DC[6]，一路為220VAC UPS。直流電源模塊是主工作電源模塊，交流電源模塊熱備用，故障可在電氣專業(yè)進行監(jiān)控。

1.1.3 系統(tǒng)可靠性

Mark VIe控制系統(tǒng)平均無故障時間（MTBF）是14427.24 h，平均強制停機時間（MTBFO）是192,000,000 h，控制器、I/O模件、端子板的平均故障修復(fù)時間（MTTR）是2 h，其它部件的平均故障修復(fù)時間（MTTR）是4 h。通過公式，可利用率 =MTBFO / (MTBFO + MTTR)×100%，得出可利用率為99.9967%。

1.2 操作站/工程師站

1.2.1 HMI配置

本次改造共配置3臺HMI站（現(xiàn)場燃氣輪機機柜室有2臺HMI站，其中1臺存儲共享控制系統(tǒng)組態(tài)，中央控制室有1臺HMI站），HMI站既被授權(quán)了操作員站功能，也被授權(quán)了工程師站功能，在任意一臺HMI站均可以修改控制系統(tǒng)組態(tài)。在中央控制室CCR1設(shè)置了1臺雙屏HMI站，利用現(xiàn)有操作平臺安裝?，F(xiàn)場燃氣輪機機柜室設(shè)置2臺HMI站，新增操作臺。

HMI站硬盤按1:1冗余配置，并構(gòu)成鏡像硬盤，且采用雙網(wǎng)卡配置，與PDH和UDH連接。HMI站擁有兩級密碼即管理員密碼和操作員密碼，管理員密碼主要執(zhí)行組態(tài)、邏輯修改等對系統(tǒng)維護的權(quán)限。操作員密碼就是執(zhí)行工藝人員日常操作、監(jiān)視的各種命令，如畫面數(shù)據(jù)監(jiān)測、報警確認，歷史記錄查看等。每天HMI站均配備了白名單功能。

Mark VIe控制系統(tǒng)內(nèi)部的Mark VIe控制盤，與3臺HMI站自成時鐘同步體系，以其中的1臺HMI站的電腦時鐘為時間源，對整個Mark VIe控制系統(tǒng)進行時鐘同步，達到和全廠GPS系統(tǒng)時鐘同步的目的。

HMI站配備了畫面組態(tài)軟件GE Energy Cimplicity 11，以及系統(tǒng)組態(tài)軟件Control System ToolboxST V7.x。系統(tǒng)組態(tài)軟件Cimplicity 11功能強大，可以實現(xiàn)組態(tài)現(xiàn)在修改并下裝。人機界面（HMI）以GE 的CIMPLICITY HMI系統(tǒng)為基礎(chǔ)，可在安裝了Windows 10操作系統(tǒng)的計算機上運行。操作畫面進行了漢化，操作畫面的中英文可進行隨意切換，更加直觀，方便監(jiān)視。

1.2.2 報警查詢

報警通過人機界面（HMI）發(fā)送給操作員。許多顯示畫面都包含一個報警窗口，可以打開成為全屏的報警頁面。報警信號分為4個級別，分別用不同顏色顯示，以幫助操作員了解問題的嚴重程度。對報警信息進行篩選，可以使報警窗口顯示全部報警信息，或者只顯示工廠內(nèi)特定區(qū)域發(fā)生的報警，從而幫助對故障進行診斷。根據(jù)報警信息，操作員可以選擇控制相關(guān)設(shè)備，并發(fā)送報警事件的顯示畫面；還可以對報警信息進行分組，配備打印機的還可以進行打??；通過篩選功能還能對報警的先后順序進行調(diào)整。此次改造對報警信息的描述進行了漢化，在英文描述的后面增加了中文描述，方便操作員故障判斷。

1.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

Mark VIe包含3層網(wǎng)絡(luò)，分別是PDH即工廠數(shù)據(jù)高速通道、UDH即單元機組數(shù)據(jù)高速通道以及I/O Net網(wǎng)絡(luò)[7]，可以降低網(wǎng)絡(luò)通信問題及數(shù)據(jù)擁擠網(wǎng)速變緩，大大提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和流暢性。工廠數(shù)據(jù)高速通道連接了各操作員管理站，快速有效地實現(xiàn)了非實時文件的數(shù)據(jù)傳輸。這一特點將非實時數(shù)據(jù)從UDH上分流出來，提高了網(wǎng)絡(luò)的總體性能。單元機組數(shù)據(jù)高速通道，通過以太網(wǎng)架構(gòu)將操作層與控制層串聯(lián)在一起，使性能提升，以達到報警等信息的持續(xù)獲得。

圖1 Mark VIe機柜圖Fig.1 Mark VIe Cabinet diagram

I/O Net為冗余網(wǎng)絡(luò)，它通過交換機為就地操作站、工程師站和中控操作站相互傳輸高速數(shù)據(jù)。該網(wǎng)絡(luò)使用100MB以太網(wǎng)采用了符合IEEE802.3標準的以太網(wǎng)設(shè)備，并且支持IEEE1588精密時間協(xié)議，利用原有光纖傳輸。

1.4 機柜配置圖

本次改造配置2個同樣尺寸的機柜，如圖3。單個機柜的尺寸為2100mm（高）×1200mm（寬）×800mm（深）（包括底座），前開門，2個機柜中間貫通，重量在400kg左右。機柜留有20%的備用安裝空間。機柜內(nèi)設(shè)置了中間端子排，解決更換控制系統(tǒng)機柜后原有信號電纜不夠長的情況。不夠長的現(xiàn)場儀表信號電纜先接入中間端子排，然后接到燃氣輪機控制系統(tǒng)的I/O端子板上。機柜內(nèi)設(shè)置了配置光纖接口的交換機，通過利用的兩根鎧裝單模光纖電纜與中心控制室CCR1機柜間的配置光纖接口的交換機通訊。

2 改造后的優(yōu)勢

原有燃氣輪機采用GE的Mark VI控制系統(tǒng)，共有1臺工程師站，2臺操作站。其中，中央控制室操作站已經(jīng)故障不能使用。由于燃機操作站是專用的工控機和專用軟件，并且GE公司已不再生產(chǎn)Mark VI系統(tǒng)操作站，即操作站已經(jīng)報廢，而且中央控制室操作站已壞，為了確保中央控制室能夠正常操作，將就地控制室操作站搬至中央控制室使用。所以燃機控制系統(tǒng)只有1臺操作站和1臺工程師站在工作，其所用操作系統(tǒng)是Windows XP，廠家已不再生產(chǎn)，沒有備件可以進行更換。

原有操作站及工程師站使用時間均已超過10年，其可靠性逐步下降，隨時都可能出現(xiàn)問題。當再出現(xiàn)問題不能工作，就會造成燃機失去監(jiān)視和控制，嚴重威脅到燃機的安全運行，甚至引起意外停機事故和設(shè)備損壞的嚴重后果，存在現(xiàn)場正常生產(chǎn)的重大安全風(fēng)險。故燃氣輪機操作站處于無備件狀態(tài)，一旦現(xiàn)在設(shè)備出現(xiàn)問題，將直接影響工藝生產(chǎn)。將燃氣輪機Mark VI控制系統(tǒng)全套更換為Mark VIe系統(tǒng)，同時把操作站進行更新，中控增加1臺雙屏操作站，現(xiàn)場增加1臺工程師站，1臺外操站，保證了操作站的平穩(wěn)運行。操作站W(wǎng)indows XP系統(tǒng)升級到Windows 10系統(tǒng)，解決了Mark VI控制系統(tǒng)原軟件版本太低，無法在Windows 10系統(tǒng)安裝和運行的問題。

燃機所使用的Mark VI控制系統(tǒng)是GE的上一代控制產(chǎn)品，它由3個機架集成卡件模塊構(gòu)成，分別稱作＜R＞＜S＞＜T＞模塊。該控制系統(tǒng)從2009年投用至2017年，運行比較平穩(wěn)，極少出現(xiàn)異常報警。自2018年以來，燃機控制系統(tǒng)開始多次頻繁出現(xiàn)異常報警及故障，其中＜R＞＜S＞＜T＞模塊均分別出現(xiàn)過故障，甚至引起過停機。當時也更換過熱電偶卡、通訊卡、電源卡、模擬量卡等卡件，可見Mark VI控制系統(tǒng)的卡件已經(jīng)逐漸老化，且GE公司已經(jīng)停止了對燃機Mark VI控制系統(tǒng)的備件生產(chǎn)和供應(yīng)。改造為Mark VIe控制系統(tǒng)，解決了原系統(tǒng)因高負荷連續(xù)運行，控制系統(tǒng)硬件故障率增加，控制系統(tǒng)故障無配件更換問題。

Mark VI控制系統(tǒng)采用的是三冗余硬件結(jié)構(gòu)，但是現(xiàn)場的重要聯(lián)鎖儀表進入卡件并不是＜R＞＜S＞＜T＞均勻分配，造成燃氣輪機并不能完全實現(xiàn)三冗余。Mark VIe控制器是GE公司傳統(tǒng)的三重模塊冗余機組控制系統(tǒng)的最新繼承，屬于GE的第三代數(shù)字燃氣輪機控制系統(tǒng)。

對于聯(lián)鎖控制等重要儀表完全實現(xiàn)了三冗余，控制器、通訊卡、內(nèi)部交換機也是完全的三冗余，外部交換機、電源模塊均是雙冗余，保證了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

將原有Mark VI系統(tǒng)更換為Mark VIe系統(tǒng)，Mark VIe在系統(tǒng)診斷和冗余特性方面進行特別設(shè)計，可以有效縮減停工期，增強了系統(tǒng)的診斷性能，提高了控制穩(wěn)定性。改造為Mark VIe控制系統(tǒng)，解決了Mark VI控制系統(tǒng)故障無配件更換問題，加強了系統(tǒng)運行的安全可靠性，增強了故障診斷功能。操作畫面進行了漢化，操作畫面的中英文可進行隨意切換，更加直觀，方便監(jiān)視[8]，達到了預(yù)期的目的，保證了燃氣輪機長期平穩(wěn)安全運行。