Teleperm-XP分散控制系统AP扩容改造
一、问题的提出
山西阳光发电有限责任公司3#机组采用的DCS控制系统为90年代西门子控制系统TELEPERM—XP第一代产品，属当时较早应用该系统的机组，投产以来一直未进行过升级改造。由于现在的软、硬件应用设计、配置等原因造成了实时数据传输迟延、AP负荷较高、系统资源不足等一系列的问题，已经影响系统的正常运行，我们通过广泛的技术交流和分析，对扩容改造的必要性和可行性进行了研究和论证，认为这些问题的解决必须进行扩容、升级等改造才能实现。通过扩容改造达到增加系统资源、降低AP负荷等目的，确保系统安全、持续运行。
1.1 系统扩容必要性
1.1.1 系统扩展硬件资源余量不足
a) DCS设计要求每个机柜内的每种类型的I／O都府陔有10～15％备用量。实际统计除APF机柜内备用量满足要求外，其它机柜内的I／O备用量常用的210一E型已经不足6％，210一Z型已经没有空余通道，210一DCM控制通道备用量不足3％，影响被控设备改造等进行的资源扩展需要。
b) DCS设计每个机柜内应该有10～15％的模件插槽备用量。实际统计AP1仅剩3个槽位，备用率为5.2％；AP2仅剩2个槽位，备用率为3.2％；AP3剩3个槽位，备用率为5.2％，AP4剩6个槽位，备用率为10.05％。槽位备用明显不足。
1.1.2 AP系统软件资源不足
由于设计及后期逻辑增加，AP1、AP2出现软件资源不足问题。2001年4#机组小修中，在增加主机振动主保护时，发现AP2系统的C2周期已经占满，无法使用，而保护信号的传输需要在C2以上的周期内安排，确保保护动作的实时性。当时只有将逻辑移动到AP3中运算，并将AP2中部分不重要信号的周期降为C3后，重新打包生成代码。经过对3#、4#机组各4套AP资源测试分析，发现部分功能程序块PB调用余量很少，其中，AP1、AP2最明显。
1.1.3 部分重要信号未实现冗余
3#、4#机组为2套冗余PU、4个AP，I／O点数设计为4870点／单机。2002年6月24日，4#机组汽机调门开度信号所在模件故障，引起RB误动，导致D组给粉机掉闸，造成燃烧波动。经检查，汽机调门信号采集模件为非冗余配置，影响其可靠性。经过对3#、4#机组类似信号进行统计，发现每台机组需要冗余配置的重要信号为18个，而目前机柜内已经没有对应的空余槽位实现上述信号的冗余。
1.1.4 目前AP负荷超标，影响系统安全运行
3#机组2月12目测试AP1负荷43％，AP2负荷52％，AP3负荷65％，AP4负荷65％。两门子建议AP负荷最好在40％以下；《火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程》规定，中央处理单元恶劣工况卜负荷率不得超过60％。
上述问题充分说明，有必要增加一套AP系统，将部分其它AP的内容移至新增AP内，降低负荷，同时增加资源冗余度。
1.2 系统扩容可行性
1.2.1 DCS提供商西门子公司技术支持
通过与西门子公司专业人员技术交流，以及由德国西门子总部系统测试，目前T－XP系统2套冗余PU、1套冗余SU的配置，以及主机性能、软件资源满足扩展AP系统需求。扩展AP后不影响会提高低层控制系统的可靠性。
1.2.2 其他厂家的经验
来自首届T—XP系统技术交流会的信息，我们公司3#、4#机组AP资源不足问题在部分其它T—XP电厂用户也存在。其中，扬州二电厂已经扩展了2套AP，主要解决AP负荷过重问题。扩展后该厂因DCS引起的机组异常状况明显下降。
二、扩容的方案、技术和安全措施
基于上述原因，我们通过对运行工况下3#机组T—XP系统AS620B系统各子系统测试分析，在综合考虑大修进度、系统安全、供货时间和扩容工作可能出现的问题等因素后，决定新增加一对AP(增加的AP定义为AP5，机柜定义为DC09柜)，将AP3中的部分资源迁移至新增的AP5内，降低AP3的负荷。经研究确定如下方案和措施：
2.1 方案
2.1.1 考虑到大修进度和设备剑货时间的限制，不适合对AP各子系统作大规模的调整，确定将AP3内扩展柜内的三层机架(即：AP3的DC06柜AG层信号、BG层信号、CG层信号)直接迁移到AP5，机柜和模件位置不动，通过总线和AP5相连，相应的代码、功能区进行修改；具体涉及异动内容包括：
AP3异动的马达、挡板等信号，共80台；
AP3异动的连续控制设备，共18套；
AP3异动的4-20mA模拟量信号，共103个；
AP3异动的ptl00温度信号，共110个；
2.1.2 在AP5中需要冗余配置的15个信号和3个非兀余配置信号，直接从MC柜的原接线位置拆除，在MC柜内新增加端子排，将异动的信号全部重新打线，集中通过信号线送到AP5内，利用新增模件实现。删除原来组态的信号逻辑。新增信号2个。具体信号为：模拟量9个，开关量11个。
2.2 主要技术、安全措施
a)精确定义扩容的范围，根据人修进度制定项目的进度时间表，并严格执行。对实际工程进度要做详细的记录。
b)机组停运前对系统进行负荷测试，并做记录作为原始资料保存和扩容改造前后的效果对比。对涉及扩容的相关逻辑在下作开始前要进行打印、归档。对每个异动的设备详细统计、整理。
c)机组停运前对系统进行全面检查，确保系统的完好性。扩容工作开始前，对ES680系统、项目进行双备份；对OM系统的PU、SU、OT进行双备份。保证系统扩容出现问题时能恢复到一个正常状态。
d)扩容工作要严格执行《火力发电厂分散控制系统运行检修导则》和西门子公司的技术规范。
e)扩容改造硬、软件完成后，要对系统进行功能和性能测试。包括I／O功能、OM显示功能、工作站功能、报表打印存储功能等功能和AP负荷、总线负荷、电源性能等性能测试和检查。以上各项工作完成后系统投入试运行。
三、扩容改造的实施过程、步骤
3.1 扩容前的准备工作
a) 对系统进行备份，HP9000、PU、SU、OT各备两份。
b) 对涉及扩容的每个功能图和相关功能图进行打印，存档。
c) 对AP和OM的代码做无错性检查，确保在扩容前系统正常。
3.2 硬件的安装和连接
a) 机柜和机架的安装：硬件安装和软件工作可以同时进行。机座采用槽钢焊接与原DC08柜刚性连接，在底座上加胶皮作为机柜防震措施，最后用螺栓将机柜和底座固定。
b) 电源的连接：机架与机柜使用螺栓无电阻连接(在机柜出厂时己固定好)，机柜采用24mm2电缆与接地点连接。DC09柜电源采用PC01、PC02两路独立电源冗余供电，电源柜采用25A断路器，电源线采用4×20mm2电缆连接。
c) 网络的安装连接：在Plant Bus的星藕器中插入两块网络接口模件ECTP3；分别用2根网络电缆6XVl850—OBN20连接Plant Bus星藕器中的ECTP3和DC09柜中的CP1430；将DC06柜IM614至DC05柜AP3中IM304的2根电缆拆除，并将相连的IM304拆除；将DC05柜拆下的IM304模件插入DC09柜DG051和DG131中。并且用I／O总线电缆6ES5721－0CC00分别将DC06柜的IM614与DC09柜DG051和DG131的两块IM304连接；
d) 模件、网络参数设定：包括FUM机架、网络接口模件、I／O总线模件的地址、参数设定。上电均正常后，用PG740给CP1430进行地址设定。
e) 上电前的检查：对电源连接、总线连接、接地连接等进行检查测试；机柜采用分步上电，两路电源分别上电，检有机柜背后电源两个L+应为24V±1V，两个M接地。正常后再给AP上电，机架上电；对各个模件的状态进行检查，正常后机柜投入试运行，具备代码的下载条件。
3.3 软件组态
a) AP.license写入：T—XP系统在出厂时对系统的AP数量作了限制，扩容增加AP必须在购买产品时，获得本项目的AP1icense，并将其写入ES680系统，之后才可以开始增加AP的软件的修改、组态工作。
b) 软件框架建立：在系统硬件拓扑图YDH：1YQTXP00上增加AP5。重新组态硬件YDM图：DC05、DC09。将DC05中的扩展机柜二层机架删除；在新增DC09中加入DC09基本机架和DC05的扩展机架；重新组态YDR图：DC06.AG DC06.BG DC06.CG。新增YDR图：DC09.AG DC09.BG DC09.DG。
c) 应用软件组态：对涉及扩容的YFR图修改，调整AP号。对AP的CPU REFERENCE进行调整。
d) 代码的生成和下载：扩容涉及各个AP，分别对AP1、AP2、AP3、AP4、AP5、APF，进行硬件、软件、LAN的代码生成和下载。对ASR、PROCESS FUNCTION、PROTOCAL、MMI、BDM和FUP分别生成和下载至对应的PU、SU和OT。
3.4 系统测试
a) 使用西门子公司提供的测试手段Pgmaster对所有AP及APF进行负荷测试。测试结果见表1。
b) 对每对AP分别进行冗余切换试验。对每对PU、SU分别进行冗余切换试验。
c) 在OM画面上观察涉及本次扩容的每一个信号和设备，检查其状态是否正常。
d) 对涉及本次扩容的各个AP之间互相传输的信号，采用在MC柜用信号发生器接入的方式进行检查，观察其传输是否正常。
e) 检查信息存储、打印功能是否正常。
四、改造的实施结果、问题和建议
4.1 实施结果
a) 通过AP的扩容改造，有效的降低了AP的负荷，提高了底层控制系统的安全性、可靠性。负荷测试结果见表1。
注：改造后测试结果为连续12天在机组不同负荷工况下的最大值。
b) 为系统的扩展提供了必要的便件、软件资源，为下一步系统改进奠定了基础。扩容后为系统提供了38个标准槽位。
c) 对部分重要信号进行了冗余配置，提高了系统的可靠性、安全性。对15个信号进行冗余配置。
d) 系统静态测试、热态测试、负荷测试、冗余切换、信号传输及控制功能测试均正常。
4.2 存在的问题和建议
a) 扩容改造为系统的稳定运行奠定了基础，但3#、4并机组T—XP系统投产以来，一直未进行软件的升级，一些固有的问题西门子公司也是通过对软件的升级来解决的，因此建议对系统的软件进行升级。这也是德国西门子公司T—XP系统管理中心在2003年2月7日对公司3#机组测试后提出的建议。软件的升级将解决该系统在众多用户使用工作中出现的问题。例如：ES680软件的升级，将会极大的提高系统软件处理能力。
b) 建议对PU、SU硬件进行升级。以此来提高机器的性能和软件处理速度，整体提高DCS的性能。同时因为这些硬件在市场上已不是主流产品，当出现故障时较难修复和购置。
c) 扩容是一项复杂庞大的工程，为了保证安全、可靠，建议住今后进行此类工作时为系统测试留出足够的时间。并且对系统试运行全面监测。
山西阳光发电有限责任公司3#机组采用的DCS控制系统为90年代西门子控制系统TELEPERM—XP第一代产品，属当时较早应用该系统的机组，投产以来一直未进行过升级改造。由于现在的软、硬件应用设计、配置等原因造成了实时数据传输迟延、AP负荷较高、系统资源不足等一系列的问题，已经影响系统的正常运行，我们通过广泛的技术交流和分析，对扩容改造的必要性和可行性进行了研究和论证，认为这些问题的解决必须进行扩容、升级等改造才能实现。通过扩容改造达到增加系统资源、降低AP负荷等目的，确保系统安全、持续运行。
1.1 系统扩容必要性
1.1.1 系统扩展硬件资源余量不足
a) DCS设计要求每个机柜内的每种类型的I／O都府陔有10～15％备用量。实际统计除APF机柜内备用量满足要求外，其它机柜内的I／O备用量常用的210一E型已经不足6％，210一Z型已经没有空余通道，210一DCM控制通道备用量不足3％，影响被控设备改造等进行的资源扩展需要。
b) DCS设计每个机柜内应该有10～15％的模件插槽备用量。实际统计AP1仅剩3个槽位，备用率为5.2％；AP2仅剩2个槽位，备用率为3.2％；AP3剩3个槽位，备用率为5.2％，AP4剩6个槽位，备用率为10.05％。槽位备用明显不足。
1.1.2 AP系统软件资源不足
由于设计及后期逻辑增加，AP1、AP2出现软件资源不足问题。2001年4#机组小修中，在增加主机振动主保护时，发现AP2系统的C2周期已经占满，无法使用，而保护信号的传输需要在C2以上的周期内安排，确保保护动作的实时性。当时只有将逻辑移动到AP3中运算，并将AP2中部分不重要信号的周期降为C3后，重新打包生成代码。经过对3#、4#机组各4套AP资源测试分析，发现部分功能程序块PB调用余量很少，其中，AP1、AP2最明显。
1.1.3 部分重要信号未实现冗余
3#、4#机组为2套冗余PU、4个AP，I／O点数设计为4870点／单机。2002年6月24日，4#机组汽机调门开度信号所在模件故障，引起RB误动，导致D组给粉机掉闸，造成燃烧波动。经检查，汽机调门信号采集模件为非冗余配置，影响其可靠性。经过对3#、4#机组类似信号进行统计，发现每台机组需要冗余配置的重要信号为18个，而目前机柜内已经没有对应的空余槽位实现上述信号的冗余。
1.1.4 目前AP负荷超标，影响系统安全运行
3#机组2月12目测试AP1负荷43％，AP2负荷52％，AP3负荷65％，AP4负荷65％。两门子建议AP负荷最好在40％以下；《火力发电厂分散控制系统在线验收测试规程》规定，中央处理单元恶劣工况卜负荷率不得超过60％。
上述问题充分说明，有必要增加一套AP系统，将部分其它AP的内容移至新增AP内，降低负荷，同时增加资源冗余度。
1.2 系统扩容可行性
1.2.1 DCS提供商西门子公司技术支持
通过与西门子公司专业人员技术交流，以及由德国西门子总部系统测试，目前T－XP系统2套冗余PU、1套冗余SU的配置，以及主机性能、软件资源满足扩展AP系统需求。扩展AP后不影响会提高低层控制系统的可靠性。
1.2.2 其他厂家的经验
来自首届T—XP系统技术交流会的信息，我们公司3#、4#机组AP资源不足问题在部分其它T—XP电厂用户也存在。其中，扬州二电厂已经扩展了2套AP，主要解决AP负荷过重问题。扩展后该厂因DCS引起的机组异常状况明显下降。
二、扩容的方案、技术和安全措施
基于上述原因，我们通过对运行工况下3#机组T—XP系统AS620B系统各子系统测试分析，在综合考虑大修进度、系统安全、供货时间和扩容工作可能出现的问题等因素后，决定新增加一对AP(增加的AP定义为AP5，机柜定义为DC09柜)，将AP3中的部分资源迁移至新增的AP5内，降低AP3的负荷。经研究确定如下方案和措施：
2.1 方案
2.1.1 考虑到大修进度和设备剑货时间的限制，不适合对AP各子系统作大规模的调整，确定将AP3内扩展柜内的三层机架(即：AP3的DC06柜AG层信号、BG层信号、CG层信号)直接迁移到AP5，机柜和模件位置不动，通过总线和AP5相连，相应的代码、功能区进行修改；具体涉及异动内容包括：
AP3异动的马达、挡板等信号，共80台；
AP3异动的连续控制设备，共18套；
AP3异动的4-20mA模拟量信号，共103个；
AP3异动的ptl00温度信号，共110个；
2.1.2 在AP5中需要冗余配置的15个信号和3个非兀余配置信号，直接从MC柜的原接线位置拆除，在MC柜内新增加端子排，将异动的信号全部重新打线，集中通过信号线送到AP5内，利用新增模件实现。删除原来组态的信号逻辑。新增信号2个。具体信号为：模拟量9个，开关量11个。
2.2 主要技术、安全措施
a)精确定义扩容的范围，根据人修进度制定项目的进度时间表，并严格执行。对实际工程进度要做详细的记录。
b)机组停运前对系统进行负荷测试，并做记录作为原始资料保存和扩容改造前后的效果对比。对涉及扩容的相关逻辑在下作开始前要进行打印、归档。对每个异动的设备详细统计、整理。
c)机组停运前对系统进行全面检查，确保系统的完好性。扩容工作开始前，对ES680系统、项目进行双备份；对OM系统的PU、SU、OT进行双备份。保证系统扩容出现问题时能恢复到一个正常状态。
d)扩容工作要严格执行《火力发电厂分散控制系统运行检修导则》和西门子公司的技术规范。
e)扩容改造硬、软件完成后，要对系统进行功能和性能测试。包括I／O功能、OM显示功能、工作站功能、报表打印存储功能等功能和AP负荷、总线负荷、电源性能等性能测试和检查。以上各项工作完成后系统投入试运行。
三、扩容改造的实施过程、步骤
3.1 扩容前的准备工作
a) 对系统进行备份，HP9000、PU、SU、OT各备两份。
b) 对涉及扩容的每个功能图和相关功能图进行打印，存档。
c) 对AP和OM的代码做无错性检查，确保在扩容前系统正常。
3.2 硬件的安装和连接
a) 机柜和机架的安装：硬件安装和软件工作可以同时进行。机座采用槽钢焊接与原DC08柜刚性连接，在底座上加胶皮作为机柜防震措施，最后用螺栓将机柜和底座固定。
b) 电源的连接：机架与机柜使用螺栓无电阻连接(在机柜出厂时己固定好)，机柜采用24mm2电缆与接地点连接。DC09柜电源采用PC01、PC02两路独立电源冗余供电，电源柜采用25A断路器，电源线采用4×20mm2电缆连接。
c) 网络的安装连接：在Plant Bus的星藕器中插入两块网络接口模件ECTP3；分别用2根网络电缆6XVl850—OBN20连接Plant Bus星藕器中的ECTP3和DC09柜中的CP1430；将DC06柜IM614至DC05柜AP3中IM304的2根电缆拆除，并将相连的IM304拆除；将DC05柜拆下的IM304模件插入DC09柜DG051和DG131中。并且用I／O总线电缆6ES5721－0CC00分别将DC06柜的IM614与DC09柜DG051和DG131的两块IM304连接；
d) 模件、网络参数设定：包括FUM机架、网络接口模件、I／O总线模件的地址、参数设定。上电均正常后，用PG740给CP1430进行地址设定。
e) 上电前的检查：对电源连接、总线连接、接地连接等进行检查测试；机柜采用分步上电，两路电源分别上电，检有机柜背后电源两个L+应为24V±1V，两个M接地。正常后再给AP上电，机架上电；对各个模件的状态进行检查，正常后机柜投入试运行，具备代码的下载条件。
3.3 软件组态
a) AP.license写入：T—XP系统在出厂时对系统的AP数量作了限制，扩容增加AP必须在购买产品时，获得本项目的AP1icense，并将其写入ES680系统，之后才可以开始增加AP的软件的修改、组态工作。
b) 软件框架建立：在系统硬件拓扑图YDH：1YQTXP00上增加AP5。重新组态硬件YDM图：DC05、DC09。将DC05中的扩展机柜二层机架删除；在新增DC09中加入DC09基本机架和DC05的扩展机架；重新组态YDR图：DC06.AG DC06.BG DC06.CG。新增YDR图：DC09.AG DC09.BG DC09.DG。
c) 应用软件组态：对涉及扩容的YFR图修改，调整AP号。对AP的CPU REFERENCE进行调整。
d) 代码的生成和下载：扩容涉及各个AP，分别对AP1、AP2、AP3、AP4、AP5、APF，进行硬件、软件、LAN的代码生成和下载。对ASR、PROCESS FUNCTION、PROTOCAL、MMI、BDM和FUP分别生成和下载至对应的PU、SU和OT。
3.4 系统测试
a) 使用西门子公司提供的测试手段Pgmaster对所有AP及APF进行负荷测试。测试结果见表1。
b) 对每对AP分别进行冗余切换试验。对每对PU、SU分别进行冗余切换试验。
c) 在OM画面上观察涉及本次扩容的每一个信号和设备，检查其状态是否正常。
d) 对涉及本次扩容的各个AP之间互相传输的信号，采用在MC柜用信号发生器接入的方式进行检查，观察其传输是否正常。
e) 检查信息存储、打印功能是否正常。
四、改造的实施结果、问题和建议
4.1 实施结果
a) 通过AP的扩容改造，有效的降低了AP的负荷，提高了底层控制系统的安全性、可靠性。负荷测试结果见表1。
注：改造后测试结果为连续12天在机组不同负荷工况下的最大值。
b) 为系统的扩展提供了必要的便件、软件资源，为下一步系统改进奠定了基础。扩容后为系统提供了38个标准槽位。
c) 对部分重要信号进行了冗余配置，提高了系统的可靠性、安全性。对15个信号进行冗余配置。
d) 系统静态测试、热态测试、负荷测试、冗余切换、信号传输及控制功能测试均正常。
4.2 存在的问题和建议
a) 扩容改造为系统的稳定运行奠定了基础，但3#、4并机组T—XP系统投产以来，一直未进行软件的升级，一些固有的问题西门子公司也是通过对软件的升级来解决的，因此建议对系统的软件进行升级。这也是德国西门子公司T—XP系统管理中心在2003年2月7日对公司3#机组测试后提出的建议。软件的升级将解决该系统在众多用户使用工作中出现的问题。例如：ES680软件的升级，将会极大的提高系统软件处理能力。
b) 建议对PU、SU硬件进行升级。以此来提高机器的性能和软件处理速度，整体提高DCS的性能。同时因为这些硬件在市场上已不是主流产品，当出现故障时较难修复和购置。
c) 扩容是一项复杂庞大的工程，为了保证安全、可靠，建议住今后进行此类工作时为系统测试留出足够的时间。并且对系统试运行全面监测。
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