基于PLC的汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)

1、摘要：中寧發(fā)電有限公司的汽輪機(jī)危機(jī)遮斷系統(tǒng)（Emergecy Trip System,ETS ）主要功能是監(jiān)視汽輪機(jī)重要控制參數(shù)，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)危險(xiǎn)工況時(shí)，跳閘邏輯控制停機(jī)電磁閥，關(guān)閉全部汽輪機(jī)蒸汽進(jìn)汽閥門(mén)，保護(hù)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行?？删幊绦蜻壿嬁刂破鳎≒rogrammable LogicController, PLC），是一種應(yīng)用廣泛的控制平臺(tái)，本文介紹了基于PLC 平臺(tái)下的汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用。關(guān)鍵詞：汽輪機(jī)；PLC ；ETS 中圖分類(lèi)號(hào)：TK264.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：1672-3643（2011）04-0035-05基于PLC 的汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)袁曉東，王利鋒，曲紅斌（寧夏中

2、寧發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏中寧755100）Steam turbine emergency trip system based onprogrammable logic controllerYUAN Xiao-dong, WANG Li-feng, QU Hong-bin（Ningxia Zhongning Power Generation Co., Ltd., Zhongning Ningxia 755100, China ）Abstract:The main function of steam turbine Emergency Trip System （ETS ）in Zhongning

3、Power Generation Co., Ltd. is to supervise the important control parameter of the steam turbine. When the units appear dangerous situations, trip logic control stop electromagnetic valve, close all of the steam inlet valves of the steam turbine, protects the steam turbine safe operation. Programmabl

4、e Logic Controller （PLC ）is a widely used control platform. Introduces Steam turbine emergency trip system based on PLC.Key words:steam turbine; Programmable Logic Controller （PLC ）; Emergency Trip System （ETS ）收稿日期：2011-08-19作者簡(jiǎn)介：袁曉東（1976），男，助理工程師，從事火電廠熱工檢修工作。1汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)（ETS ）的跳閘保護(hù)大型單元機(jī)組的特點(diǎn)是機(jī)、爐、電在生產(chǎn)

5、過(guò)程中組成一個(gè)有機(jī)的整體，由于有大量復(fù)雜的控制系統(tǒng)及裝置，其相互間的關(guān)系非常密切，當(dāng)其中某些環(huán)節(jié)發(fā)生故障后將會(huì)影響整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行，嚴(yán)重的故障可能導(dǎo)致停爐、停機(jī)，甚至危及設(shè)備和人身安全。1.1ETS 跳閘保護(hù)項(xiàng)目的設(shè)置為保障汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，汽輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中發(fā)生下列情況之一時(shí)，應(yīng)實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)保護(hù)：（1）汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)（Electro-Hgdraulic control system ，EH ）油壓低；（2）汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)（Digital Elec tro-Hydraulic control system ，DEH ）超速；35··（3）冷凝器真空過(guò)低（3取

6、2）；（4）潤(rùn)滑油壓力過(guò)低（3取2）；（5）軸承振動(dòng)大；（6）軸向位移大；（7）手動(dòng)停機(jī)；（8）DEH 失電；（9）發(fā)電機(jī)保護(hù)；（10）旁路保護(hù)；（11）電超速保護(hù)；（12）鍋爐主燃喪失跳閘（Main Fuel Trip ，MFT ）；（13）高排壓力高。這13項(xiàng)內(nèi)容是ETS 系統(tǒng)遮斷的主要內(nèi)容。圖1是由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Con troller ，PLC ）組態(tài)而成的ETS 的首出遮斷報(bào)警畫(huà)面。1.2控制要求（1）出現(xiàn)上述動(dòng)作信號(hào)時(shí)，ETS 系統(tǒng)應(yīng)能可靠動(dòng)作，系統(tǒng)不應(yīng)出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng)的情況。（2）出現(xiàn)上述動(dòng)作信號(hào)時(shí)，ETS 應(yīng)有首出記憶功能。（3）對(duì)3取2的

7、信號(hào)，如凝結(jié)器真空和潤(rùn)滑油壓力，ETS 應(yīng)具有在線監(jiān)視功能。（4）ETS 應(yīng)具有與分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System ，DCS ）、汽輪機(jī)監(jiān)測(cè)儀表（Turbine Su pervisal Instrument ，TSI ）、音響報(bào)警系統(tǒng)等的通信接口。（5）ETS 允許在線試驗(yàn)。2控制系統(tǒng)構(gòu)成2.1系統(tǒng)概述上海汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的危急遮斷系統(tǒng)（ETS ）根據(jù)汽輪機(jī)安全運(yùn)行的要求，接受就地一次儀表或TSI 二次儀表的停機(jī)信號(hào)，控制停機(jī)電磁閥，使汽輪機(jī)組緊急停機(jī)，保護(hù)汽輪機(jī)的安全。ETS 對(duì)下列參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，一旦參數(shù)超越正常范圍，通過(guò)停機(jī)電磁閥，使所有閥門(mén)油動(dòng)機(jī)關(guān)閉。

8、ETS 裝置通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)汽輪機(jī)的運(yùn)行情況。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括汽機(jī)超速110%；EH 油壓低；潤(rùn)滑油壓低；冷凝器真空度低；軸向位移大。為保障汽輪機(jī)在危急情況下的準(zhǔn)確動(dòng)作，基于PLC 平臺(tái)下的ETS 系統(tǒng)在硬件組態(tài)中采用雙通道設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)重要信號(hào)的在線試驗(yàn)功能，機(jī)組運(yùn)行時(shí)進(jìn)行在線試驗(yàn)保護(hù)功能不切除。2.2系統(tǒng)組成ETS 裝置有1個(gè)控制柜和1塊運(yùn)行人員用的實(shí)驗(yàn)面板?？刂乒裰杏?套PLC 組件，1個(gè)轉(zhuǎn)速控制箱，其中包括3個(gè)有處理和顯示功能的轉(zhuǎn)速報(bào)警器。1個(gè)交流電源箱，1個(gè)直流電源箱以及位于控制柜背面的2排出入輸出端子（U1-U4）。ETS 系統(tǒng)PLC 選用美國(guó)AB SLC500型控制主機(jī)（5、05CPU

9、），編程軟件為RSLOGI500，配置熱備冗余電源給機(jī)架供電?？刂葡到y(tǒng)PLC 按雙機(jī)熱備并行工作來(lái)配置的，由2塊1746-P4電源模塊、2塊1747-1551B （505CPU）主控制器、8塊1746-IB16數(shù)字量輸入模塊、6塊8點(diǎn)數(shù)字量輸出的1746-0X8繼電器輸出模塊、4塊16點(diǎn)輸出的數(shù)字量輸出模塊、10槽位的機(jī)架、操作面板、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換器等組成。ETS 系統(tǒng)由下列各部分組成：1個(gè)安裝遮斷電磁閥和狀態(tài)壓力開(kāi)關(guān)的危急遮斷控制塊；3個(gè)安裝壓力開(kāi)關(guān)和試驗(yàn)電磁閥的試驗(yàn)遮斷塊；3個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器；1個(gè)裝設(shè)電氣和電子硬件的控制柜以及1個(gè)遙控試驗(yàn)操作面板。危急遮斷控制塊當(dāng)自動(dòng)停機(jī)遮斷電磁閥（20/AST）勵(lì)

10、磁關(guān)閉時(shí)，自動(dòng)停機(jī)危急遮斷總管中的油壓就建立了。為了進(jìn)行試驗(yàn)，這些電磁閥被布置成雙通道。1個(gè)通道中的電磁閥失磁打開(kāi)將使該通道遮斷。若要使自動(dòng)停機(jī)遮斷總管壓力驟跌以關(guān)閉汽機(jī)的蒸汽進(jìn)口閥門(mén)，2個(gè)通道必須都要遮斷。20/AST電磁閥是外導(dǎo)2級(jí)閥。EH 抗燃油壓力作用于導(dǎo)閥活塞以關(guān)閉主閥。每個(gè)通道的導(dǎo)閥壓力圖1危急遮斷系統(tǒng)（ETS ）首出遮斷報(bào)警畫(huà)面36··危急遮斷試驗(yàn)塊每個(gè)試驗(yàn)塊組裝件由1個(gè)鋼制試驗(yàn)塊、2個(gè)壓力表、2個(gè)截止閥、2個(gè)電磁閥和3個(gè)針閥組成。每個(gè)組裝件被布置成雙通道。安裝在前軸承座上的試驗(yàn)塊組裝件（該組裝件一側(cè)是從系統(tǒng)供油經(jīng)節(jié)流孔流入，而另一側(cè)與泄油或通風(fēng)閥相連）與安裝

11、在附近的端子箱上的壓力開(kāi)關(guān)相連接。在每個(gè)通道中均有1個(gè)節(jié)流孔，以使試驗(yàn)時(shí)被檢測(cè)參數(shù)不受影響。在供油端有1個(gè)隔離閥，它允許試驗(yàn)塊組件檢修時(shí)不影響系統(tǒng)的其他部分。為了更換試驗(yàn)塊上除壓力表外任一元件，首先必須關(guān)閉隔離閥，然后打開(kāi)手動(dòng)試驗(yàn)閥泄放試驗(yàn)塊中的介質(zhì)。在更換時(shí)，須確保遵守相應(yīng)的清潔、清洗抗燃油的維護(hù)及管理程序等。壓力開(kāi)關(guān)和壓力表可以關(guān)閉相應(yīng)的截止閥而從系統(tǒng)中隔離出來(lái)。在試驗(yàn)塊中的介質(zhì)被泄放后，這些截止閥就應(yīng)打開(kāi)，以保證在復(fù)置自動(dòng)停機(jī)前，全部截止閥是重新開(kāi)啟的。如果介質(zhì)（壓力或真空）達(dá)到停機(jī)值，壓力開(kāi)關(guān)將動(dòng)作，并且引起自動(dòng)停機(jī)遮斷總管中油壓泄放而遮斷汽輪機(jī)。當(dāng)在試驗(yàn)時(shí)，危急遮斷控制柜危急遮斷控制

12、柜采用以PLC 為主體的ETS 新產(chǎn)品，就其功能而言既能滿足對(duì)汽輪機(jī)保護(hù)的控制要求，更具有結(jié)構(gòu)可靠，性能完善，外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，它采用冗余的可編程控制器作為邏輯控制元件，增強(qiáng)了邏輯功能，提高了產(chǎn)品的靈活性和可靠性；增設(shè)了首出動(dòng)作原因的記錄；設(shè)置有多通道外控停機(jī)選擇。PLC 組件是由1套雙機(jī)熱備的PLC 組件：主PLC （MPLC ）和備用PLC （BPLC ）組成。PLC 組件用智能遮斷邏輯，必要時(shí)提供準(zhǔn)確的汽輪機(jī)遮斷；CPU 含有遮斷邏輯；I/O接口組件提供接口功能；MPLC 為主控制器，提供全部遮斷、報(bào)警和試驗(yàn)功能；BPLC 為含有全部遮斷、報(bào)警和試驗(yàn)功能的備用的PLC 單元。如果MPLC

13、故障，BPLC圖2汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)（ETS ）冷凝器真空1軸承油壓1EH 油壓1邏輯通道1號(hào)操作顯示器停機(jī)報(bào)警輸出用戶遙控汽機(jī)停機(jī)（部件1號(hào)）超速停機(jī)220VAC 2號(hào)遙控復(fù)置用戶遙控汽機(jī)停機(jī)（部件2號(hào)）軸向位移（報(bào)警及推力軸承停機(jī)2號(hào)）邏輯通道2號(hào)220VAC 1號(hào)EH 油壓2冷凝器真空2軸承油壓2位于前軸承座上（接線至端子盒A ）位于前軸承座上（接線至端子盒A ）位于推力軸承TBS2PU/QS2PU/QS1PU/QS3轉(zhuǎn)子位于前軸承座上（接線至端子盒B ）SS常開(kāi)二通電磁閥常閉二通電磁閥壓力開(kāi)關(guān)自動(dòng)停機(jī)先導(dǎo)自動(dòng)停機(jī)遮斷軸承油壓低EH 油壓低冷凝器真空低超速發(fā)送器軸向位移軸向位移模擬盒37

14、··將自動(dòng)無(wú)擾切換為主控，允許機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行并起保護(hù)作用。3個(gè)轉(zhuǎn)速報(bào)警器能夠?qū)ⅹ?dú)立的磁阻發(fā)生器的輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字處理，并且當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的10%（3300r/min）時(shí)，繼電器的觸點(diǎn)動(dòng)作。超速保護(hù)采用3選2方式，這3只傳感器裝在同1個(gè)齒輪旁。ETS 現(xiàn)場(chǎng)接口有2排端子排，提供了與下面設(shè)備相連的接點(diǎn)：來(lái)自3個(gè)獨(dú)立的轉(zhuǎn)速探頭的信號(hào)；到遮斷電磁閥的電源；監(jiān)測(cè)遮斷狀況的壓力開(kāi)關(guān)；對(duì)汽機(jī)運(yùn)行時(shí)重要的監(jiān)視參數(shù)，如軸承油壓、EH 油壓和冷凝器真空度等進(jìn)行監(jiān)測(cè)的壓力開(kāi)關(guān)；軸向位移傳感器；對(duì)查檢運(yùn)行狀況進(jìn)行控制的試驗(yàn)電磁閥；當(dāng)ETS 探測(cè)到某個(gè)故障情況時(shí)連接到外部（電廠）聲光報(bào)警的輸出信號(hào)

15、；遙控遮斷輸入信號(hào)，當(dāng)手動(dòng)遮斷機(jī)組或遙控停機(jī)時(shí)，自動(dòng)遮斷機(jī)組。3硬件、軟件配置3.1PLC 系統(tǒng)配置ETS 系統(tǒng)采用2套軟件和硬件都完全一樣而又彼此獨(dú)立的PLC 系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行，任何1套PLC 系統(tǒng)故障或停運(yùn)都不影響另1套PLC 系統(tǒng)的正常運(yùn)行，也不會(huì)引起輸出信號(hào)狀態(tài)的改變。常規(guī)的冗余設(shè)計(jì)只是采取雙CPU 加CPU 切換模塊與通信模塊的方式，一主一備運(yùn)行，只有在主CPU 軟件故障時(shí)自動(dòng)切換到備用CPU 運(yùn)行，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于輸入/輸出模塊損壞而引起的故障是沒(méi)有任何效果的。ETS 系統(tǒng)采用的這種軟硬件冗余結(jié)構(gòu)，運(yùn)行時(shí)，2套PLC 完全獨(dú)立而又并聯(lián)運(yùn)行，每套PLC 都是主控運(yùn)行系統(tǒng)，任何1套PLC 系統(tǒng)

16、的軟件或輸入/輸出模塊故障后，另1套PLC 系統(tǒng)仍能正常工作，當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)危急情況時(shí)，ETS 仍能可靠地發(fā)出停機(jī)信號(hào)。ETS 系統(tǒng)之所以要采取這種軟、硬件1:1的冗余結(jié)構(gòu)，是ETS 系統(tǒng)在保證電廠機(jī)組安全中的重要性所決定的。交流電源板要求接入2個(gè)獨(dú)立的交流電源，其中1路電源為UPS 供電，如果1個(gè)電源出故障，PLC 將繼續(xù)無(wú)擾動(dòng)運(yùn)行，2路獨(dú)立的交流電源由熱控電源柜直接送入ETS 控制柜下部的交流電源盒。操作員實(shí)驗(yàn)面板裝在ETS 機(jī)柜后面，作為機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)信號(hào)的監(jiān)視和運(yùn)行人員在線實(shí)驗(yàn)操作手段。3.2PLC 的硬件SLC5/05是AB CONTROILOGIX 系列自動(dòng)化產(chǎn)品，可按系統(tǒng)要求配置的模

17、塊化結(jié)構(gòu)，能夠?qū)χ幸?guī)模至大規(guī)模的控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)、邏輯控制、順序控制、聯(lián)鎖控制、PID 回路調(diào)節(jié)，以滿足最高性能的應(yīng)用要求。它具有以下優(yōu)越性：（1）采用冗余的可編程控制器作為邏輯控制元件，增強(qiáng)了邏輯功能，提高了產(chǎn)品應(yīng)用的靈活性和可靠性。（2）增設(shè)了第一動(dòng)作原因的記錄。（3）設(shè)置多通道外控停機(jī)選擇。（4）使用高速的工業(yè)級(jí)控制器，掃描速率極高，大大提高了系統(tǒng)輸入/輸出速度。（5）系統(tǒng)具有極高的可靠性和性價(jià)比。（6）在重要應(yīng)用中，輸出模塊的輸出點(diǎn)可預(yù)設(shè)“故障”狀態(tài)。（7）絕緣電平高，惡劣電氣環(huán)境下的抗噪聲干擾性能好。（8）高精度模擬量I/O。適用于過(guò)程的緊密監(jiān)視與控制。（9）電源、CPU 及其他

18、任何模塊均可帶電插拔，是故障維護(hù)時(shí)間減少到最小，提高系統(tǒng)的可靠性。（10）邏輯運(yùn)算和I/O處理時(shí)間短，利于處理有高速需求的機(jī)器控制和信號(hào)加工。3.3PLC 的軟件RSLogix 500能夠提供強(qiáng)大的功能，具有高級(jí)診斷功能，可靠的通訊，以及方便易用的界面。RSLogix 500提供了用戶希望編程軟件包具有的每一種功能，從項(xiàng)目的統(tǒng)一視圖到統(tǒng)一播放編輯功能，其特點(diǎn)是：（1）靈活易用的編輯器；（2）點(diǎn)中一點(diǎn)擊方式進(jìn)行輸入/輸出組態(tài)；（3）強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)庫(kù)編輯器；（4）診斷和排錯(cuò)工具；（5）可靠的通訊特點(diǎn)；（6）符號(hào)化編程：把文檔和編程功能集成在一起加快了編程速度；38··（7）自動(dòng)地

19、址：分配管理數(shù)據(jù)表并跟蹤I/O使用信息；（8）交叉參考信息：可顯示與某一地址相關(guān)的所有指令，梯級(jí)數(shù)和程序文件的列表；（9）高級(jí)診斷；（10）在梯形圖編程完成前后要完全定義I/O，智能塊才能傳送數(shù)據(jù)至模塊進(jìn)行組態(tài)和監(jiān)視屏幕。4控制組態(tài)設(shè)計(jì)采用PLC 系統(tǒng)控制軟件RSLogix 500創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件編輯。控制系統(tǒng)控制邏輯如圖3所示，圖中只畫(huà)出了“軸向位移”和“潤(rùn)滑油壓低”兩個(gè)停機(jī)信號(hào)的邏輯框圖，其它停機(jī)信號(hào)邏輯都與此相同。5結(jié)束語(yǔ)寧夏中寧發(fā)電有限責(zé)任公司2×330MW 2臺(tái)機(jī)組自2004年11月投產(chǎn)以來(lái)，出現(xiàn)多次機(jī)組停機(jī)事故，每次ETS 系統(tǒng)都能可靠動(dòng)作，沒(méi)有出現(xiàn)ETS 誤動(dòng)的情況，從ETS 系統(tǒng)這一段時(shí)間的運(yùn)行情況看，系統(tǒng)是穩(wěn)定可靠的，完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制要求，很好地保證了機(jī)組的運(yùn)行安全。圖3軸向位移保護(hù)邏輯組態(tài)實(shí)例軸位移1RP1軸位移2RP2軸位移2RP2軸位移1RP1I ：2選擇電機(jī)側(cè)軸位移2SELRPGEN2選擇電機(jī)側(cè)軸位移1SELRPGEN1選擇電機(jī)側(cè)軸位移1S