神華某電廠300MW 機組ETS控制系統(tǒng)技術(shù)升級設(shè)計及應(yīng)用

王 林

（神華神皖安徽安慶皖江發(fā)電有限責任公司，安徽省安慶市，246000）

1 引言

ETS系統(tǒng)是指汽輪機危急遮斷保護系統(tǒng)，其主要功能是當系統(tǒng)中出現(xiàn)危及汽輪機安全運行狀態(tài)或部分參數(shù)出現(xiàn)異常時，能夠迅速響應(yīng)，關(guān)閉汽輪機進氣閥門，及時切斷汽輪機所有進氣，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的保護。ETS 系統(tǒng)能夠有效避免機組設(shè)備的損壞及防止事故的進一步擴大。ETS系統(tǒng)與DEH系統(tǒng)、TSI系統(tǒng)，以及電廠機、爐、電等其他系統(tǒng)有著完善的接口。

神華某電廠300 MW 機組ETS系統(tǒng)經(jīng)過多年投產(chǎn)運行，其控制系統(tǒng)內(nèi)部元器件逐漸老化，直接影響該系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)整體的平均無障礙時間逐步縮短，直接制約電廠的安全穩(wěn)定運行。同時，由于系統(tǒng)配置的工作人員的工作強度大大高于電廠投產(chǎn)初期，所以，熱控工作人員配置數(shù)量增加。在當今勞動生產(chǎn)力成本逐步上升的大背景下，給整體發(fā)電生產(chǎn)成本的降低帶來了不利影響，制約電廠的經(jīng)濟效益的提高。

因此，對于系統(tǒng)中的關(guān)鍵元器件的升級換代就顯得尤為重要，關(guān)鍵電氣控制設(shè)備的換代尤為迫切。現(xiàn)以神華某電廠技術(shù)改造工程為研究背景，通過ETS控制系統(tǒng)的設(shè)備升級、改造和控制程序流程優(yōu)化，提高控制系統(tǒng)性能，在生產(chǎn)中取得了良好的運行效果，為今后進行類似機組的ETS控制系統(tǒng)的升級、優(yōu)化提供了技術(shù)借鑒依據(jù)。

2 神華某電廠ETS控制系統(tǒng)分析

神華某電廠300 MW 機組ETS控制系統(tǒng)采用施耐德公司Modicon Quantum 系列的PLC 控制器。其系統(tǒng)的PLC 控制器是雙機熱備、遠程RIO網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ETS控制系統(tǒng)PLC 控制器配置情況如圖1所示。

經(jīng)過多年使用，ETS 控制系統(tǒng)中有的控制器已到使用壽命，需要進行技術(shù)改造與升級。目前，該系統(tǒng)運行存在如下問題：

（1）系統(tǒng)中經(jīng)常出現(xiàn)異常狀態(tài)或者誤報警，影響發(fā)電計劃的安排以及相關(guān)工作人員的配置，給電廠的人員管理、發(fā)電計劃、煤炭供給等多個環(huán)節(jié)造成很大的不便。

（2）內(nèi)部控制設(shè)備元器件老化，造成系統(tǒng)的可靠性降低。

（3）由于施耐德公司生產(chǎn)的PLC 控制器的CPU 模塊43412A 已經(jīng)停產(chǎn)多年，造成了系統(tǒng)備件采購困難，這種情況將會隨著時間的增長，變得越來越突出。

（4）由于ETS系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)使用同軸電纜作為通信介質(zhì)，造成了系統(tǒng)的抗干擾能力差。當系統(tǒng)中IO 站電源模塊或通信模塊出現(xiàn)故障時，直接影響機組運行，系統(tǒng)長期運行過程中不止一次出現(xiàn)這種狀況。

為實現(xiàn)安全穩(wěn)定生產(chǎn)，必須對控制系統(tǒng)中的ETS系統(tǒng)采用的PLC 控制器進行升級與改造。對其中經(jīng)常出現(xiàn)故障的部分控制元件進行更換，同時，為了保證更換后的控制器可正常使用，適應(yīng)相關(guān)控制變量的邏輯狀態(tài)變化，應(yīng)將軟件部分進行必要升級，以滿足生產(chǎn)需求。

圖1 ETS控制系統(tǒng)PLC控制器配置圖

3 ETS控制系統(tǒng)改造方案設(shè)計

為提高系統(tǒng)集成度和設(shè)備后期維護的便捷性，結(jié)合相關(guān)電廠的實際使用經(jīng)驗，新的ETS控制系統(tǒng)的 PLC 控制器的 CPU 模塊型號采用140CPU67160型，該模塊具備熱備功能，因此升級后取消原有的熱備模塊。

由于EIO 架構(gòu)不僅使網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)冗余，而且使用雙絞線作為通信介質(zhì)，能夠使系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力得到提升。所以，將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改為EIO架構(gòu)，使用以太網(wǎng)方式進行通信，即將RIO 模塊型 號 升 級 為140CRP31200 型 （CPU 主 站）和140CRA31200型 （IO 子站），并采用菊花鏈回路拓撲管理遠程I／O 網(wǎng)絡(luò)。

為了保證在單個IO 子站上電源模件或EIO 適配模塊發(fā)生故障時，不會影響整個機組的安全運行，改造后的控制系統(tǒng)將IO 子站分為兩個站。同時，由于受柜內(nèi)空間限制，需要將目前的10槽模塊底板更換為2塊6槽模塊底板，以降低系統(tǒng)的改造成本，充分利用現(xiàn)有設(shè)備。

此外，原系統(tǒng)中柜內(nèi)的觸摸操作屏均是采用Modbus通信端口通信，但是，新設(shè)計系統(tǒng)中的CPU 模塊只有1 個Modbus通信端口，所以必須將觸摸屏進行更換，將其換成一個支持以太網(wǎng)方式通信的觸摸屏。同時，增加一個交換機，以實現(xiàn)各工作站和觸摸屏之間的互聯(lián)互通，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示和對系統(tǒng)近旁操作。由于各模件壽命期的限制，從提高系統(tǒng)運行可靠性的角度出發(fā)，技術(shù)改造過程中，對其中所有電源模塊和IO 模塊均進行更換，ETS具體更換清單見表1。

表1 ETS更換清單

3.1 軟件設(shè)計

目前，該電廠使用的CPU 模塊支持的邏輯組態(tài)軟件為Concept軟件。但是，由于模塊的升級改造與其他一些不可預(yù)見的外界因素影響，導(dǎo)致新的CPU 模塊140CPU67160不能有效支持原邏輯組態(tài)軟件Concept，因此必須新購軟件，并對原控制程序進行必要的修改。結(jié)合其他單位有關(guān)軟件使用情況，以及現(xiàn)有設(shè)備提供商的建議，新的邏輯組態(tài)軟件將采用Unity Pro組態(tài)軟件，因此需使用Unity Pro組態(tài)軟件對所有邏輯組態(tài)重新進行編寫，以支持新的CPU 模塊運行，提高新CPU 模塊的使用效果。

此外，結(jié)合之前的控制器使用效果，以及對實際運行情況的分析，為了滿足新系統(tǒng)運行的需求，提高系統(tǒng)整體可靠性，控制軟件的可讀性和可理解性，方便后期工作人員對系統(tǒng)的維護，改造過程中，對其中部分控制邏輯進行必要的修改，具體如下。

ETS控制系統(tǒng)的控制邏輯中主要控制邏輯基本保持不變，結(jié)合之前的具體情況分析，將對以下幾大塊進行改造：

（1）現(xiàn)行使用的控制系統(tǒng)中 “超速 （大于110%）”和 “電超速 （大于114%）”這兩組信號是常閉節(jié)點 （1），但是信號1 表示的是該信號有效，可現(xiàn)行系統(tǒng)一般都不這樣表示，為此必須對相應(yīng)的控制邏輯節(jié)點進行必要的修改，以提高程序的可讀性。即將其中的 “超速”和“電超速”這兩組信號是常閉節(jié)點 （1）改為常開節(jié)點 （0）。

（2）現(xiàn)行控制系統(tǒng)中 “軸承振動大” “高壓差脹大”“低壓差脹大”信號經(jīng)常出現(xiàn)誤報，造成系統(tǒng)不必要的故障報警，給系統(tǒng)的控制以及相關(guān)人員的實際工作造成了很大的不便，本次改造將這些信號由單點變更為雙點，以提高系統(tǒng)整體的可靠性，降低系統(tǒng)的誤報警概率。同時其控制邏輯也要進行修改，即將這兩點變成邏輯 “與”，作為該組信號的輸出，以降低錯報發(fā)生的可能性。

（3）該電廠初始設(shè)計過程中，存在軸向位移大的一個通道試驗功能。該廠實際基建的過程中，由于多種原因，這部分功能已被取消，但是相應(yīng)的控制邏輯在控制器中仍存在，給系統(tǒng)的后期維護帶來不便。因此，本次改造過程中，將這部分功能進行了簡化修改，以降低不必要的控制邏輯存在率，提高系統(tǒng)的可靠性。

（4）由于對于以上部分功能的改造升級，使本次設(shè)計過程中的IO 子站增加。為了接線、后期維護的便捷性，以及系統(tǒng)的可理解性等，必須對其中的所有IO 通道地址，進行必要的重新修改。

同時，由于ETS 控制系統(tǒng)與TSI（汽輪機監(jiān)測儀表系統(tǒng)）系統(tǒng)之間有一定的關(guān)聯(lián)性，本次改造的過程中對于其中的部分邏輯組態(tài)和接線方式也進行了必要的修改。由于其不是本次系統(tǒng)改造的重點，因此在這里不作過多的分析與說明。

3.2 硬件設(shè)計

改造后的ETS 控制系統(tǒng)網(wǎng)路結(jié)構(gòu)分別采用EIO 框架和本地IO 方式，具體分析如下：

新ETS系統(tǒng)PLC控制器配置如圖2所示。由于采用EIO 框架，極大提高了整體機組的抗干擾能力。加入一臺交換機，一方面實現(xiàn)了觸摸控制屏的正常工作要求，另一方面，使機組后期改造具有一定潛力，極大方便了后期的維護，有利于改造過程的實現(xiàn)。

圖2 新ETS系統(tǒng)PLC控制器配置圖

目前，ETS系統(tǒng)控制機柜內(nèi)雙路電源雖然均取自UPS電源，安裝有快速電源的切換裝置。但是，實際使用過程中極易出現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換故障。這是因為各站工作電源模塊的電源主要是由繼電器完成雙路電源的自動切換，由于繼電器屬于機械設(shè)備，極易出現(xiàn)故障，易引起控制器失電情況的出現(xiàn)，因此對于其電源部分在本次升級過程中也加以合理修正，即各站電源模塊直接取自機柜電源，以實現(xiàn)電源的供給。

根據(jù)以上分析，改造后的ETS系統(tǒng)中主CPU站和1＃IO 站電源模塊的電源取自I路電源 （TB1-1、2），備CPU 站和2＃IO 站電源模塊的電源取自II路電源 （TB1-4、5）。同時，每組電源都增加一個IO 子站電源空氣開關(guān)，并取消柜內(nèi)風(fēng)扇和檢修插座。改造后的電源接線圖如圖3所示。由于是在原機柜中進行改造的，也實現(xiàn)了原有設(shè)備的二次利用，提高了改造的經(jīng)濟性。

3.3 運行效果

系統(tǒng)改造過程盡可能保證對原系統(tǒng)的兼容性，保證其中很多模塊能夠繼續(xù)使用，以降低改造成本。特別是線路的連接部分，改造時幾乎沒有變化，這樣一來，可大大降低系統(tǒng)改造的工作量。同時，對原有接線進行緊固，對其中部分線束長度較短部分進行更新，保證留有一定的富余度，方便后期的維護工作，最終系統(tǒng)改造完成并實現(xiàn)現(xiàn)場線路搭建。

圖3 新ETS系統(tǒng)電源接線圖

在線路搭建后，經(jīng)過必要的冗余切換試驗與信號保護傳動試驗，包括交流220V 電源冗余切換試驗、直流24V 電源冗余切換試驗、通信冗余試驗、跳閘保護試驗、報警信號試驗、首出信號試驗和在線試驗等多達20項試驗之后，新ETS系統(tǒng)投入實際生產(chǎn)中，取得了調(diào)試的成功，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計目的。

后期新ETS系統(tǒng)實際運行過程中，新系統(tǒng)的MTTR （平均恢復(fù)時間）與MTTF （平均無故障時間）指標都比改造前有很大的提升。據(jù)不完全統(tǒng)計，其中MTTR 數(shù)值降低了50%，MTTF 數(shù)值上升了500%。新ETS系統(tǒng)保證機組長期穩(wěn)定運行，提高了機組的控制系統(tǒng)智能化水平，提高了機組的發(fā)電的經(jīng)濟性指標 （工作人員的安排數(shù)量比以前減少了1／3），新ETS系統(tǒng)的穩(wěn)定運行得到了相關(guān)工作人員的認可，特別是機組維護人員的一致好評，大大降低了工人的勞動強度。

4 結(jié)論

以神華某電廠300 MW 機組的ETS系統(tǒng)技術(shù)改造為研究背景，采用EIO 網(wǎng)絡(luò)框架、硬件升級與軟件優(yōu)化的方法，對原ETS控制系統(tǒng)進行改造升級，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)備最優(yōu)更換，優(yōu)化控制策略。新ETS系統(tǒng)投入實際生產(chǎn)，并取得調(diào)試成功，保證了機組穩(wěn)定運行，提高了系統(tǒng)智能化水平，降低了維修強度，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟指標。

300 MW 機組的ETS 系統(tǒng)技術(shù)改造的成功，為相關(guān)單位該類系統(tǒng)的改造，提供了技術(shù)借鑒經(jīng)驗。未來將技術(shù)改造所涉及的控制方法和控制設(shè)備選型等進行推廣應(yīng)用，對神華集團公司總體經(jīng)濟效益提高，保證神華集團電廠企業(yè)在同行中具有技術(shù)競爭優(yōu)勢，具有重要意義。

［1］ 孫長生，朱北恒，夏克晁等.《火力發(fā)電廠熱工自動化系統(tǒng)檢修運行維護規(guī)程》編制說明 ［J］.電力設(shè)備，2006 （3）

［2］ 童龍勝，于峰，李石生.豐城發(fā)電廠熱工保護系統(tǒng)的分析與完善 ［J］ .江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006 （3）

［3］ 焦宏波，王驍帆，董永明等.火力發(fā)電廠典型熱工保護誤動的原因分析與改進措施 ［C］／／中國電力企業(yè)聯(lián)合會科技開發(fā)服務(wù)中心，全國發(fā)電機組技術(shù)協(xié)作會，電力行業(yè)熱工自動化技術(shù)委員會.2010年全國發(fā)電廠熱工自動化專業(yè)會議論文集，2010

［4］ 田振宇.火電廠熱工保護的設(shè)計探討 ［J］.中國電力教育，2009，S2

［5］ 馮龍江.火力發(fā)電廠熱工儀表安裝技術(shù)研究 ［J］.中國石油和化工標準與質(zhì)量，2011 （11）

［6］ 王林 .某火力電廠機組控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ［D］.馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2013