施耐德電氣 Modicon Quantum PLC在汽輪發(fā)電機工程中的應(yīng)用

王懷祥

【摘 要】結(jié)合武漢鋼鐵集團公司熱力廠冶煉電站2#機組汽輪發(fā)電機控制系統(tǒng)工程實例，簡要介紹了PLC冗余系統(tǒng)在自動化控制過程中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】汽輪發(fā)電機;PLC冗余

一、前言

汽機控制系統(tǒng)對設(shè)備的可靠性要求比較高，特別是汽機保護系統(tǒng)。它是一個汽輪機安全監(jiān)控及輔機聯(lián)鎖系統(tǒng)，它能在汽機正常工作、啟動和停止運行方式下，連續(xù)監(jiān)視汽機的運行參數(shù)及狀態(tài)，并且進行邏輯運算和判斷，通過聯(lián)鎖裝置使設(shè)備按照既定的合理程序完成必要的操作或未遂事故，以保證汽輪機的安全。它在防止運行人員操作事故及系統(tǒng)故障情況下引起的安全事故方面起著非常重要的作用。

施耐德QUANTUM PLC（140 CPU 67160）可以提供完善的控制器的冗余功能，采用熱備的方式構(gòu)建控制器，兩個控制器框架采用完全相同的配置，它們之間使用同步光纖連接，保證PLC數(shù)據(jù)的同步，通訊網(wǎng)絡(luò)也可以采用同軸電纜的方式進行熱備，除以上的部分可以熱備外，控制器的電源也可以采用施耐德的冗余電源（140CPS12420）進行冗余，這樣大大提高了控制器的運行的可靠性，滿足汽輪機發(fā)電系統(tǒng)對于PLC控制部分需要長期無故障運行。

PLC控制器的配置采用了施耐德電氣首創(chuàng)，并在20多年的實踐應(yīng)用中被證實的熱備解決方案，以滿足站控系統(tǒng)SCS的嚴格的技術(shù)要求。在熱備系統(tǒng)中配置了兩個CPU機架，按照鏡相配置的方式，兩個CPU機架采用完全相同的配置，每個CPU機架包括底板、電源、冗余CPU模塊（、以太網(wǎng)通訊模塊和遠程I/O通訊模塊等。

CPU機架與I/O機架之間通過遠程I/O網(wǎng)絡(luò)進行連接，遠程I/O網(wǎng)絡(luò)采用施耐德電氣專利的S908通訊技術(shù)，支持1.544M的數(shù)據(jù)傳輸輸率以及同步掃描機制，保證數(shù)據(jù)掃描的實時性。I/O網(wǎng)絡(luò)也采用冗余配置，可以保證在任何一個網(wǎng)絡(luò)因故障不能完成通訊任務(wù)時，系統(tǒng)依然可以無中斷的正常工作，數(shù)據(jù)的采集與控制不會受到任何影響。

二、系統(tǒng)簡介

武漢鋼鐵集團公司熱力廠冶煉電站2#機組汽輪發(fā)電機工程利用高爐多余煤氣通過鍋爐制蒸汽推動汽輪機發(fā)電。其控制系統(tǒng)采用了施耐德PLC，CPU模塊為其高端冗余CPU（140 CPU 67160），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。上位機通過交換機與PLC處理器通訊，遠程RIO架通過冗余的連接到控制器框架，同時，遠程框架和主機架都采用了冗余電源配置。整套系統(tǒng)具有很高的可靠性，滿足了汽輪機發(fā)電系統(tǒng)對于PLC控制部分需要長期無故障運行的要求。上位機采用IFIX軟件，用以監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行。

三、PLC結(jié)構(gòu)

PLC主機架采六槽的QUANTUM底板，上配置兩塊冗余電源140CPS12420、一塊高端冗余CPU（140CPU67160）、一塊以太網(wǎng)模塊140NOE77101和遠程 I/O 頭雙通道模塊140 CRP 932 00。I/O機架為三塊16槽底板（圖1中只畫兩I/O底板），每塊底板上都有兩塊冗余電源、一塊遠程 I/O 子站雙通道模塊。主機架上的CPU通訊熱備光纖實現(xiàn)PLC的數(shù)據(jù)同步，遠程I/O模塊通過雙同軸電纜實現(xiàn)RIO子站的通訊冗余，保證了系統(tǒng)的可靠性。

四、控制方式

根據(jù)設(shè)計，該廠自控系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用既集中又分散的方式，實行三級控制，即就地手動控制、中央控制室手動控制和PLC自動控制，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。該控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)高速通訊網(wǎng)絡(luò)，將中央控制室和PLC現(xiàn)場控制站連接起來。PLC現(xiàn)場控制站負責設(shè)備的自動控制及信號狀態(tài)采集。中央控制室負責提供設(shè)備的控制方式，能進行單獨設(shè)備或系統(tǒng)的控制。

4.1、設(shè)備的自動控制

各油泵、射水泵、循環(huán)水泵等在自動控制下達到設(shè)定條件下自動啟停，并進行在主設(shè)備不能開啟的情況下備用的設(shè)備自動投入運行，保證系統(tǒng)的可靠運行。循環(huán)水調(diào)節(jié)閥根據(jù)凝汽器水位自動調(diào)節(jié)開度。

4.2汽輪機的負荷控制

通過PLC與DEH控制器的硬接點連接，由PLC發(fā)出升轉(zhuǎn)速、降轉(zhuǎn)速等信號控制調(diào)節(jié)汽閥的開度達到調(diào)節(jié)負荷的目的，PLC通過上位機設(shè)定的目標負荷，再結(jié)合實際負荷值通過運算自動控制調(diào)節(jié)汽閥的開度達到無人值守計算機自動控制的目的。

4.3汽機保護功能

汽機保護功能要求在達到需要故障停機或手動停機等條件下，系統(tǒng)將自動停機，此時若不能停機，將可能對設(shè)備產(chǎn)生嚴重損壞，甚至可能引起人員傷亡，故汽機保護功能的全面投入是此非常重要的，對PLC系統(tǒng)的可靠性要求非常高。具體功能如下所述：

（1）控制保護功能

a.當汽輪機轉(zhuǎn)速超過10%時，同時操作站提示汽機超速，并提醒操作人員進行檢查超速原因;當轉(zhuǎn)速超過15%時，汽輪機自行逐步減速，同時提示減速原因，1小時后汽輪機停機，同時上位機上顯示汽機超速停機。

b.當汽輪機軸向位移大于Ⅰ值（安全臨界值）時，報警并提醒操作人員與同技術(shù)人員進行檢查超速原因;當汽輪機軸向位移大于Ⅱ值（安全隱患發(fā)生臨界值）時，停機。同時操作站上顯示軸向位移大停機。

c.當潤滑油壓低于Ⅰ值時，報警并提醒操作人員與同技術(shù)人員進行檢查超速原因;當潤滑油壓低于Ⅱ值時，啟動交流油泵;當潤滑油壓低于Ⅲ值（絕對危險臨界值）時，停機。同時操作站上顯示潤滑油壓低停機。當潤滑油壓低于Ⅵ值（設(shè)備損壞臨界值）時，停盤車。

d.當軸承油溫高于Ⅰ值時，報警并啟動油溫冷卻系統(tǒng);當軸承油溫高于Ⅱ值時，停機;同時操作站上顯示停機原因：軸承回油溫度高停機。

e.當軸承軸瓦溫度高于Ⅰ值時，報警并啟動油溫冷卻系統(tǒng);當軸承軸瓦溫度高于Ⅱ值時警報連續(xù)提示，停機;同時操作站上顯示停機原因：軸承軸瓦溫度高停機。

f.當電氣送來發(fā)電機故障信號時，停機;同時操作站上顯示停機原因：發(fā)電機故障停機。

g.當凝汽器壓力低于Ⅰ值時，報警;當凝汽器壓力低于Ⅱ值時停機，同時操作站上顯示停機原因：凝汽器真空低停機。

h.當主蒸汽溫度低于Ⅰ值時，報警;當主蒸汽溫度低于Ⅱ值時停機，同時操作站上顯示停機原因：主蒸汽溫度低停機。

i.當主蒸汽壓力低于Ⅰ值時，報警;當主蒸汽壓力低于Ⅱ值時停機，同時操作站上顯示停機原因：主蒸汽壓力低停機。

j.當DEH控制器有故障停機信號來時，報警并停機，同時操作站上顯示停機原因：DEH故障停機。

k.當現(xiàn)場手動停機按鈕按下時，報警并停機，同時操作站上顯示停機原因：現(xiàn)場手動停機。

（2）歷史記錄取 在自動主汽門跳閘后，由操作站上顯示出導致首次動作原因，以便于進行事故分析。

（3）保護投退功能 在操作站上對每個保護聯(lián)鎖都設(shè)置保護投退開關(guān)，以便運行人員和檢修人員試驗和維修，防止在試驗或維修過程中，以及汽輪機啟動過程中，由于某個條件不滿足而引起的系統(tǒng)誤動作。

五、結(jié)語

根據(jù)上述的思路和方法，由PLC控制的汽輪機系統(tǒng)已在武漢鋼鐵集團公司熱力廠冶煉電站2#機組汽輪發(fā)電機控制系統(tǒng)工程上投入運行，結(jié)果表明系統(tǒng)的設(shè)計是合理的，系統(tǒng)在現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，不僅提高了設(shè)備的自動化運行水平，減輕了現(xiàn)場人員的維護量，有著明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻：

[1]欒健，張健中，萬新斌.行星齒輪減速器隔振式雙層箱體支撐剛度優(yōu)化研究[J].熱能動力工程，2019，34（01）：103-112.

[2]張志偉.CZ港CH碼頭建設(shè)項目進度管理研究[D].南京理工大學，2019.

[3]李明濤，趙文航，焦體華.整體框架式彈簧隔振基礎(chǔ)在1000MW機組中的應(yīng)用[J].神華科技，2017，15（09）：51-56.

（作者單位：武漢朗滌環(huán)保科技工程有限公司）