200MW机组锅炉灭火保护系统_FSSS_优化_董茂良

2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 553 200MW 机组锅炉灭火保护系统 FSSS 优化 董茂良 解俊峰 李宏伟 商国新 崔晓峰 华电能源哈尔滨市第三发电厂 黑龙江 哈尔滨市 150024 摘 要 本文概述了哈尔滨第三发电厂 2 号 200MW 机组锅炉灭火保护系统 FSSS 优化前后的控制策略 介 绍了在实际运行过程中优化前出现的弊端 通过对系统的分析和实践总结出优化后的解决方案 并进行了实施 进 一步提高了机组运行的可靠性 关键词 200MW 机组 优化 FSSS 可编程控制系统 通讯 1 系统简介 哈尔滨第三发电厂二号炉灭火保护系统 又称锅炉炉膛安全监视系统 简称 FSSS 设置的目的 是由于各种原因导致刚灭火的锅炉燃料系统仍在向炉膛内供应燃料 在高温炉膛内再次爆燃而损坏 设备 故对锅炉灭火要进行保护 即灭火保护动作后关闭燃油速断阀和停止两台排粉机运行 灭火 保护的动作条件有 两台送风机失去 两台引风机失去 炉膛压力高 炉膛压力低 失去燃料 全 炉膛失火 危急跳闸 发电机主保护动作 汽包水位高 汽包水位低 灭火保护系统由机柜部分 就地测量元件 操作按钮等组成 FSSS 系统的机柜部分主要包括 控制模件 继电器搭接的控制回 路 电源等部分 就地测量元件主要包括压力开关等 2 优化前设备状况 2 1 系统组成 为确保锅炉各项保护发挥正常作用 监视锅炉各项参数和设备当前状态 及时发现异常情况 采取有效措施 如保护动作 紧急停炉 断电 联锁等 从而保证设备 人身安全 哈三厂 2 号机 组锅炉灭火保护系统采用莫迪康 984 685E 可编程控制系统做为下位机 其输入模板接收来自现场各 种设备的状态信号 由 CPU 处理器处理用户逻辑程序 2 1 1 莫迪康 984 685E 可编程控制系统结构 莫迪康 984 685E 可编程控制系统结构包括四部分 a 存储器部分 存储用户逻辑 当前状态 系统固化程序 b CPU 部分 根据当前输入信号 运行逻辑 更新 RAM 中的输出值 c I O 处理部分 读取输入模板 B809 的信号直接送到状态 RAM 中 将 CPU 逻辑解答送至输 出模板 B808 的路径 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 554 d 通讯部分 提供 MB PORT1 接口与笔记本电脑连接 用于日常修改逻辑 查看组态 MBUS PLUS 与 DCS 上位机通讯 2 1 2 莫迪康 984 685E 可编程控制系统 I O 模板分布及功能 莫迪康 984 685E 可编程控制系统的主 PLC 为 H827 103 从 PLC 为 H827 100 包括程控柜和 保护柜各一个 程控柜内的模板包括 a B1 B8 模板负责 1 号至 8 号油角油枪 点火枪 三用阀的操作发令和接收来自就地的反馈信 号 b 4 块 B809 输入模板 16 个通道分成二组 每八个通道共用一个 N 线 两组 N 线 9 和 19 环 线连接 当就地终端压上 220VAC 回来进通道与 N 线构成回路 模板灯亮 通讯至 DCS 显示 c 4 块 B808 输出模板 操作令 220VAC 电源 A 线接至模板每一通道的接点一端 当 DCS 中操 作令通讯至 984 内部组态时 每一通道线圈带电 接点导通 220VAC 去就地启动设备 保护柜负责提供保护所需变量和输出跳闸信号 a 共有三块 B809 模板 分别接受给粉机投运证实信号 燃油速断阀开关证实信号 探头冷却 风机启停证实信号 b 两块 B825 输入模板 当火检屏检测有火时输出 24VDC 进入 B825 通道 通道灯亮 同时 该 24VDC 进入 984 的 B825 模板的 19 N 和 20 A 端子 前八个通道的 N 线 9 与 19 短接 相 邻的两个 B825 的 20 和 19 端子分别环上 c 四块继电器输出模板 B814 有四项用途 分别是热工信号 SOE 扩展 MFT 出口继电器 探头冷却风机的启和停 冗余功能 H827 100 和 H827 103 两个主从 PLC 中分别安装两个热备通讯模板 S911 它们之间 通过 AS W911 电缆连接 内部通讯用可装载软件 HSBY 实现 此功能块必须放在主控制器和后备控 制器应用的逻辑程序第一网络 1 中 此功能允许你在系统状态 RAM 中设置一个非传送区 其实质 是在后备控制中保持几组寄存器不被主控制修改的区域 通过 HSBY 指令能存取两个寄存器 一个 命令 一个状态 以监视和控制系统 2 2 系统功能 在保护回路异常情况下 984 输出模板显示状态的同时 继电器输出模板动作 保护出口发 MFT 停排粉机 关燃油速断阀 停止油和煤粉等继续进入炉膛 终止燃烧 控制和显示部分 由于我厂 2 号机组 DCS 控制系统采用的是 MOORE 公司 APACS 控制系统 故 984 系统不必外接上位机监视输出 只需与 DCS 系统进行通讯连接 以对等令方式每秒 1 位速度 传递 经 BM 85 多路桥以双向信息采集和三个串行 RS232 485 转换器实现通讯方式的转换 通过 硬线连接于 984 的 MOD PLUS 口和 DCS 的 M BUS 之间 将 984 系统各种输出信号及 MOORE 发 出的各类指令信号共享 在 ACM 中加入读写块 在 APACS 系统 4 mation 中进行状态块 功能块组 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 555 态 做数据库组态和画面组态 实现在 CRT 上手操各种就地设备 同时显示锅炉灭火保护各变量的 状态变化 2 3 系统存在的问题 2 号炉灭火保护系统自投入运行以来已有十二年 一般 PLC 的使用寿命为 10 15 年 超过 10 年 后其可靠性就有所下降 这样一来整个机组就存在着不稳定因素 如果不及时对 2 号炉灭火保护系 统的 PLC 控制系统进行改造 很可能由于控制器的突然失灵而引起灭火保护系统拒动或误动事故的 发生 严重影响 2 号机组的稳定运行 所以对 2 号炉灭火保护系统进行更新改造势在必行 同时 经过调查分析 系统还存在以下问题 a FSSS 系统电源从切换装置二取一路输出 通过电源盘的 UPS A 相瓷座保险送至 FSSS 机柜 无双路供电功能 b 机柜内的 PLC 电源及重要保护所带设备均采用一路空气开关 热工和电气设备取自一路电 源 当就地设备发生短路时不便查找 c 油枪程控机柜和 FSSS 机柜风扇电源无独立电源 d 油枪程控机柜电源取自 FSSS 机柜 e 24VDC 两个稳压电源取自一个空气开关 电源失去则 24VDC 所带设备无法工作 f FSSS 系统炉膛压力保护开关采用硬手动 保护投入时有保护误动的可能 并且无有跳闸条 件无法投入保护的功能 g FSSS 系统汽包水位保护采用二选一 并且无有跳闸条件无法投入保护的功能 h 探头冷却风机程序中无探头冷却风压力低联锁回路 i FSSS 系统的 I O 配置不合理 模件故障造成保护动作的风险性大 j 无热工保护压力开关故障显示点 k 无探头冷却风压力低热工信号报警点 l FSSS 机柜内部分电缆无屏蔽 m FSSS 机柜无接地铜排 3 系统优化 针对以上相关问题 为了提高保护可靠性 杜绝保护拒动和误动 我们进行了认真的分析研究 制定了解决方案 进行了系统优化 3 1 选用施耐德可编程控制系统 更换旧的的 CPU 模块 140CPU11303 为 Unity Quantum 140CPU67160 根据用户要求保留原有 PLC 与 DCS 通讯方式 modbus plus 热备采用 CPU 模块上集成的热备端口进行双机热备 通过 CRP93200和CRA93200形成双缆冗余的S908远程IO总线 更新所有IO模块 电源采用140CPS12420 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 556 冗余电源进行冗余配置替换原有 140CPS11420 电源模块 3 1 1 Unity Quantum PLC 特点及性能 在此项目升级改造解决方案中 我们将采用施耐德电气公司的 Unity Quantum PLC 产品 用于 满足控制系统的全部控制功能 Unity Quantum PLC 产品完全符合国际标准 该产品采用了国际上最 先进的控制器和模块化的系统结构 Unity Quantum PLC 系列产品是施耐德电气自动化的核心产品 它是新一代的软硬件自动化平 台 其全新的独创设计缩短了开发时间 处理器的灵活性可以实现更高的运行性能 基于开放性和 对工具的协同应用 Unity Quantum PLC 在应用程序开发 控制系统运行及维护方面达到了极高的水 平 它延续了 Modicon 一贯的设计思想 产品不仅质量高 性能可靠 而且兼容性好 系统组件的 设计符合真正的工业等级 满足国内 国际的安全标准 系统易配置 易接线 易维护 隔离性好 结构坚固 抗腐蚀 可适应恶劣的工业环境 所有部件均可带电插拔 广泛应用于交通 能源 冶 金 化工等各大自动控制领域 3 1 2 双机热备系统 3 1 2 1 系统组成 双机热备系统是由安装在两个不同机架上的 主机 和 备机 组成 见下图所示 主机 和 备机 的硬件配置完全相同 即电源 CPU RIO 通讯适配器 以太网模块等组成 双机热备系 统的最核心的模块为 CPU 模块 型号为 140CPU67160 该模块除了完成所有的控制功能以外 同时 利用光纤完成 主机 和 备机 之间的实时数据交换功能 光纤通讯链路的通讯速率可达 100M 双机热备系统示意图 双机热备系统正常工作时 由 主机 采集现场所有设备的实时数据 解算所有控制程序 并 将控制指令传输到所有输出模块中 完成对现场设备的所有控制功能 备机 在 主机 运行的过 程中 实时读取 主机 中的全部数据 并实时监测 主机 的运行状态 当 主机 上的机架 电源 CPU RIO 通讯适配器中的任一模块或附件出现故障时 备机 升级为 主机 完成对现 场设备的所有控制功能 当 主机 上的故障模块或附件更换完毕后 则承担 备机 的角色 继 续完成对 主机 状态的实时监测功能 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 557 双机热备系统中的 主机 和 备机 之间的切换是完全自动实现的 同时又是平稳 无缝的 切换 切换对于过程而言是透明的 系统对过程的监控不会中断 并且不会因为发生硬件故障而受 到不利影响 因此 使用 Unity Quantum PLC 的双机热备系统可以减少停机时间 从而提高生产效 率 3 1 2 2 热备系统性能 3 1 2 2 1 通讯速率 传统的双机热备系统一般都采用独立的热备模块或同步模块用于完成热备系统的数据交换 因 此 导致了双机热备的数据交换速率较低 实时性差等缺点 施耐德电气公司的 Unity Quantum PLC 的双机热备系统为了避免上述缺点 采用了创新的集成 热备端口的 CPU 140CPU67160 该产品集成了光纤的热备端口用于完成 主机 和 备机 间的 数据交换 由于可以直接从 主机 CPU 中读取实时数据并传输 备机 因此 实时性较好 同 时 该端口的通讯速率可达 100M 与传统的热备模块或同步模块的热备端口相比 通讯速率提高了 十倍甚至几十倍 3 1 2 2 2 扫描时间和切换时间 传统的双机热备系统由于采用热备模块或同步模块用于完成热备系统的数据交换 因此 CPU 在完成所有控制程序的解算功能外 同时还承担着将数据通过热备模块或同步模块传输到 备机 的功能 所以 传统的双机热备系统的 CPU 扫描时间一般为解算程序的时间与热备模块或同步模块 间数据传输时间的叠加 一般为 100ms 以上 同时导致双机热备系统的切换时间较长 而施耐德电气公司的热备 CPU 140CPU67160 该产品集成了热备端口 利用 CPU 本身完成所 有控制程序的解算 利用 CPU 上的协处理器完成 主机 和 备机 间的数据传输功能 同时 这 两种功能互不影响 因此 采用 Unity Quantum PLC 的双机热备系统的扫描时间大大缩短 只有 20ms 左右 系统切换时间也在 20ms 左右 施耐德电气公司自从 1980 年推出全球第一套双机热备系统到现在 有着 29 年的热备经验 在 Unity Quantum PLC 的双机热备系统 更是将系统的性能发挥到极致 即完成双机热备系统时 无需 设置任何参数 编写任何程序 只需利用一根光纤连接两个热备的 CPU 后 即可实现双机热备系统 的全部纯硬件的自动切换功能 3 1 2 2 3 地址自动切换 双机热备系统还提供了多种通讯方式 如 Modbus Modbus Plus 和 Ethernet 方式 用于完成外 部设备 监控计算机 PLC 之间的数据交换 施耐德电气公司的双机热备系统为了避免双机热备系 统在自动切换过程中导致通讯中断 双机热备系统还支持 Modbus Modbus Plus 和 Ethernet 地址的 自动切换 即双机热备系统在切换过程中 永远保持设定的地址与 主机 的对应通讯端口地址一 致 这样可以保证双机热备系统在切换过程中 始终可以从 主机 中读取全部实时数据 保证了 控制系统的可靠 稳定运行和实时的数据交换 3 1 3 工业现场总线 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 558 本系统中 Quantum 控制站同 I O 之间采用 S908 专用现场总线网络 通过 140CRP93200 和 140CRA93200 专用模块实现连接 使得分散的控制点能够可靠地传送到 CPU 进行快速的处理和反 应 3 1 3 1 总线特点 下图为 Unity Quantum 双机热备系统通过 S908 工业现场总线连接方式图 S908 远程 I O 系统体系结构包括了同轴电缆的干缆和无源分支器 然后通过分支电缆接远程站 每个远程站的容量是 1024 个输入点和 1024 个输出点 包括了数字量 模拟量和特殊应用模块 本地基架通过加装远程主站模块 140CRP93200 连接远程基架 远程基架通过加装远程从站模块 140CRA93200 和主站相连 它使用的是冗余电缆 适用于对于冶金 石化等高可靠性和高干扰的场 合 远程 I O 系统结构的整个配置是通过 Unity Pro 软件来完成的 仅需配置而不需编程 所有的检 测由 CPU 自动进行 这种动作是周期执行的 读取输入模块的数据 然后执行用户程序 最后把数 据写出到输出模块上 因此周期时间包括了程序执行 I O 处理和其他服务的完成 远程 I O 系统使用介质是同轴电缆 推荐使用 Schneider 公司提供的同轴电缆 它保证了传送的 安全性和数据的可靠性 每个周期都采用 HDLC 高速数据链路控制 的帧控制 一旦发现错误 命令数据重发 每个远程站都有自己的状态字 可以用于程序 也可以通过网络 Modbus Modbus Plus Modbus TCP 访问 每个远程站在每个周期都要通过状态位声明自己的存在 否则就出现了 错误 远程站不光可以使用 Quantum 的 I O 模块 也可以使用 800 系列老模块 884 和 984 PLC 的模 块 这种结构可以保证系统的逐步升级 先更换 CPU 保持老的 I O 模块 然后再用新 I O 替换老 I O 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 559 这样就保护了用户的投资 除了远程模块外 所有 I O 模块都可以在线安装 数字量模块 模拟量模块 高速计数器模块 本安型模块 运动控制模块等 3 1 3 2 总线性能 无中继器的最远距离 同轴电缆 4500 米 分支电缆的最大长度 30 米 访问方式 生产者 消费者 传输速度 1 544 兆 传输介质 75 欧姆同轴电缆 主干电缆类型 刚性 半刚性 或柔性电缆 根据距离的需要选择 采用 RG11 RG6 等 分支电缆类型 柔性电缆 RG6 远程站数 31 个 使用协议 可靠自有协议 曼彻斯特编码 HDLC 3 1 4 模块技术指标 3 1 4 1 CPU 模块 解决方案中采用的双机热备 CPU 140CPU67160 模块的性能如下 a 采用 Pentium II 型 32 位高速工业处理器芯片 主频可达 266MHz b CPU 集成两个内存卡插槽 用于扩展内存 满足大型控制系统的控制要求 内存最多可扩 展至 17M c 集成 Modbus Modbus Plus TCP IP 热备端口 USB 等多种通讯端口和内存卡插槽 便 于与其它设备实现数据交换 d 集成液晶显示屏幕 用于显示系统的运行 故障 通讯等状态信息和设置系统的相关参数 e 支持钥匙开关和多种口令保护 保证系统可靠 稳定运行 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 560 f 支持实时的多任务操作系统 支持多种控制方式 如快速任务 事件任务 辅助任务 主任 务等方式 处理速度为每条指令处理时间不超过 0 045 微秒 g 系统控制能力 开关量可达 64K 点 模拟量可达 57K 点 支持大量的定点和浮点运算 具 有多种 PID 调节和其他过程控制功能 能够满足各种控制工艺要求 h 无需编程即可提供多种系统 模块甚至通道级 模块的所有通道 的诊断功能 3 1 4 2 电源模块 Quantum 电源模块有两种作用 向系统底板提供电源和保护系统免遭杂波和额定电压摆动影 响 所有电源都具有抗过流和过压保护 它们可以在大多数电气杂波环境中正常使用 而无需外部 隔离变压器 在发生意外失电时 电源可确保系统有充分时间安全有序地关闭 电源模块将进入的 电能转换成稳定的 5 V 直流 供给 CPU 本地 I O 和安装在底板上的任何通信选件模块使用 3 1 4 3 IO 模块 数字量 I O 模块使用可拆卸的螺钉端子接线 另外 用户可以使用 CableFast 完成 I O 模块与现 场端子间的接线 节省大量的接线时间和人工费用 并且减少接线错误 a 工作温度 0 60 湿度 0 95 无冷凝 b 所有模板包括电源 CPU 和 I O 模块均可在工作状态下带电热插拔 带电热插拔不能影响系 统的运行 增强系统的可维护性 另外 每个模块都提供了一种机械键 用于 I O 模块和相应端子 的连接 确保现场接线和模块类型相匹配 每种模块都有自己唯一的键码 c 所有输出模块的每点均可设置为关断 保持上次值及预定义值三种状态之一 以确保工艺系 统及设备有安全的控制输出 d PLC 的 I O 模块满足现场监控元件 设备等的输出信号接收及控制的要求 e I O 处理系统 智能化 以减轻控制系统的处理负荷 I O 处理系统能完成扫描 数据整 定 数字化输入和输出 线性化 热电偶冷端补偿 过程点质量判断 设施单位换算等功能 f 所有的 I O 模块都标明 I O 状态的 LED 指示和其他诊断显示 如模块电源指示等 g 所有 I O 模块均应满足 ANSI IEEE 472 冲击电压承受试验能力导则 SWC 的规定 在 误加 250V 直流电压或交流峰 峰电压时 应不损坏系统 h 所有接点输入模块都有防抖动滤波处理 如果输入接点信号在 2 毫秒之后仍抖动 模块不应 接受该接点信号 i 所有的模块都有自己的连接端子和隔离门 面板的显示单元提供了模块和 I O 点的信息 有 些模块还有现场接线和保险丝断的显示 j 上电后 处理器会检查每个模块的识别码是否与软件配置相吻合 然后激活模块 防止模块 因为插错而损坏模块 k 每个模块都有自己的诊断和状态位 用于程序的编制 l 根据模块类型配置每个通道 通道类型和精度 电流 电压 热电阻型 热电偶型 冷端补 偿 内部或外部 范围 滤波 失效行为 定义地址用于编程和网络访问 以及断线和报警超限 断 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 561 线检测 溢出 m 模拟量 I O 模块使用可拆卸的螺钉端子接线 另外 用户可以使用 CableFast 完成 I O 模块 和现场端子间的接线 节省大量的接线时间和人工费用 并且减少接线错误 n 所有的模块都有自己的连接端子和隔离门 面板的显示单元提供了模块和 I O 点的信息 有 些模块还有现场接线和保险丝断的显示 o 另外 上电后 处理器会检查每个模块的身份号是否与软件配置相吻合 然后激活模块 防 止模块因为插错而损坏模块 p 每个模块都有自己的诊断和状态位 用于程序的编制 3 1 5 软件升级部分 原有程序为 984 环境下编译而成 随着 CPU 的升级换代编程环境也要随之升级到 Unity 编程平 台下 3 1 5 1 Unity Pro 编程软件 本方案 PLC 下位机软件采用 Schneider 电气公司面向 Unity 过程控制平台的全新 Unity Pro Unity Pro 编程软件的特点 a Unity Pro XL 编程软件提供对 Quantum 全系列平台的支持 b 可提供 Unity Studio 软件套件 方便用户设计分布式系统应用 c 可运行在 Windows 2000 Professional 或 Windows XP 环境下 d 5 种 IEC61131 标准编程语言 结构化文本 ST 指令表 IL 梯形图 LD 功能块图 FBD 和 顺序功能图 SFC e 具有灵活处理的多任务软件结构 主要任务 MAST 快速任务 FAST 事件中断处理 EVENT f 执行期间的程序修改 在线修改 Unity Pro 编程软件 3 1 5 2 编程语言 在 Unity Pro 中可以采用 5 种 IEC61131 标准文本或图形语言为 Quantum 自动化平台编程 3 1 5 2 1 3 种图形语言为 2010 年全国发电厂热工自动化专业会议论文集 562 a 梯形图语言 LD b 功能块图语言 FBD c 顺序功能图 SFC 或 Grafcet 3 1 5 2 2 2 种文本语言为 a 结构化文本语言 ST b 指令列表语言 IL 对于这 5 种语言 如果用户采用与 IEC 标准 61131 3 兼容的基本指令集 则其创建的应用可跨 平台传送 Unity Pro 还为这些指令集提供了扩展指令 这些指令为 Quantum PLC 所专有 可用来 开发更复杂的应用 因此可最大程度地发挥这些平台专用特性的潜能 a 强大的辅助功能 b 数据编辑器 c DFB 用户功能块 d 功能块库 e 调试工具 f PLC 仿真器