摘要：在火力發(fā)電廠，汽輪機保護系統(tǒng)很重要。本文論述了利用PLC控制系統(tǒng)實現(xiàn)對汽輪機的各種保護功能，并論述了該系統(tǒng)的主要功能、結構以及實現(xiàn)。

關鍵詞：汽輪機 PLC 冗余系統(tǒng) 人機界面 觸摸屏

1 引 言

汽輪機熱工監(jiān)視和保護裝置以及由其所組成的信號報警系統(tǒng)和保護控制系統(tǒng)，是保護汽輪機安全運行的重要設備。隨著機組容量的增大，汽輪機安全監(jiān)視和保護就顯得更加重要，同時對汽輪機安全監(jiān)視和保護裝置的準確性和可靠性也提出了更高的要求。原有及早期設計的保護系統(tǒng)大多為繼電器及硬件邏輯搭接的，它的系統(tǒng)可靠性較差，維護量較大。因此，采用可編程控制器（PLC）對汽輪機熱工監(jiān)視和保護裝置進行控制顯得十分重要和必要。以下所介紹的為應用PLC控制的汽輪機保護系統(tǒng)。

2 汽輪機保護系統(tǒng)概述

　　汽輪機在正常運行過程中，需要根據(jù)用戶用電量來調節(jié)負荷，為了防止調節(jié)系統(tǒng)因故障失靈，和汽輪機突然甩負荷時引起超速危險，以備在機組出現(xiàn)某些異常時迅速動作停機，防止發(fā)生事故。汽輪機必須設置轉速、轉子的軸向位移、軸瓦振動、機缸相對膨脹、汽輪機各軸承的油壓和油溫、凝汽器的真空度、發(fā)電機的主保護動作等參數(shù)的保護，在這些參數(shù)中的任何一個超過所規(guī)定的允許值時，要求自動發(fā)出信號使磁力斷路油門動作，泄掉安全油，切斷進汽，進行強制停機，并且同時聲光報警，記錄停機原因，向DCS控制系統(tǒng)和調節(jié)系統(tǒng)發(fā)送聯(lián)鎖信號，聯(lián)鎖調節(jié)門、發(fā)電機和油泵，使整個系統(tǒng)迅速回到安全狀態(tài)，達到保護汽輪機的目的。

3 系統(tǒng)組成

　　汽輪機保護系統(tǒng)由現(xiàn)場設備部分、PLC控制系統(tǒng)部分、人機界面（觸摸屏）和外圍聯(lián)絡系統(tǒng)組成。現(xiàn)場設備主要包括：汽輪機本體監(jiān)測系統(tǒng)（檢測汽輪機轉速、軸向位移、軸承瓦振動、汽缸相對膨脹等）、壓力檢測系統(tǒng)（檢測潤滑油壓力、安全油壓油、凝汽器真空度）、油溫檢測系統(tǒng)（檢測各軸承回油的溫度）、磁力油路遮斷停機系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)包括：冗余的PLC控制器、信號隔離繼電器、驅動繼電器和接觸器；外圍聯(lián)絡系統(tǒng)包括：DCS控制系統(tǒng)、汽輪機轉速負荷調節(jié)系統(tǒng)。系統(tǒng)結構如圖1所示。整體系統(tǒng)構成了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理、監(jiān)視和現(xiàn)場設備控制。

4 硬件設計

　　由于汽輪機保護系統(tǒng)的重要性，決定了該系統(tǒng)在任何時候不容許出現(xiàn)誤動作或拒動作，因此作為邏輯控制單元的PLC一般選用國內外品質高、穩(wěn)定性好的產品AB-ControLogix系列產品。

系統(tǒng)采用雙機熱備冗余配置，控制核心部件（CPU）配置兩套，分別安裝在兩個獨立的機架，兩個機架的CPU通過光纖連接的同步模塊同步熱備運行，在任一套CPU及相關部件出現(xiàn)故障或錯誤時，會無擾動切換到另一套CPU，保證了系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運行。PLC的IO模塊安裝在獨立的IO機架，IO與CPU的通訊方式為冗余ControlNet網(wǎng)絡。PLC的開關量輸入輸出點都選用繼電器隔離，徹底防止了現(xiàn)場的干擾信號對系統(tǒng)的不良影響，保證了系統(tǒng)能夠長期可靠運行。

圖1 汽輪機保護系統(tǒng)結構圖

　　人機交互單元選用Allen-Bradley 公司的PV1000 彩色工業(yè)觸摸屏產品，在觸摸屏上可以進行監(jiān)視、操作和運行參數(shù)記錄，觸摸屏是系統(tǒng)的操作員站,人機對話簡單方便、系統(tǒng)組態(tài)便于修改和擴充，并且觸摸屏具有不死機可以長期穩(wěn)定運行的優(yōu)點。觸摸屏與CPU的通訊方式也是通過冗余ControlNet網(wǎng)絡。

　　汽輪機保護系統(tǒng)的PLC結構示意圖如圖2所示。由圖可以看出，在保護系統(tǒng)投入正常運行后，如果一套CPU出現(xiàn)故障或一條通訊介質接觸不良，不會影響保護系統(tǒng)正常運行。

圖2 PLC結構示意圖

5 軟件設計

　　軟件設計包括兩部分：PLC控制保護邏輯和觸摸屏監(jiān)視、操作記錄畫面組態(tài)。PLC控制保護邏輯采用梯形圖編寫，保護邏輯程序選擇連續(xù)性任務在全部時間內運行，使保護邏輯程序始終運行。保護邏輯程序主要包括各項保護投退部分，報警與顯示部分，跳閘動作部分，事件記錄和SOE記錄等幾個部分。

　　由于采用了觸摸屏，保護投退由一個總保護開關，擴展為每一項保護設置獨立的保護開關，各分項保護開關在觸摸屏上組態(tài)實現(xiàn)。各項保護投退相當于汽輪機保護系統(tǒng)的開環(huán)運行或閉環(huán)運行的選擇鑰匙，在保護退出時，汽輪機保護系統(tǒng)屬于開環(huán)運行，此時保護對應的運行參數(shù)異常，保護系統(tǒng)只發(fā)出報警，不會動作跳閘；在保護投入時，汽輪機保護系統(tǒng)屬于閉環(huán)運行，此時保護對應的運行參數(shù)異常，保護系統(tǒng)發(fā)出報警，同時動作跳閘，關閉主汽門。分項保護開關的設計，使得保護系統(tǒng)更靈活，現(xiàn)場工作人員可以根據(jù)運行情況投入部分最重要的保護功能，不滿足條件的保護暫時不投入。

　　PLC采集到的現(xiàn)場汽輪機報警信號、跳閘信號分別在觸摸屏報警畫面和跳閘畫面顯示，取代了以前用大量光字牌顯示報警跳閘的方法，大大減少了日常維護量。跳閘動作信號進行首次跳閘記錄，為分析汽輪機跳閘原因提供了很好的依據(jù)。PLC保護邏輯與觸摸屏之間通過對應的CotrolNet通訊協(xié)議進行實時通訊，從而保證了汽輪機運行參數(shù)在觸摸屏上顯示和進行事件記錄，在觸摸屏上進行的操作實時被PLC掃描，并在程序中執(zhí)行。

　　SOE記錄要求達到毫秒級別，需要在PLC中通過程序實現(xiàn)，并在PLC中記錄，把記錄結果在觸摸屏上顯示。

6 結束語

　　根據(jù)上述的思路和方法，由PLC控制的汽輪機保護系統(tǒng)已先后在沈陽新北熱電廠、壽光巨能熱電廠、通遼盛發(fā)熱電廠等數(shù)十個用戶單位的汽輪機設備上投入運行，結果表明系統(tǒng)的設計是合理的，系統(tǒng)在現(xiàn)場運行穩(wěn)定可靠，不僅提高了設備的自動化運行水平，減輕了現(xiàn)場人員的維護量，而且延長了汽輪機的運行壽命，有著明顯的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]周世平.300MW火電機組調試技術.北京: 中國電力出版社, 2002

[2]李建剛.汽輪機設備及運行.北京: 中國電力出版社,2006

[3]Rockwell Automation 《ControlLogix 選型指南》

[4]Allen-Bradley《系統(tǒng)用戶手冊 ControlLogix》