基于PLC的汽轮机危急遮断系统

1、摘要：中宁发电有限公司的汽轮机危机遮断系统（Emergecy Trip System,ETS ）主要功能是监视汽轮机重要控制参数，当机组出现危险工况时，跳闸逻辑控制停机电磁阀，关闭全部汽轮机蒸汽进汽阀门，保护汽轮机的安全运行。可编程序逻辑控制器（Programmable LogicController, PLC），是一种应用广泛的控制平台，本文介绍了基于PLC 平台下的汽轮机危急遮断系统的设计及应用。关键词：汽轮机；PLC ；ETS 中图分类号：TK264.2文献标志码：B文章编号：1672-3643（2011）04-0035-05基于PLC 的汽轮机危急遮断系统袁晓东，王利锋，曲红斌（宁夏中

2、宁发电有限责任公司，宁夏中宁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作者简介：袁晓东（1976），男，助理工程师，从事火电厂热工检修工作。1汽轮机危急遮断系统（ETS ）的跳闸保护大型单元机组的特点是机、炉、电在生产

5、过程中组成一个有机的整体，由于有大量复杂的控制系统及装置，其相互间的关系非常密切，当其中某些环节发生故障后将会影响整个机组的安全运行，严重的故障可能导致停炉、停机，甚至危及设备和人身安全。1.1ETS 跳闸保护项目的设置为保障汽轮机的安全运行，汽轮发电机组在运行中发生下列情况之一时，应实现紧急停机保护：（1）汽轮机电液控制系统（Electro-Hgdraulic control system ，EH ）油压低；（2）汽轮机数字电液控制系统（Digital Elec tro-Hydraulic control system ，DEH ）超速；35··（3）冷凝器真空过低（3取

6、2）；（4）润滑油压力过低（3取2）；（5）轴承振动大；（6）轴向位移大；（7）手动停机；（8）DEH 失电；（9）发电机保护；（10）旁路保护；（11）电超速保护；（12）锅炉主燃丧失跳闸（Main Fuel Trip ，MFT ）；（13）高排压力高。这13项内容是ETS 系统遮断的主要内容。图1是由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Con troller ，PLC ）组态而成的ETS 的首出遮断报警画面。1.2控制要求（1）出现上述动作信号时，ETS 系统应能可靠动作，系统不应出现误动和拒动的情况。（2）出现上述动作信号时，ETS 应有首出记忆功能。（3）对3取2的

7、信号，如凝结器真空和润滑油压力，ETS 应具有在线监视功能。（4）ETS 应具有与分散控制系统（Distributed Control System ，DCS ）、汽轮机监测仪表（Turbine Su pervisal Instrument ，TSI ）、音响报警系统等的通信接口。（5）ETS 允许在线试验。2控制系统构成2.1系统概述上海汽轮机有限公司生产的危急遮断系统（ETS ）根据汽轮机安全运行的要求，接受就地一次仪表或TSI 二次仪表的停机信号，控制停机电磁阀，使汽轮机组紧急停机，保护汽轮机的安全。ETS 对下列参数进行监视，一旦参数超越正常范围，通过停机电磁阀，使所有阀门油动机关闭。

8、ETS 装置通过传感器监测汽轮机的运行情况。监测内容包括汽机超速110%；EH 油压低；润滑油压低；冷凝器真空度低；轴向位移大。为保障汽轮机在危急情况下的准确动作，基于PLC 平台下的ETS 系统在硬件组态中采用双通道设计，并实现重要信号的在线试验功能，机组运行时进行在线试验保护功能不切除。2.2系统组成ETS 装置有1个控制柜和1块运行人员用的实验面板。控制柜中有1套PLC 组件，1个转速控制箱，其中包括3个有处理和显示功能的转速报警器。1个交流电源箱，1个直流电源箱以及位于控制柜背面的2排出入输出端子（U1-U4）。ETS 系统PLC 选用美国AB SLC500型控制主机（5、05CPU

9、），编程软件为RSLOGI500，配置热备冗余电源给机架供电。控制系统PLC 按双机热备并行工作来配置的，由2块1746-P4电源模块、2块1747-1551B （505CPU）主控制器、8块1746-IB16数字量输入模块、6块8点数字量输出的1746-0X8继电器输出模块、4块16点输出的数字量输出模块、10槽位的机架、操作面板、转速转换器等组成。ETS 系统由下列各部分组成：1个安装遮断电磁阀和状态压力开关的危急遮断控制块；3个安装压力开关和试验电磁阀的试验遮断块；3个转速传感器；1个装设电气和电子硬件的控制柜以及1个遥控试验操作面板。汽轮机上各传感器传递电信号给遮断控制柜，在控制柜中，

10、控制器逻辑决定何时遮断自动停机危急遮断总管的油路。图2是汽轮机危急遮断系统（ETS ）框图。2.2.1危急遮断控制块当自动停机遮断电磁阀（20/AST）励磁关闭时，自动停机危急遮断总管中的油压就建立了。为了进行试验，这些电磁阀被布置成双通道。1个通道中的电磁阀失磁打开将使该通道遮断。若要使自动停机遮断总管压力骤跌以关闭汽机的蒸汽进口阀门，2个通道必须都要遮断。20/AST电磁阀是外导2级阀。EH 抗燃油压力作用于导阀活塞以关闭主阀。每个通道的导阀压力图1危急遮断系统（ETS ）首出遮断报警画面36··由63/ASP压力开关监测，这个压力开关用来确定每个通道的遮断或复通状态，

11、以及作为1个联锁，以防止当1个通道正在试验时，同时再试另1个通道。2.2.2危急遮断试验块每个试验块组装件由1个钢制试验块、2个压力表、2个截止阀、2个电磁阀和3个针阀组成。每个组装件被布置成双通道。安装在前轴承座上的试验块组装件（该组装件一侧是从系统供油经节流孔流入，而另一侧与泄油或通风阀相连）与安装在附近的端子箱上的压力开关相连接。在每个通道中均有1个节流孔，以使试验时被检测参数不受影响。在供油端有1个隔离阀，它允许试验块组件检修时不影响系统的其他部分。为了更换试验块上除压力表外任一元件，首先必须关闭隔离阀，然后打开手动试验阀泄放试验块中的介质。在更换时，须确保遵守相应的清洁、清洗抗燃油的

12、维护及管理程序等。压力开关和压力表可以关闭相应的截止阀而从系统中隔离出来。在试验块中的介质被泄放后，这些截止阀就应打开，以保证在复置自动停机前，全部截止阀是重新开启的。如果介质（压力或真空）达到停机值，压力开关将动作，并且引起自动停机遮断总管中油压泄放而遮断汽轮机。当在试验时，可以通过就地的手动试验阀，或者通过遮断试验盘遥控试验电磁阀，使所试验通道中的介质降到遮断停机值。2.2.3危急遮断控制柜危急遮断控制柜采用以PLC 为主体的ETS 新产品，就其功能而言既能满足对汽轮机保护的控制要求，更具有结构可靠，性能完善，外形美观等优点，它采用冗余的可编程控制器作为逻辑控制元件，增强了逻辑功能，提高了

13、产品的灵活性和可靠性；增设了首出动作原因的记录；设置有多通道外控停机选择。PLC 组件是由1套双机热备的PLC 组件：主PLC （MPLC ）和备用PLC （BPLC ）组成。PLC 组件用智能遮断逻辑，必要时提供准确的汽轮机遮断；CPU 含有遮断逻辑；I/O接口组件提供接口功能；MPLC 为主控制器，提供全部遮断、报警和试验功能；BPLC 为含有全部遮断、报警和试验功能的备用的PLC 单元。如果MPLC 故障，BPLC图2汽轮机危急遮断系统（ETS ）冷凝器真空1轴承油压1EH 油压1逻辑通道1号操作显示器停机报警输出用户遥控汽机停机（部件1号）超速停机220VAC 2号遥控复置用户遥控汽机

14、停机（部件2号）轴向位移（报警及推力轴承停机2号）逻辑通道2号220VAC 1号EH 油压2冷凝器真空2轴承油压2位于前轴承座上（接线至端子盒A ）位于前轴承座上（接线至端子盒A ）位于推力轴承TBS2PU/QS2PU/QS1PU/QS3转子位于前轴承座上（接线至端子盒B ）SS常开二通电磁阀常闭二通电磁阀压力开关自动停机先导自动停机遮断轴承油压低EH 油压低冷凝器真空低超速发送器轴向位移轴向位移模拟盒37··将自动无扰切换为主控，允许机组继续运行并起保护作用。3个转速报警器能够将独立的磁阻发生器的输入信号进行数字处理，并且当转速超过额定转速的10%（3300r/min）时

15、，继电器的触点动作。超速保护采用3选2方式，这3只传感器装在同1个齿轮旁。ETS 现场接口有2排端子排，提供了与下面设备相连的接点：来自3个独立的转速探头的信号；到遮断电磁阀的电源；监测遮断状况的压力开关；对汽机运行时重要的监视参数，如轴承油压、EH 油压和冷凝器真空度等进行监测的压力开关；轴向位移传感器；对查检运行状况进行控制的试验电磁阀；当ETS 探测到某个故障情况时连接到外部（电厂）声光报警的输出信号；遥控遮断输入信号，当手动遮断机组或遥控停机时，自动遮断机组。3硬件、软件配置3.1PLC 系统配置ETS 系统采用2套软件和硬件都完全一样而又彼此独立的PLC 系统并联运行，任何1套PLC

16、 系统故障或停运都不影响另1套PLC 系统的正常运行，也不会引起输出信号状态的改变。常规的冗余设计只是采取双CPU 加CPU 切换模块与通信模块的方式，一主一备运行，只有在主CPU 软件故障时自动切换到备用CPU 运行，这种结构对于输入/输出模块损坏而引起的故障是没有任何效果的。ETS 系统采用的这种软硬件冗余结构，运行时，2套PLC 完全独立而又并联运行，每套PLC 都是主控运行系统，任何1套PLC 系统的软件或输入/输出模块故障后，另1套PLC 系统仍能正常工作，当机组出现危急情况时，ETS 仍能可靠地发出停机信号。ETS 系统之所以要采取这种软、硬件1:1的冗余结构，是ETS 系统在保证

17、电厂机组安全中的重要性所决定的。交流电源板要求接入2个独立的交流电源，其中1路电源为UPS 供电，如果1个电源出故障，PLC 将继续无扰动运行，2路独立的交流电源由热控电源柜直接送入ETS 控制柜下部的交流电源盒。操作员实验面板装在ETS 机柜后面，作为机组正常运行时信号的监视和运行人员在线实验操作手段。3.2PLC 的硬件SLC5/05是AB CONTROILOGIX 系列自动化产品，可按系统要求配置的模块化结构，能够对中规模至大规模的控制系统进行系统组态、逻辑控制、顺序控制、联锁控制、PID 回路调节，以满足最高性能的应用要求。它具有以下优越性：（1）采用冗余的可编程控制器作为逻辑控制元件

18、，增强了逻辑功能，提高了产品应用的灵活性和可靠性。（2）增设了第一动作原因的记录。（3）设置多通道外控停机选择。（4）使用高速的工业级控制器，扫描速率极高，大大提高了系统输入/输出速度。（5）系统具有极高的可靠性和性价比。（6）在重要应用中，输出模块的输出点可预设“故障”状态。（7）绝缘电平高，恶劣电气环境下的抗噪声干扰性能好。（8）高精度模拟量I/O。适用于过程的紧密监视与控制。（9）电源、CPU 及其他任何模块均可带电插拔，是故障维护时间减少到最小，提高系统的可靠性。（10）逻辑运算和I/O处理时间短，利于处理有高速需求的机器控制和信号加工。3.3PLC 的软件RSLogix 500能够提

19、供强大的功能，具有高级诊断功能，可靠的通讯，以及方便易用的界面。RSLogix 500提供了用户希望编程软件包具有的每一种功能，从项目的统一视图到统一播放编辑功能，其特点是：（1）灵活易用的编辑器；（2）点中一点击方式进行输入/输出组态；（3）强有力的数据库编辑器；（4）诊断和排错工具；（5）可靠的通讯特点；（6）符号化编程：把文档和编程功能集成在一起加快了编程速度；38··（7）自动地址：分配管理数据表并跟踪I/O使用信息；（8）交叉参考信息：可显示与某一地址相关的所有指令，梯级数和程序文件的列表；（9）高级诊断；（10）在梯形图编程完成前后要完全定义I/O，智能块才能传

20、送数据至模块进行组态和监视屏幕。4控制组态设计采用PLC 系统控制软件RSLogix 500创建可编程逻辑控制程序的标准软件编辑。控制系统控制逻辑如图3所示，图中只画出了“轴向位移”和“润滑油压低”两个停机信号的逻辑框图，其它停机信号逻辑都与此相同。5结束语宁夏中宁发电有限责任公司2×330MW 2台机组自2004年11月投产以来，出现多次机组停机事故，每次ETS 系统都能可靠动作，没有出现ETS 误动的情况，从ETS 系统这一段时间的运行情况看，系统是稳定可靠的，完全满足系统的设计控制要求，很好地保证了机组的运行安全。图3轴向位移保护逻辑组态实例轴位移1RP1轴位移2RP2轴位移2RP2轴位移1RP1I ：2选择电机侧轴位移2SELRPGEN2选择电机侧轴位