火电厂输煤程控系统故障自诊断及安全设计终稿

1、浙江大学远程教育学院本科生毕业论文（设计）题 目 火电厂输煤程控系统故障自诊断及安全设计 专 业 电气工程与自动化学习中心 辽宁锦州电大奥鹏学习中心姓 名 李 红 军学 号 L20760020407指导教师 应 群 民2009年4月30日摘要本文通过可编程序控制器在火电厂输煤程控系统中的广泛应用的实际情况，以可编程控制器的逻辑设计做为输煤系统机电设备故障诊断的基础，重点对火电厂输煤程控系统出现故障时的诊断及安全设计进行了阐述和分析，旨在引起共鸣，让相关技术人员认识到设计一套稳定、安全、便于操作和维护的控制系统的重要现实意义。关键字：输煤程控；故障诊断；安全；PLC目录一、海运输煤程控系统概述4

2、二、输煤程控系统的组成4（一）网络拓扑结构4（二）硬件系统的构成51、中控制室程控设备52、#1变电所控制室设备设备63、#2变电所控制室设备7（三）软件系统的配置8三、输煤程控故障诊断及安全设计的必要性9四、输煤程控故障诊断及安全设计具体方案9（一） 输煤程控系统故障类型及安全条件91、主要控制对象和信号92、主要故障类型10（二）故障诊断设计101、输煤设备的运行状态矛盾诊断 102、输煤设备动作联锁条件故障 113、动作不到位或指令发出后未动作诊断；124、分步控制出错诊断135、其它故障诊断需要15五、 设计小结16火电厂输煤程控系统故障自诊断及安全设计一、海运输煤程控系统概述 本工程

3、是为绥中电厂2台80万千瓦超临界机组煤炭水陆运输服务的建设项目。利用原绥中港重件码头中的1个泊位改建停靠10000DWT自航驳船泊位，从绥中港到电厂新建一条带式输送系统，年转运量为350万吨，码头卸船采用2台卸船能力为650t/h的轻型式抓头卸船机。港内带式输送机以地面敷设为主，港外带式输送机全部设在高架栈桥上。本工程设有两座带式输送机转接平台和五座转接机房，带式输送机栈桥、变配电所和箱式变电站各两座。中控室设置在电厂输煤系统控制室内，全部生产采用PLC控制。系统要求煤炭从卸船机卸下，经过BC-1至BC-8皮带机、#1、#2犁煤器输送到电厂内，全过程实现程序控制、监测、报警、显示等功能。二、输

4、煤程控系统的组成本系统设置一个本地站，四个远程I/O站。本地站设在输煤系统中控室，#1、#2远程I/O站设在#2变电所，#3、#4远程I/O站设在1#变电所。整个系统监控对象主要包括：变电所低压及高压设备的三遥系统、码头前沿及输煤栈桥照明系统、运煤工艺系统、除尘系统及冲洗水系统；共设计DI点数总计1120点、DO点数总计352点、AI点数总计112点，其中包括备用点数约20%；本文主要针对运煤工艺的PLC逻辑设计进行探讨。（一）网络拓扑结构海运输煤程控系统各控制柜、操作台的电气连接全部为接线端子连接。#1变、#2变控制室的PLC柜、继电器柜并柜使用，两柜内的电气直接连接。#1变、#2变控制室的

5、PLC柜、变送器柜之间的连接直接用电缆连接，无需经过接线端子。主站、远程站之间通讯通过接口模块、同轴电缆连接。由于距离较远，所以在中控室、1#变、2#变之间采用光纤通讯。在中控室PLC柜内用两个光纤中继器将同轴电缆信号转换为光纤信号，在1#变、#2变PLC柜分别用两个光纤中继器将光纤信号转换为同轴电缆信号。另外，在1#和2#变之间增加一个光纤中继器柜，内设两个光纤中继器，来放大信号。CPU与CGP采用电缆、SA85卡进行连接（见图2-1）。图2-1 控制网络结构（二）硬件系统的构成1、中控制室程控设备中控室的程控设备是输煤程控系统的核心部分，主要包括CPU及通讯设备及电源设备等。PLC控制柜为

6、整个系统的主机柜，内装有昆腾系列的CPU 43412一个，十槽机架一个、双通道接口模块CRP 932一个、输入模块DDI 35300一个、输出模块DDO 35300一个、电源模块CPS 11410一个、光纤中继器490NRP 9540两个、继电器15个、二极管15个和一些附件；设计DI及DO点数均为32点（见图2-2）。CPU通过接口模块、光纤中继器、光纤等与#1、#2变电所的远程站进行通讯。CPU采集远程及本地的各种输入信号，进行运算、处理，将控制信号送到本地及远程的输出模块，进行各种控制。CPU模块上有一个MB+接口，通过MB+接口与CGP组成了一个MB+网，可以在操作台上的CGP上对整个

7、系统进行监视、控制、显示及数据打印等功能。UPS柜内装有2KVA，续航能力为30分钟的APC-1000 UPS电源，用来为给PLC及CGP供电。图2-2 主站模块配置2、#1变电所控制室设备 #1变电所控制室内程控设备主要包括PLC柜、继电器柜、变送器柜及电源柜等设备。PLC柜内设备为输煤程控系统的#3、#4远程I/O站，内装有十六槽机架两个、双通道接口模块CRA 932一个、输入模块DDI 35300十五个、输出模块DDO 35300四个、模拟量输入模块ACI 040四个、ESI 06210模块一个、电源模块CPS 11410两个、光纤中继器490NRP 9540两个和一些附件；其中#3远程

8、站设计DI总点数为448点（见图2-3），#4远程站设计DI总点数为128点、DO总点数为160点、AI总点数48点（见图2-4）；均按照20%考虑备用点数。继电器柜柜内装有、继电器130个、二极管130个。用来作为输入、输出模块与现场信号、供电设备之间的隔离。 变送器柜内装有三输入三输出电流变送器8个，单输入电流变送器11个，三输入三输出电压变送器4个，但输入电压变送器8个，负责采集#1变电所内负荷的电流、电压信号。电源柜装有24V,20A直流稳压电源一台，提供#1变PLC柜内PLC输入、输出模块和控制回路的直流24V电源。同时电源柜内装有1KVA，续航能力为30分钟的UPS电源，用于给 #

9、3、#4远程I/O站供电。图2-3 #3远程站模块配置及点数图2-4 #4远程站模块配置及点数 3、#2变电所控制室设备同样，与#1变电所控制室内一样，#2变电所控制室内程控设备同样包括PLC柜、继电器柜、变送器柜及电源柜。电源柜装有24V,20A直流稳压电源一台，提供给2#变PLC柜内PLC输入、输出模块和控制回路的直流24V电源。柜内装有1KVA，续航能力为30分钟的UPS电源，用于给PLC设备供电。PLC柜为#1、#2远程I/O站，内装有十六槽机架两个、双通道接口模块CRA 932一个、输入模块DDI 35300十七个、输出模块DDO 35300四个、模拟量输入模块ACI 040三个、电

10、源模块CPS 11410两个、光纤中继器490NRP 9540两个和一些附件。其中#1远程站设计DI总点数为384点、AI总点数为32点（见图2-5），#2远程站设计DI总点数为128点、DO总点数为160点、AI总点数32点（见图2-6）；均按照20%考虑备用点数。继电器柜柜内装有、继电器130个、二极管130个。用来作为输入、输出模块与现场信号、供电设备之间的隔离。变送器柜变送器柜柜内装有单输入电流变送器27个，单输入电压变送器13个。，主要用来采集1#2变电所内负荷的电流、电压信号。图2-5 #1远程站模块配置及点数图2-6 #2远程站模块配置及点数（三）软件系统的配置本系统是一个典型的

11、SCADA系统。上位监控系统设备由操作台面按钮、两台工控机（配置SA85卡、网卡）、集线器、打印机等组成。工控机上除了可完成流程设定、流程选择、流程起停、全屏或分画面显示流程中各设备的工作状态等外，还可完成流程设备的故障监视、报警，并可以即时自动打印报警、报警和数据的存储等。软件的设计力求功能全面、操作简单、运行可靠。上位机系统结构及软件配置如下：操作系统：Windows 2000 Server &Windows 2000 Professional。监控软件：IFIX3.0中文版，该软件在功能和易用性方面得到极大增强，使用户能在面向广泛的HMI/SCADA应用时可建立更为安全、强大的监控和数据

12、采集系统。因本控制系统PLC选用施耐德公司的昆腾系列，CPU为14043412A，所以PLC编程软件为施耐德公司的Concept2.2软件。本系统采用Server/Client 结构，其中一台工控机包含Server 和Client1,作为服务器从PLC采集数据，提供RTDB,AlarmDB,历史数据库等服务，同时可做为客户机使用。另一台工控机包括Client2做为客户机，同时兼做系统工程师站。工控机上除了可完成流程设定、流程选择、流程起停、全屏或分画面显示流程中各设备的工作状态等外，还可完成流程设备的故障监视、报警，并可以即时自动打印报警、报警和数据的存储等。监控画面的设计力求功能全面、操作简

13、单、运行可靠。三、输煤程控故障诊断及安全设计的必要性由PLC构成的输煤程控系统，就PLC本身而言，一般故障率较低，是相对稳定可靠的，但构成输煤系统的还有各种各样的传感器、电动机、接触器等电器设备或元件。这些电器元件，即使在设计的时候可以选择优质产品，也难免出现故障，尤其现在百万机组越来越多，输煤系统越来越庞大，但检修运行维护人员却越来越少，一旦出现故障后不能及时恢复生产，带来的损失是巨大的。另外，火电厂的输煤系统设备多，点多线长，设备启停频繁，在设备启动、运行过程中经常会出现启动不成功或异常停车的故障，缺陷的处理速度取决维护人员对设备的熟悉程度和分析能力，给设备维护人员造成了很大的压力；同时因

14、燃料设备所处环境煤粉、冲洗水等原因造成现场环境十分恶劣，造成输煤程控的一次检测元件损坏率极高，有时在设备停车期间元件已经损坏，但很难及时发现，一旦输煤设备不能正在启动，然后在联系维护人员检查分析，会造成大量的时间浪费，工作效率低下。针对以上问题，结合PLC的强大功能，可以通过编制诊断逻辑，对输煤设备启动前、运行中的检测元件和执行设备的状态判断，形成基于PLC控制系统的故障自诊断逻辑和必要的安全设计，再结合监控软件诊断画面设计，给操作者一个安全、简单、直观的操作方法和操作界面。一旦出现故障，系统既能保证运行设备安全稳定，又能明确的显示故障的性质和故障点，便于维修人员采用简单的方法、以最短的时间快

15、速修复，排除故障，使系统恢复正常，减轻维护人员的劳动强度，提高工作效率。四、输煤程控故障诊断及安全设计具体方案（一） 输煤程控系统故障类型及安全条件1、主要控制对象和信号整个海运输煤程控系统在运煤工艺上的主要监控对象为：BC-1、BC-2低压皮带机； BC-3、BC-4、BC-5（双电机驱动）、BC-6、BC-7、BC-8高压皮带机，#1、#2犁煤器；电动三通挡板；#2转向平台除铁器以及与电厂煤场输煤系统的联锁控制。系统各设备的控制及检测信号如下 输煤皮带机的检测信号有：拉绳信号、轻偏信号、重偏信号、失速信号煤流信号、堵塞信号、纵向撕裂信号、涨紧信号、运行确认、皮带机过载、电源通、电源分闸、电

16、源故障、制动器过载、制动器电源通、制动器电源分闸、制动器电源故障、机侧操作、远程操作等；控制信号主要有皮带机启停、制动器启停、警铃启停等。犁煤器的检测信号有开到位、关到位；控制信号有抬起、落下等。 电动三通挡板检测信号有位置开到1位、位置2开到位；控制信号有开到位置1、开到位置2等。除铁器的检测信号有合闸信号、分闸信号、除铁器运行信号、除铁器在弃铁区、除铁器在皮带上；控制信号有电源合闸、电源分闸、除铁器进皮带、除铁器出皮带。2、主要故障类型输煤系统的故障判断是建立在实时监测基础上的，从性质划分有两类故障，一类是可由生产现场检测元器件状态判断的，如落煤管堵煤、皮带跑偏等、限位开关动作、电气保护动

17、作等，另一类则需通过PLC控制系统作相应的处理、分析才能够确定的，如犁煤器、三通挡板不到位故障等、皮带启动分步故障及联锁条件故障等。对这两类故障，通过PLC控制逻辑进行诊断，再结合监控软件的选择功能，都能及时捕捉并进行报警。（二）故障诊断设计1、输煤设备的运行状态矛盾诊断 在输煤程控系统中使用有多种传感器，这些传感器多为开关量型，如接近开关、行程开关等，正确的判断这些传感器的状态对设备安全和维护有着十分重要的意义。以设置在BC-2皮带头部的盘式除铁器的为例。其自动工艺设计为：当PLC检测到BC2皮带运行信号的第一个脉冲时将除铁器电源投上，并将小车开到皮带侧即工作位置，除铁器开始工作。当PLC检

18、测到BC2皮带停机信号时将小车开到皮带外侧即弃铁区，当开到弃铁区时将除铁器电源断开，除铁器停止工作。该除铁器有两个位置开关，一个为工作位置开关（K1_CT)，一个是弃铁位置开关(K0_CT)，以下程序表示如何判断该除铁器位置开关的状态。在下图中，定时器TON是除铁器从弃铁区到工作区的行程时间延时接通点，实际设定时间比正常行走时间略长。通常来讲两个位置开关不能同时断开也不能同时接通。同时接通可能有短路故障，同时断开可能存在断路故障，如果出现，将会出现故障报警（fault_ctk)。结合监控软件的设定，还可以进一步的对故障类型进行判断。图4-1 除铁器位置开关故障诊断设计从上面设计思路可以看出，类

19、似的设备还有电机的正反转、犁煤器的上升和下降到位行程开关均不能同时出现，都可以套用该思路进行故障诊断设计。2、输煤设备动作联锁条件故障 输煤系统的通常联锁设计原则为：所有设备按所选择的顺序，逆煤流方向启动；顺序停机时，每台设备之间按预定的延时时间顺煤流方向逐台停止运行（延时时间以皮带上余煤流完为准）。在运行设备中，当任一设备发生事故跳闸时，立即联跳逆煤流方向的设备。皮带发生严重跑偏和严重打滑时，延时2s停运本皮带机，并联跳逆煤流方向设备。为了将海运输煤系统皮带与电厂煤厂皮带#5皮带及上煤皮带#7/2A、7/2B联络起来，在该中转处安装了2台犁煤器，其流程示意简图如下：图4-2 海运输煤皮带与电

20、厂皮带流程简图在本系统中特有的联锁设计是：海运输煤系统#1、#2犁煤器与电厂煤场皮带联锁设计，其联锁要求为：出现以下三种情况之一，即判断为电厂煤场皮带故障，提示故障信息(下图fault_fallow)：若#1犁煤器落下(KVN_LMQ1)、#2犁煤器抬起(KVP_LMQ2)，即流程选择1(SELECT_1)，而电厂煤场皮带7/2A未运行(KRU_207A)。若#1犁煤器抬起(KVP_LMQ1)、#2犁煤器落下(KVN_LMQ2)，即流程选择2(SELECT_2)，而电厂电厂煤场皮带7/2B(KRU_207B)未运行。若#1犁煤器、#2犁煤器同时抬起，即流程选择3(SELECT_3)；而电厂5段

21、未运行(KRU_5)。图4-3 海运输煤系统#1、#2犁煤器与电厂皮带联锁设计图4-3 海运输煤系统#1、#2犁煤器与电厂皮带联锁设计3、动作不到位或指令发出后未动作诊断； 在输煤程控系统中，电动三通管、犁煤器和除铁器的不到位故障的诊断过程是相似的，是根据控制系统(上位机或PLC)发生切换命令的时间、上/下(左/右)限位开关断开时间和相对应的限位开关闭合情况来分析、判断。以电动三通为例，由于以前三通使用过程中经常发生卡涩而损坏电机，因此设计时加入了程序保护功能。其原理是，当三通无论正转(KRA_ST)还是反转(KRB_ST),超过一定时间(ST_M1)而限位开关未动作时，发出指令去断开启停回路

22、，从而保护电机。此信号亦送至上位机，发出报警信息（fault_ST)，以提请运行人员注意。、图4-4 增设定时保护的电动三通设计4、分步控制出错诊断在整个输煤程控系统中，皮带机的起动是最大的一个分步控制，其中本工程中皮带机分三种操作方式：本地操作、集中手动操作、自动操作。通常皮带机的起动必须满足以下几个条件：电源通：电机电源、制动器电源。若为高压电机则高压柜小车必须推进去.(见下图POWER_BC7)分部允许：PLC程序将每条皮带机的启动允许条件分成若干个条件，当这些条件全部满足时方可启动皮带机。这些条件主要包括电机过载、制动器过载、电机接地、拉绳开关、二级跑偏开关、堵料开关、涨紧开关、皮带撕

23、裂开关、重打滑开关等报警信号。当以上报警信号都没有发生时分部允许条件才满足。(见下图 ALLOW1-BC7、 ALLOW1-BC7、 ALLOW1-BC7）允许条件：当电源通、分部允许条件、皮带机操作箱转换开关位置在远程位置这三个条件全部满足时允许条件满足，即允许操作皮带机。（见图中ALLOW-BC7）图4-5 BC-7皮带启动的允许条件 自动操作由PLC控制皮带的启动、停止，启动时在控制室计算机上操作。停止时可以在计算机上停止，也可以在就地停止。自动启动指令发出后启动全流程皮带的警铃30秒钟后发出BC-8皮带机自动启动指令，BC8按照集中手动程序启动5秒钟后发出BC7皮带机自动启动指令，从B

24、C8BC1依次启动。仍以BC-7皮带为例，当接受到启动指令后，BC-7皮带警笛响起（下图中的KR04_BC7)，在延时10S后，BC-7皮带的制动器打开(下图中KR03_BC7)，在第30S后，BC-7皮带启动(下图中J_BC7)，J_BC7线圈动作后，其常闭节点打开，切断BC-7皮带警笛，皮带启动成功。图4-6 BC-7皮带的启动 若有不具备条件而启动皮带机时，通过PLC逻辑进行综合判断，在结合上位监控软件的选择，在监控画面发出报警信号，可根据提示查找故障并排除故障。联锁条件：即后流程皮带机是否启动，若没有启动则 不允许启动该条皮带机。若实际情况需要启动该条皮带机时，可在启动前将该条皮带机的

25、联锁解除。皮带作业输煤程控中的主要设备，针对皮带故障的诊断设计十分重要，从前面的叙述可以看出为了满足皮带的运行要求，需检测的信号很多，通过在监控画面设计“系统状态”界面，在系统启动前，针对“系统状态画面”的显示，可以查看系统是否满足程控条件，如果没有进行“系统状态”查看而直接进行操作，如果系统满足运行条件所做的操作是有效的，否则操作是无效的，且系统将弹出“操作无效”的警告对话框，并指明错误所在。除了在监控画面做必要的设计，其诊断功能仍借助PLC的控制逻辑。从下图可以看出，当在图4-7中所体现的BC-7皮带启动条件中有不满足启动要求的，对四个主要条件将触发报警线圈并自保持（图中FAULT_BC7

26、)锁定，只有在真正的故障消除，在通过故障复位（图中R_ FBC7)，才能真正的消除报警信息。图4-7 BC-7皮带故障综合报警当皮带出现综合报警后，同样通过PLC针对检测元件单独做报警逻辑，能够在进一步报警信息确认后，得出具体的检测元件报警，以跑偏开关故障报警为例，（见下图中KBA11_BC7、KBA22_BC7、KBA33_BC7、KBA44_BC7），跑偏开关信号是实际进入PLC输入模块的开关量测点，结合监控软件的设计能够确认出具体是哪一组跑偏开关动作。在本设计中，为了减少控制点数，采用两个在皮带两侧对应的跑偏开关为一组的设计，通过以上设计，运行人员至少能得到哪一组跑偏开关故障信息，可以直

27、接去该组开关所在位置进行检查，提高了工作效率。图4-8 BC-7皮带二级跑偏报警5、其它故障诊断需要 远程I/O站的模块状态诊断及通信诊断，尤其是通信诊断设计尤为重要，因为通信出现问题，检查不直观，排除难度大，因为，在输煤程控诊断设计中，应重点对通信状态进行检测和诊断。 通过在Concept 中用IEC 编程，可通过功能块PLCSTAT 获得QuantumPLC内部的一些系统状态，此功能块的输出PLC-STAT 包含了11 个字，RIO-STAT 包含了160 个字，DIO-STAT 包含了106 个字，注意此功能块的输出DIO-STAT 仅与RIO 分站上的状态信息相关，而不是DIO 分站上的信息；要获得某个RIO 分站或某个DIO 分站上I/O 模块的状态，可分别用功能块RIOSTAT 或DIO