王莉郑州市商业技师学院河南郑州450000
中图分类号：TK16文献标识码：A文章编号：41-1413（2012）02-0000-02
摘要：本文通过以PLC为主的小型DAS系统和DCS计算机集散控制系统在电厂煤粉锅炉保护系统中两种设计应用特点分析，论述如何掌握在电厂设计中采用不同系统进行锅炉保护设计技巧。
关键词：安全保护PLC编程控制器上位机DCS控制系统
锅炉是电厂的大型重要设备，在运行过程中如果某一部分出现异常故障时，有可能发生设备损坏和人身事故，因此必须给锅炉燃烧配置保护系统。当锅炉在运行过程中出现异常情况，将危及锅炉安全时，保护系统动作，迅速使MFT动作，切断给粉系统、供油系统等重要设备，避免事故的进一步扩大和人员的伤亡。
锅炉燃烧安全保护系统保护的可靠性，直接影响电力系统的安全运行。上世纪九十年代中期以前，由于电厂资金有限及控制水平发展的限制，中小型电厂控制采用常规Ⅲ型仪表控制，锅炉保护系统采用常规的继电器设计。由于继电器控制回路运行速度慢、可靠性低、分散性大、构成复杂等缺点，极易造成拒动作或误动作。而且运行至今，存在设备老化、落后以及可靠性差的缺点,急需进行改造。在这些改造工程中，可采用以PLC为主的小型DAS系统，其主机采用新型的可编程序控制器，配以高质量的外围设备和丰富的监控、打印及追忆软件，使电厂锅炉保护系统更趋完善、可靠和直观。在新建电厂项目中，一般主厂房内采用DCS集散控制系统进行集中监控，锅炉保护系统作为一个重要的控制功能模块FSSS系统，设置在系统中。
一、以PLC为主的小型DAS系统控制功能
1．系统控制内容
（1）主保护功能（火焰保护/水位保护/燃料保护/炉压保护/送风机保护/低周波/引风机保护/机跳炉保护）。
（2）水位联锁功能。
（3）丰富的监视功能（逻辑图显示/相关量显示/报警区显示/接线图显示/事故追忆/系统编辑）。
（4）双机热备用，互为冗余，具有系统自检和自动切换功能。
（5）保护投退、停机原因、重要设备动作等打印。
2．系统构成
针对锅炉的具体条件，本着“经济、可靠、实用、安全”的设计原则，其系统构成如下图所示：
3．系统硬件组成
该系统主要有PLC机（以OMRON可编程控制器为例,可以根据需方的具体要求选择相匹配的PLC）、电源箱（包括保护投退钥匙开关及指示灯）、打印机、出口继电器及上位机（如研华2000型）等部件构成。
此外PLC输入点采用DC24V电源、输出点均采用DC24V/220VAC电源。
（1）PLC机部分
根据选用C200HE型CPU（这里以OMRON的PLC为例），支持880点I/O；使用RAM存贮器，程序容量7.2K；并带有锂电池保护程序；内部包括：工作区、保持继电器区、暂存继电器区、数据区等，能完成计时、计数、算术、逻辑、移位等多种运算功能。
①开关量输入模块采用ID212型，工作电压24VDC，输入阻抗3KΩ，16点一路公共端，每点均有相应的状态指示。
②开关量输出模块采用OC225型，220VAC/DC24V继电器输出，16点一路公共端，单点容量2A，公共端容量5A，每点均有相应的状态指示。
③开关量输出模块采用OC224型，220VAC/DC24V继电器输出，8对独立回路，每路容量2A，每一路可以输出不同的信号，每点均有相应的状态指示。
④采用标准RS232接口进行通讯，能与上位机/打印机连接。
⑤可与DCS系统进行通讯。
⑥编程格式用梯形图编程语言。
（2）电源箱部分
包括所有保护投入退出开关及投入退出指示灯、AC220V电源指示及DC24V电源指示表。
（3）火检部分
可采用国内先进产品，采用能集火焰物理位置测量、火焰策动燃烧测量为一体的产品，能同时把火焰的强度和频率作为判据，经过DSP运算，可同时输出开关量和4～20mA模拟量，作为FSSS输入或DCS监视参数。
4．系统功能
（1）保护功能:该套保护系统保护投、退开关均设在电源面板或操作面板上。
①火焰保护
炉膛（A层，B层）四角火焰，当有三个角失去火焰时（3/4），火焰保护投入，延时3S，MFT动作。
②炉压保护
炉压高：三个测点（三取二）同时满足，炉压保护投入，MFT动作。
炉压低：三个测点（三取二）同时满足，炉压保护投入，MFT动作。
③水位保护
水位高：水位高一值或水位高二值与水位高三值同时出现，且无安全门动作条件，水位保护投入，MFT动作。
水位低：水位低一值或水位低二值与水位低三值同时出现，且无安全门动作条件，水位保护投入，MFT动作。
水位联锁：汽包水位高一值，高二值同时满足，开事故放水门；当水位恢复到高一值时，关闭事故放水门；当安全门动作10S内，不自动打开/关事故放水门（转为手动）。
④燃料保护：给粉机全停和油分阀全关条件满足，燃料保护投入，MFT动作。
⑤送风机保护
两台送风机全停条件满足，送风机保护投入，MFT动作。
⑥引风机保护
两台引风机全停条件满足，引风机保护投入，MFT动作。
⑦机跳炉保护
机跳炉条件满足，机跳炉保护投入，MFT动作。
⑧手动停炉
手动停炉采用按钮和旋钮开关各一个，同时操作，MFT动作。
上述MFT动作后，工控机中首出相应的指示灯亮，报警，手动复位或吹扫完成信号自动复位。其具体保护项目和数量，根据用户要求而定，各保护的投退操作在操作盘上进行，也可以通过上位机进行“软操作”，投退保护时可参照上位机中各保护逻辑，使运行人员可以根据实际情况操作。另外在操作盘上还设有“手动停炉”按钮，在事故情况下，运行人员可按手动停炉停止锅炉运行。
（2）上位机监控功能
①监控软件
用WINDOWS通用管理软件，其功能满足：
能显示各个保护逻辑画面，并能实时显示各保护逻辑的开关量状态（火焰保护逻辑、水位保护逻辑、炉压保护逻辑、燃料保护逻辑、送引风保护逻辑、MFT动作逻辑、吹扫保护逻辑、火焰模拟、油下层点火、报警等）。
具有实时报警、历史报警。可对开关量进行状态报警，对模拟量进行双高、双低限报警、变化率报警及完成报警打印。
有丰富的数据类型。
对模拟量有实时趋势图和历史趋势图为运行人员作操作参考。
有丰富的组态功能，组态方便灵活，能实现管理、监视、控制等功能。
对各设备的控制信号及监测信号的监视。
MFT动作时，显示首出原因，并跳变到相应的停炉画面，并在报警窗口记录停炉内容。
事故追忆功能：MFT动作时，PLC记录事故发生前10S～后10S各保护动作开关量的状态，以便能够快速、准确地分析出事故原因，避免类似情况的发生。
②首出显示功能
在操作盘上设有“首出指示”，用以显示造成停炉的原因，便于事故后的处理和事故分析。
③复位功能
在操作盘上设有“复位”按钮，用于保护动作后复归各自保持接点，使系统恢复至正常状态。
④输出热工信号
可按设计要求为锅炉、电气、DAS系统、热工信号系统提供信号。
⑤打印功能
该套系统的打印功能的显著特点是：由PLC机所带打印模块连接打印机，并实时打印出保护投退开关的投退时间及内容、重要保护动作的时间和内容。
⑥冗余功能
电源采用双电源备用。当主电源发生故障时，自动切换到备用电源，主电源恢复，自动切回。
整个系统设计输入、输出点冗余量达10%。
整个系统设计空槽位冗余量达15%。
⑦网络通信功能
系统设有和各种计算机系统、DCS进行连接的通信接口。
二、DCS集散控制系统中的锅炉保护系统
1．系统功能
在DCS分散控制系统中，锅炉保护系统作为控制系统的一个功能模块，完全能够实现上述章节中所述的各项功能，这里不再复阐述，采用DCS系统控制功能更强大，能够做到：
监视锅炉的运行工况，检测锅炉燃烧火焰状况，并在检测到危害人员和设备安全的工况时，发出主燃料跳闸（MFT）信号；当发现危险工况时，停止一部分已投运的锅炉燃烧设备和有关辅机，快速切除进入锅炉的燃料量；
MFT（主燃料跳闸）发生后，维持锅炉进风量，以便清除炉膛内，烟道尾部和烟道中的可燃气体；
在5分钟吹扫完成及有关许可条件满足之前，阻止燃料重新进入锅炉炉膛。
2．锅炉保护逻辑控制要求
（1）所设计的各分项保护控制能进行自动顺序操作，目的是为了在机组启、停时减少操作人员的常规操作。在可能的情况下，各分项启动、停止能独立进行。
（2）对于每一个分项及其相关设备，它们的状态、启动许可条件、操作顺序和运行方式，均可在CRT上显示出系统画面。
（3）在手动顺序控制方式下，为操作员提供操作指导，这此操作指导以图形方式显示在CRT上，即按照顺序进行，可显示下一步被执行的程序步骤，并根据设备状态变化的反馈信号，在CRT上改变相应设备的颜色。
（4）运行人员通过手动指令，可修改顺序或对执行的顺序跳步，但这种运行方式必须满足安全要求。
（5）控制顺序中的每一步均通过从设备来的反馈信号得以确认，每一步都监视执行时间。
（6）在自动顺序执行期间，出现任何故障或运行人员中断信号，使正在运行的程序中断并回到安全状态，使程序中断的故障或运行人员指令在CRT上显示，并由打印机打印出来。当故障排除后，顺序控制在确认无误后再进行启动。
（7）运行人员可在CRT/键盘上操作每一个被控对象。手动操作有许可条件，以防运行人员误动作。
（8）设备的联锁、保护指令具有最高优先级；手动指令则比自动指令优先。被控设备的“启动”、“停止”或“开”、“关”指令互相闭锁，且使被控设备向安全方向动作。
（9）保护和闭锁功能是经常有效的，设计成无法由控制室人工切除。
（10）通过联锁、联跳和保护跳闸功能来保证被对象的安全。
（11）用于保护的接点(过程驱动开关或其它开关接点)是“动合型”的，以免信号源失电或回路断电时，发生误动作(采用“断电跳闸”的重要保护除外)。
（12）控制系统的组态考虑采用不同的分散处理单元或控制组件(如二进制卡件)，以防系统故障时二个被控设备同时失去控制。
3．系统组成
（1）软件组成
作为DCS的一个功能模块软件包，具有很强的组态、扩展功能，采用WINDOWS环境下操作软件，操作方便。
（2）硬件组成
主控单元采用双机热备份，双电源配置，大大提高了系统的可靠性，输入/输出采用可带电插拔的I/O模拟量或开关量控制模板，采用通道隔离和继电器固化输出技术，可方便不停电检修。
三、结论
在小型电厂设计或改造项目设计和工程总包中可采用以PLC为主的小型DAS系统，其优点是保护功能容易实现，调试方便，PLC联锁动作可靠性高，是我们今后从设计走向设计和工程总承包的一个发展选择方向。掌握其设计关键，对今后的电厂及其它工程设计及总包工作有非常重要的意义。其不足之处是从控制规模和功能看，有一定的局限性；在DCS控制系统中设计锅炉保护系统，必需充分考虑保护系统内容的逻辑输入条件，合理分配I/O模块，才能做到系统安全可靠。
参考文献：
[1]《火力发电厂热工控制系统设计技术规定》DL/T5175-2003
[2]于希宁刘红军编《火电厂自动控制理论基础》