1-输煤系统工艺流程

提高大型电厂输煤系统功能安全的研究黄冠宇(上海工业自动化仪表研究所，上海200233)摘要：根据可门电厂两套600MW电厂输煤控制系统应用实践，对提高大型电厂输煤控制系统功能安全进行了初步研究.提出了优化系统设计、保护现场设备、加强软件故障诊断和采用双机热备冗余等措施，提高了系统的安全性。关键词:输煤控制功能安全设备保护故障诊断0引言随着工业技术的迅猛发展，工业控制系统功能安全的要求越来越受到重视。对于电厂、化工厂、冶炼厂等用户来说尤为重要。在我国大型热电厂中所采用的绝大部分燃料是燃煤。由于煤产地与电厂间地理位置或地域不同，就需通过汽车、火车或轮船把煤运往火电厂煤场，由卸煤系统、堆煤系统、上煤系统和配煤系统等组成的输煤程控系统输送到指定的煤仓或煤筒。电厂输煤系统是电力生产过程中非常重要的外围辅机系统，输煤系统安全可靠运行是保证电厂实现安全、高效不可缺少的环节。输煤控制系统的功能安全是整个电厂大系统SIL的重要部分。福州可门火电厂隶属中国华电集团公司，工程规划容量为8×600MW燃煤发电机组。一期工程建设2×600MW超临界燃煤机组，输煤控制系统是一期项目辅机系统的重要组成部分。1输煤系统工艺流程输煤系统由卸煤、运煤、堆煤、取煤、配煤等5个子系统组成，工艺流程如图1所示。卸煤系统是指码头来煤卸船机卸煤系统，火车来煤的翻车机卸煤系统；运煤系统指各级的输送皮带、三通挡板、辊轴筛、碎煤机以及相应的保护装置；堆、取煤系统指斗轮机系统；配煤系统指煤仓层皮带的犁煤器系统或配煤小车系统。可门电厂输煤系统主要设备有A、B两路共18条皮带，2套辊轴筛、碎煤机，12个煤仓及22套犁煤器及除尘器和保护开关等。煤场至主厂房的皮带机为双路布置，一路运行，一路备用，也可双路同时运行，通过不同皮带的组合组成几十条不同的运煤路径，输煤系统设计预定义流程和自定义流程，预定义路径是指预先定义好的有固定皮带和相应的设备组成的路径；自定义路径是操作员可以根据实际的设备状况自己选择设备组成的运煤路径。通过这些路径煤流从煤源流送至煤仓。输煤系统具有程序控制、软手动控制和就地手动控制等3种控制方式，可以由运行人员根据生产的需要和设备的状态随意切换。1.1程序控制方式输煤系统的主要运行方式可分为自动启动与定时启动两种。自动启动根据现场出现低煤位信号后，系统按预先设置好的运行方式自动启动系统工作；定时启动根据每个班上煤的要求，在CRT操作站上启动系统工作。1.2软手动控制方式软手动控制方式分为联锁手动和解锁手动两种。联锁手动在输煤控制室操作台上对现场设备按照选择的流程按逆煤流方向一对一启动运行，按顺煤流方向一对一停机；解锁手动则可由运行人员随意启停设备（这只可在对设备进行试验时采用）。1.3就地手动控制方式在现场就地操作时的启动运行方式，仅作为调试或检修手段。紧急情况下，可操作急停按钮，使现场所有运行中的受控设备（除碎煤机延时停机外）立即停机。输煤控制系统具有控制设备多、工艺流程复杂、设备分散面积大、人工作业通信难以畅通等特点，沿线环境条件恶劣，粉尘、潮湿、振动、噪声、电磁干扰等都很严重。整个输煤控制系统是火电厂十分重要的支持系统，是保证机组稳发满发的重要条件，因而提高输煤系统的安全性和图1输煤系统工艺流程图水路来煤汽车来煤铁路或堵煤信号磨煤机高位原煤仓高/低位连续煤位粉仓粉位(直吹式锅炉没有)堵煤信号筒仓高位连续料位堵煤信号锅炉皮带煤流信号煤堆可靠性，实现适应输煤系统特定环境下系统的功能安全关系到整个电厂的安全和可靠运行。2可门电厂输煤控制系统的构成针对输煤系统设备分布范围广的客观实际，可门电厂输煤控制系统采用上位机和PLC加现场总线的控制结构方式，由HIRSCHMANN工业以太网交换机（RJ45和光纤模块）、双机热备PLC、MB+转DP网关及图尔克现场总线I/O站等组成。整个输煤控制系统共设置两台互为冗余的上位机及一台工程师工作站，都通过通信接口连在数据通信网络上。PLC的CPU通过现场总线对整个输煤系统中的设备进行数据采集和控制，通过上位计算机的人机接口对系统设备发出控制命令，同时系统中各设备的运行状态信息在上位机CRT上直观、动态地显示出来。上位机和PLC之间通过数据通信接口进行通信。现场总线协议采用开放的Profibus-DP协议。上位机与PLC之间是通过工业以太网连接的。上位机、工程师站、辅网控制系统都通过设在控制室内的冗余以太网交换机交换数据。上位机与PLC通信层所使用的以太网交换机、输煤系统与MIS/SIS系统、堆取料机系统等也通过以太网交换机的光纤模块进行通信。整个输煤系统的运行操作和监视全部在上位机实现。在上位机上能显示电机、三通系统设备等的运行状态、过程参数、报警等，在上位监控中能对PLC、总线模块等电源及通信状态和重要I/O信号的故障状态进行显示，方便故障的排除，同时具有模拟量参数显示、棒状图显示、声光报警、打印制表等功能。程控系统提供一个“数字时钟”接口，接收来自买方GPS的“数字主时钟”信号，使挂在数据通信总线上各站的时钟同步。当GPS“数字主时钟”失效时，系统能自动转到预先设定的工程师站或操作员站上的时钟。3提高系统功能安全的措施输煤系统设备多，工作环境恶劣。为保证系统运行的安全性和可靠性，采用了先进的控制系统及网络结构，现场各类保护开关选用了应用业绩好的厂家产品，控制箱采用双层密封箱体，选用高可靠性的继电器、接触器等组件，软件方面根据经验对系统进行了优化设计，及时捕捉、准确诊断现场故障信号，并对现场设备采取保护措施，实现了系统安全可靠的运行。3.1加强现场设备的保护皮带的保护装置有双向拉绳、速度、跑偏、撕裂及堵煤开关、除铁器等，对皮带的正常运行提供全面保护。拉绳开关在有紧急情况下可以实现皮带跳闸；皮带打滑开关是依据皮带测速仪的模拟信号动作的，若实测的速度信号值低于正常运行值的80%，皮带则出现打滑现象，严重打滑应立即停机，以免皮带严重磨损造成损失；跑偏开关对皮带跑偏实现报警，一级跑偏报警，二级跑偏联锁停皮带；纵向撕裂开关通过检测皮带是否撕裂进行报警和联锁；除铁器能除去铁块、铁丝等对设备有损坏的金属物件；堵煤开关能报警三通挡板处是否堵煤；煤仓高料位开关和连续料位机能保护和监视煤位。控制柜的设计满足IP等级要求，对信号进行隔离，接地屏蔽；系统设计了冗余切换电源。3.2加强软件故障诊断PLC内部具有丰富的软元件，如定时器、计数器、辅助继电器等，充分巧妙合理利用时间故障检测法、逻辑错误检测法、逻辑控制等方法来设计程序，可有效提高控制系统的可靠性、安全性。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：一类是可由现场检测开关状态判断的，如落煤管堵煤、皮带跑偏等；另一类则需通过软件系统作相应的处理、分析才能够确定，如犁煤器、三通挡板不到位故障等。软件系统能及时捕捉这两类故障并进行报警。对保护开关故障实现软件处理，这些信号状态产生后必须作相应的延时处理才可断定是否属真的故障信号。如皮带打滑故障的判断，因皮带在启动时速度是逐渐增大的，所以须在皮带运行状态存在30s后再判断处理；堵煤开关、跑偏开关二级跑偏联锁停皮带时需要延时2s处理；电机电流越限或异常、煤仓或筒仓的高或低煤位、电动三通管的切换不到位、电动犁煤器的抬落不到位、除铁器不到位等则由PLC立即采取停止流程、停止相关设备等相应措施，以防止故障进一步扩大，保护设备的安全运行。3.3采用双机热备冗余提高功能安全设备在启动和运行过程中发生危机和人身安全故障时，要求系统能安全快速自动地采取保护和联锁，以防事故产生，避免事故扩大，从而保证正常启停和安全运行。冗余系统配置能更好地提高系统的可靠性和安全性。可门电厂输煤双机热备系统采用Quantum系列，由CPU67160、NOE77100以太网模块、CRP93200远程模块及电源模块组成。Quantum主机是快速更换要求的插槽式模板，包括中央处理单元、本地I/O处理器、内部存储器及通信口。用户能对其进行编程并使用其强大的内部指令来实现逻辑控制，处理其模拟量、开关量。CPU的冗余系统具有非常高的可靠性和实用性。双机热备基于两套完全相同的PLC控制器。这两套PLC控制器彼此相连并且配置同一套远程I/O网络，用一套软件，如果一台PLC控制器失效，则另一台PLC将接替控制整个I/O网络。热备系统数据交换原理：主机架和备用机架都由CHS110热备模块监视着各自的CPU的工作状态并同时通过光纤和另一模块通信。在每个程序循环周期内，主运行的控制器保持备用控制器的目前应用状态，同时将RAM中的数据传递给备用控制器。从主CPU的RAM数据传输备用CPU的RAM数据的过程分3步：①主CPU的到主CHS110热备模块的RAM；②主CHS110热备模块的RAM到备CHS110热备模块的RAM；③备CHS110热备模块的RAM到备CPU。RAM数据分0XXXX,1XXXX,3XXXX,4XXXX等4种类型。RAM数据传输是通过CHS110热备模块进行的，所以CHS110热备模块要求在主CPU里指定相应的RAM数据区，在每个扫描周期开始的时候，主CPU把当前RAM数据传输到CHS110模块中。在RAM数据传输完成后CPU才进行用户程序和外部I/O的扫描，同时通过光纤以10Mbps的通信数率，由主CHS110热备模块把RAM数据发送到备CHS110热备模块的RAM中，然后从备CHS110热备模块的RAM到备CPU。4结束语采用程序控制系统使可门电厂整个输煤系统的自动化水平有了很大的提高，实现了输煤系统的自动、安全和稳定运行。通过多项措施提高了控制系统的可靠性和安全性。本文介绍的输煤控制系统有较大的代表性和通用性，可以应用于300MW、600MW机组的电厂输煤控制系统，也可应用于大型港口、水泥建材、矿山等皮带输送控制系统。参考文献1杨新泉.提高PLC控制系统的可靠性[J].PLC&FA,2006,(2).2李欣,崔新雨.PLC软冗余系统在电气保护中地应用[J].自动化博览，2005，（2）.3李志刚,刘媛.发电厂输煤控制系统的研究与改进[J].现代电力,2002,19(6).4方涛.大型火电厂输煤控制系统调试中出现问题的技术改进[J].电站辅机,2002(2).收稿日期：2006-03-30。第一作者黄冠宇，男，1974年生，现为华东理工大学信息学院在读硕士研究生；主要研究方向为无线短程数据传输网络和系统在工业环境下的开发与应用。