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1、滅火保護系統(tǒng)概況
    華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠2機組鍋爐爐膛安全監(jiān)視系統(tǒng)( FSSS)設置的目的為：由于各種原因，剛滅火的鍋爐燃料系統(tǒng)仍在向爐膛內供應燃料，在高溫爐膛內再次爆燃而損壞設備，故對鍋爐滅火要進行保護，即滅火保護動作后關閉燃油速斷閥和停止2臺排粉機運行。滅火保護的動作條件有：2臺送風機失去、2臺引風機失去、爐膛壓力高、爐膛壓力低、失去燃料、全爐膛失火、危急跳閘、發(fā)電機主保護動作、汽包水位高及汽包水位低。滅火保護系統(tǒng)由機柜部分、就地測量元件和操作按鈕組成。FSSS的機柜部分主要包括控制模件、繼電器搭接的控制回路及電源等部分。就地測量元件主要包括壓力開關等，富通新能源生產(chǎn)銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
2、優(yōu)化前的設備狀況
2.1系統(tǒng)組成
    為確保鍋爐各項保護正常發(fā)揮作用，應監(jiān)視鍋爐各項參數(shù)和設備當前狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常情況，采取有效措施（如保護動作、緊急停爐、斷電及聯(lián)鎖等），保證設備和人身安全。華電能源哈爾濱第三發(fā)電廠2機組鍋爐滅火保護系統(tǒng)采用莫迪康984 -685E可編程控制系統(tǒng)作為下位機，其輸入模板接收來自現(xiàn)場各種設備的狀態(tài)信號，由中央處理器( CPU)處理用戶邏輯程序。
2.1.1  莫迪康984 - 685E可編程控制系統(tǒng)結構
    莫迪康984 - 685E可編程控制系統(tǒng)結構包括4部分：
    (1)存儲器部分。存儲用戶邏輯、當前狀態(tài)及系統(tǒng)固化程序。
    (2) CPU部分。根據(jù)當前輸入信號及運行邏輯，更新隨機存儲器( RAM)中的輸出值。
    ( 3)110處理部分。讀取輸入模板B809的信號直接送到狀態(tài)RAM中，將CPU邏輯解答送至輸出模板B808的路徑。
    (4)通信部分。提供MB - PORT1接口與筆記本電腦連接，用于日常修改邏輯、查看組態(tài)，MBUS -PLUS與分散控制系統(tǒng)(DCS)上位機通信。
2.1.2莫迪康984 - 685E可編程控制系統(tǒng)I/O模板分布及功能
    莫迪康984 - 685E可編程控制系統(tǒng)的主可編程邏輯控制器( PLC)為H827 - 103，從PLC為H827 -100，包括程控柜和保護柜各1個。
    程控柜內的模板包括：
    (1) B1—B8模板負責#1一#8油角油槍、點火槍、三用閥的操作發(fā)令和接收來自就地的反饋信號。
    (2)4塊B809輸入模板。16個通道分成2組，每8個通道共用1個N線，2組N線9和19環(huán)線連接。當就地終端壓上，220 V AC回來進通道與N線構成回路，模板燈亮，通信至DCS顯示。
    (3)4塊B808輸出模板。操作令220 V AC電源A線接至模板每一通道的接點端，當DCS中操作令通信至984系統(tǒng)內部組態(tài)時，每一通道線圈帶電，接點導通，220V AC去就地啟動設備。
    保護柜負責提供保護所需變量和輸出跳閘信號：
    (1)3塊B809模板。分別接受給粉機投運證實信號、燃油速斷閥開關證實信號、探頭冷卻風機啟／停證實信號。
    (2)2塊B825輸入模板。當火檢屏檢測有火時輸出24 V DC進入B825通道，通道燈亮。同時，該24V DC進入984的B825模板的19(N)和20(A)端子，前8個通道的N線9與19短接，相鄰的2個B825的20和19端子分別環(huán)上。
    (3)4塊繼電器輸出模板B814。有熱工信號、SOE、擴展MFT出口繼電器、探頭冷卻風機的啟／停等4項用途。
    H827 -100和H827 -103 2個主、從PLC中分別安裝2個熱備通信模板S911，它們之間通過AS -W911電纜連接，內部通信用可裝載軟件HSBY實現(xiàn)。該功能塊必須放在主控制器和后備控制器應用的邏輯程序第1網(wǎng)絡l中，該功能允許在系統(tǒng)狀態(tài)RAM中設置一個非傳送區(qū)，其實質是在后備控制中保持幾組寄存器不被主控制修改的區(qū)域，通過HS-BY指令能存取2個寄存器，1個命令、1個狀態(tài)，以監(jiān)視和控制系統(tǒng)。
2.2系統(tǒng)功能
    在保護回路異常情況下，984系統(tǒng)輸出模板顯示狀態(tài)的同時，繼電器輸出模板動作，保護出口發(fā)主燃料跳閘( MFf)，停排粉機、關燃油速斷閥，停止油和煤粉等繼續(xù)進入爐膛，終止燃燒。
    由于華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠’2機組分散控制系統(tǒng)( DCS)采用的是MOORE公司APACS控制系統(tǒng)，故984系統(tǒng)不必外接上位機監(jiān)視輸出，只需與DCS進行通信連接，以主站／從站方式9.6 kbit/s速度傳遞，經(jīng)BM - 85多路橋以雙向信息采集和3個串行RS232 - 485轉換器實現(xiàn)通信方式的轉換，通過硬連連接于984系統(tǒng)的MOD - PLUS口和DCS的M-BUS之間，將984系統(tǒng)各種輸出信號及MOORE發(fā)出的各類指令信號共享；在ACM中加入讀寫塊，在APACS系統(tǒng)4- mation中進行狀態(tài)塊／功能塊組態(tài)，做數(shù)據(jù)庫組態(tài)和畫面組態(tài)，實現(xiàn)在CRT上手操各種就地設備，同時顯示鍋爐滅火保護各變量的狀態(tài)變化。
2.3系統(tǒng)存在的問題
    2鍋爐滅火保護系統(tǒng)自投入運行以來已有12年，PLC的使用壽命為10 N15年，超過10年后其可靠性就有所下降，整個機組就存在著不穩(wěn)定因素，如果不及時對#2鍋爐滅火保護系統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)進行改造，很可能由于控制器的突然失靈而引起滅火保護系統(tǒng)拒動或誤動事故的發(fā)生，嚴重影響’2機組的穩(wěn)定運行。因此，對#2鍋爐滅火保護系統(tǒng)進行更新改造勢在必行。
    經(jīng)過調查分析，系統(tǒng)還存在以下問題：
    (1) FSSS電源從切換裝置二取一路輸出，通過電源盤的UPS A相瓷座保險送至FSSS機柜，無雙路供電功能。
    (2)機柜內的PLC電源及重要保護所帶設備均采用一路空氣開關，熱工和電氣設備取自一路電源，當就地設備發(fā)生短路時不便查找。
    (3)油槍程控機柜和FSSS機柜風扇無獨立電源。
    (4)油槍程控機柜電源取自FSSS機柜。
    (5)24V DC的2個穩(wěn)壓電源取自1個空氣開關，電源失去則24 V DC所帶設備無法工作。
    ( 6) FSSS爐膛壓力保護開關采用硬手動操作方式，保護投入時有保護誤動的可能性，并且無有跳閘條件無法投入保護的功能。
    ( 7) FSSS汽包水位保護為二選一，并且無有跳閘條件無法投入保護的功能。
    (8)探頭冷卻風機程序中無探頭冷卻風壓力低聯(lián)鎖回路。
    (9) FSSS的I/O配置不合理，模件故障造成保護動作的風險大。
    (10)無熱工保護壓力開關故障顯示點。
    (11)無探頭冷卻風壓力低熱工信號報警點。
    ( 12) FSSS機柜內部分電纜無屏蔽。
    ( 13) FSSS機柜無接地銅排。
3、系統(tǒng)優(yōu)化
    針對以上問題，為了提高保護可靠性，杜絕保護拒動和誤動，華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠相關技術人員進行了認真分析，制訂了解決方案，進行了系統(tǒng)優(yōu)化。
3.1選用施耐德可編程控制系統(tǒng)
    將原來的CPU模塊140CPU11303更換為UnityQuantum 140CPU67160，保留原有PLC與DCS通信方式( modbus plus)，采用CPU模塊上集成的熱備端口進行雙機熱備。通過CRP93200和CRA93200形成雙纜冗余的S908遠程I/O總線，更新所有I/O模塊。電源采用140CPS12420冗余電源進行冗余配置，替換原有的140CPS11420電源模塊。
3.1.1Unity Quantum PLC特點及性能
    在該項目的升級改造方案中，采用施耐德電氣公司的Unity Quantum PLC產(chǎn)品，用于滿足控制系統(tǒng)的全部控制功能。Uruty Qutum PLC產(chǎn)品完全符合國際標準，該產(chǎn)品采用了國際上先進的控制器和模塊化的系統(tǒng)結構。
3.1.2雙機熱備系統(tǒng)
3.1.2.1系統(tǒng)組成
    雙機熱備系統(tǒng)由安裝在2個不同機架上的“主機”和“備機”組成（如圖1所示）。“主機”和“備機”的硬件配置完全相同，即由電源、CPU、RIO通信適配器、以太網(wǎng)模塊等組成。雙機熱備系統(tǒng)最核心的模塊為CPU模塊，型號為140CPU67160。該模塊除了完成所有控制功能以外，同時利用光纖完成“主機”和“備機”之間的實時數(shù)據(jù)交換功能。光纖通信鏈路的通信速率可達100 Mbit/s。
    雙機熱備系統(tǒng)正常工作時，由“主機”采集現(xiàn)場所有設備的實時數(shù)據(jù)，解算所有控制程序并將控制指令傳輸?shù)剿�有輸出模塊中，完成對現(xiàn)場設備的控制。“備機”在“主機”運行的過程中，實時讀取“主機”中的全部數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測“主機”的運行狀態(tài)。當“主機”上的機架、電源、CPU、RIO通信適配器中的任一模塊或附件出現(xiàn)故障時，“備機”升級為“主機”，完成對現(xiàn)場設備的控制功能。當“主機”上的故障模塊或附件更換完畢后，則承擔“備機”的角色，繼續(xù)完成對“主機”狀態(tài)的實時監(jiān)測。
    雙機熱備系統(tǒng)中“主機”和“備機”之間是完全自動、平穩(wěn)、無縫的切換。
3.1.2.2熱備系統(tǒng)性能
3.1.2.2.1通信速率
    傳統(tǒng)的雙機熱備系統(tǒng)一般都采用獨立的熱備模塊或同步模塊用于完成熱備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，因此，導致了雙機熱備的數(shù)據(jù)交換速率較低、實時性差。
    施耐德電氣公司的Unity Quantum PLC雙機熱備系統(tǒng)為了避免上述缺點，采用了集成熱備端口的140CPU67160。該產(chǎn)品集成了光纖的熱備端口用于完成“主機”和“備機”間的數(shù)據(jù)交換，由于可以直接從“主機”CPU中讀取實時數(shù)據(jù)并傳輸至“備機”，因此，實時性較好。同時，該端口的通信速率可達100Mbit/s，與傳統(tǒng)的熱備模塊或同步模塊的熱備端口相比，通信速率提高了10倍甚至幾十倍。
3.1.2.2.2掃描時間和切換時間
    由于傳統(tǒng)的雙機熱備系統(tǒng)采用熱備模塊或同步模塊用于完成熱備系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，因此，CPU在完成所有控制程序的解算功能外，同時還承擔著將數(shù)據(jù)通過熱備模塊或同步模塊傳輸?shù)?ldquo;備機”的任務。所以，傳統(tǒng)的雙機熱備系統(tǒng)的CPU掃描時間為解算程序的時間與熱備模塊或同步模塊間數(shù)據(jù)傳輸時間的疊加，一般為100 ms以上，導致雙機熱備系統(tǒng)的切換時間較長。
    施耐德電氣公司的140CPU67160集成了熱備端口，可利用CPU本身完成所有控制程序的解算；同時可利用CPU上的協(xié)處理器完成“主機”和“備機”間的數(shù)據(jù)傳輸功能，這2種功能互不影響。因此，采用Unity Quantum PLC的雙機熱備系統(tǒng)的掃描時間大大縮短，只有20 ms左右，系統(tǒng)切換時間也為20 ms左右。
3.1.2.2.3地址自動切換
    雙機熱備系統(tǒng)還提供了多種通信方式，如Mod-bus，Modbus Plus和Ethernet方式，用于完成外部設備、監(jiān)控計算機、PLC之間的數(shù)據(jù)交換。施耐德電氣公司的雙機熱備系統(tǒng)為了避免雙機熱備系統(tǒng)在自動切換過程中導致通信中斷，還支持Modbus，ModbusPlus和Ethernet地址的自動切換。即雙機熱備系統(tǒng)在切換過程中，永遠保持設定的地址與“主機”的對應通信端口地址一致，這樣，可保證雙機熱備系統(tǒng)在切換過程中始終可以從“主機”中讀取全部實時數(shù)據(jù)，保證了控制系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行以及實時的數(shù)據(jù)交換。
3.1.3工業(yè)現(xiàn)場總線
    在該系統(tǒng)中，Quantum控制站同I/O之間采用S908專用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡，通過140CRP93200和140CRA93200專用模塊實現(xiàn)連接，使得分散的控制點能夠可靠地傳送到CPU，進行快速的處理和反應。
3.1.3.1總線特點
    圖2為Unity Quantum雙機熱備系統(tǒng)通過S908工業(yè)現(xiàn)場總線連接方式。
3.1.3.2總線性能
    無中繼器的最遠傳輸距離，同軸電纜4 500 m；分支電纜的最大長度，30 m；訪問方式，生產(chǎn)者／消費者；傳輸速度，1.544 Mbit/s；傳輸介質，75Q同軸電纜；主干電纜類型，剛性、半剛性或柔性電纜，根據(jù)距離的需要選擇（采用RGI1，RG6等）；分支電纜類型，柔性電纜( RG6)；遠程站數(shù)，31個；使用協(xié)議，可靠自有協(xié)議（曼徹斯特編碼，HDLC）。
3.1.4模塊技術指標
3.1. 4.1  CPU模塊
    解決方案中采用的140CPU67160模塊的性能如下：
    (1)采用Pentium II型、32位高速工業(yè)處理器芯片，主頻可達266 MHz；
    (2) CPU集成2個內存卡插槽，用于擴展內存，滿足大型控制系統(tǒng)的控制要求，內存最多可擴展至17 M：
    (3)集成Modbus．Modbus Plus，TCP/IP（熱備端口），USB等多種通信端口和內存卡插槽，便于與其他設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；
    (4)集成液晶顯示屏幕，用于顯示系統(tǒng)的運行、故障、通信等狀態(tài)信息和設置系統(tǒng)的相關參數(shù)；
    (5)支持鑰匙開關和多種口令保護，保證系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定運行；
    (6)支持實時的多任務操作系統(tǒng)，支持多種控制方式，如快速任務、事件任務、輔助任務、主任務等方式，每條指令處理時間不超過0.045 Fcs；
    (7)系統(tǒng)控制能力：開關量可達64 K點，模擬量可達57 K點，支持大量的定點和浮點運算，具有多種PID調節(jié)和其他過程控制功能，能夠滿足各種控制工藝要求；
    (8)無需編程即可提供多種系統(tǒng)、模塊甚至通道級（模塊的所有通道）的診斷功能。
3.1.4.2電源模塊
    Quantum電源模塊有2種作用：向系統(tǒng)底板提供電源，保護系統(tǒng)免遭雜波和額定電壓擺動的影響。所有電源都具有抗過流和過壓保護，它們可以在大多數(shù)電氣雜波環(huán)境中正常使用，而無需外部隔離變壓器。在發(fā)生意外失電時，電源可確保系統(tǒng)有充分時間安全有序地關閉。電源模塊將進入的電能轉換成穩(wěn)定的+5 V直流，供給CPU、本地I/O和安裝在底板上的任何通信選件模塊使用。
3.1.4.3 110模塊
    數(shù)字量I/O模塊使用可拆卸的螺釘端子接線。另外，用戶可以使用CableFast完成I/O模塊與現(xiàn)場端子間的接線，節(jié)省大量的接線時間和人工費用，并且減少接線錯誤。
    (1)工作溫度，0—60℃；濕度，0—95qo（無冷凝）。
    (2)所有模板包括電源、CPU和I/O模塊均可在工作狀態(tài)下帶電熱插拔，不會影響系統(tǒng)的運行，增強了系統(tǒng)的可維護性。另外，每個模塊都提供了一種機械鍵，用于I/O模塊和相應端子的連接，確�，F(xiàn)場接線與模塊類型相匹配，每種模塊都有自己唯一的鍵碼。
    (3)所有輸出模塊的每點均可設置為關斷、保持上次值及預定義值3種狀態(tài)之一，以確保工藝系統(tǒng)及設備有安全的控制輸出。
    (4) PLC的I/O模塊滿足現(xiàn)場監(jiān)控元件、設備等的輸出信號接收及控制的要求。
    ( 5)1/0處理系統(tǒng)智能化，可減輕控制系統(tǒng)的處理負荷。I/O處理系統(tǒng)能完成掃描、數(shù)據(jù)整定、數(shù)字化輸入和輸出、線性化、熱電偶冷端補償、過程點質量判斷、設施單位換算等功能。
    (6)所有的I/O模塊都標明I/O狀態(tài)的LED指示和其他診斷顯示，如模塊電源指示等。
    (7)所有I/O模塊均滿足ANSI/IEEE 472《沖擊電壓承受試驗能力導則(SWC)》的規(guī)定，在誤加250V直流電壓或交流峰一峰電壓時，不會損壞系統(tǒng)。
    (8)所有接點輸入模塊都有防抖動濾波處理。如果輸入接點信號在2 ms之后仍抖動，模塊不應接受該接點信號。
    (9)所有的模塊都有自己的連接端子和隔離門，面板的顯示單元提供了模塊和I/O點的信息，有些模塊還有現(xiàn)場接線和保險絲斷的顯示。
    (10)上電后，處理器會檢查每個模塊的識別碼是否與軟件配置相吻合，然后激活模塊，防止模塊因為插錯而損壞。
    (11)每個模塊都有自己的診斷和狀態(tài)位，用于程序的編制。
    (12)根據(jù)模塊類型配置每個通道，可以配置成電流、電壓、熱電阻，熱電偶輸入，具有線路斷線和顯示超限報警功能。
    (13)模擬量I/O模塊使用可拆卸的螺釘端子接線。另外，用戶可以使用CableFast完成I/O模塊和現(xiàn)場端子間的接線，節(jié)省大量的接線時間和人工費用，并且減少接線錯誤。
    (14)另外，上電后，處理器會檢查每個模塊的身份號是否與軟件配置相吻合，然后再激活模塊。防止模塊因為插錯而損壞。
3.1.5軟件升級部分
    原有程序在984環(huán)境下編譯而成，隨著CPU的升級換代，編程環(huán)境也隨之升級到Uruty編程平臺下。
3.2  測量信號通道重新配置
將同一保護的信號分布在不同模件上，包括汽包水位高、汽包水位低、爐膛壓力高、爐膛壓力低，降低保護誤動作的風險。
3.3對電源系統(tǒng)進行完善
    (1)將電源電纜直接從切換裝置敷設到FSSS機柜，并將火檢柜與FSSS機柜電源環(huán)到一起，實現(xiàn)雙路供電功能。
    (2) FSSS機柜內PLC電源采用雙路電源，分別控制PLC 1和PLC 2，2個重要電源檢測開關將熱工和電氣保護設備分開。
    (3)2個一般檢測電源將熱工和電氣就地設備分開。
    (4)增加空氣開關單獨取電源。
    (5)從熱控電源盤直接給油槍程控柜供電；采用2路空氣開關分別給2個穩(wěn)壓電源供電，以達到雙路供電的目的。
3.4對控制邏輯進行完善
    (1)爐膛壓力保護投切采用軟手操方式：在DCS加投切保護軟開關，并增加有跳閘條件無法投入保護邏輯。
    (2)從DCS機柜拉電纜引汽包水位高3和汽包水位低3信號到FSSS機柜內，程序中做三取二邏輯并增加有跳閘條件無法投入保護邏輯。
    (3)在探頭冷卻風出口母管上增加1個測點，加裝探頭冷卻風壓力低聯(lián)鎖開關。
    (4)增加有保護壓力開關故障顯示邏輯，送熱工立盤顯示。
    (5)將原探頭冷卻風壓力低開關信號直接送到熱工信號立盤，做熱工信號報警(定值3 500 Pa)。
3.5對電纜進行完善
    (1)原控制柜電纜老化且多無屏蔽層，已不能滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)要求，全部更換為屏蔽電纜。
    (2)安裝接地銅排，從電氣接地銅排處重新敷設接地電纜。
4、結束語
    整個系統(tǒng)改造完畢后，華電能源股份有限公司哈爾濱第三發(fā)電廠技術人員進行了系統(tǒng)的在線功能測試，包括從輸入信號到輸出信號的通道測試、跳閘功能測試、首出記憶功能等的測試。測試結果如下：
    (1)新的控制系統(tǒng)可操作性強，在線更改組態(tài)方便；
    (2)具有在線監(jiān)視輸入、輸出信號功能，有在線強制信號值功能，便于系統(tǒng)調試；
    (3)具有雙路電源切換的功能，當一路電源故障時系統(tǒng)仍能正常擔負機組的保護功能；
    (4)鍋爐跳閘信號首出記憶功能正確，正確率達到了100%；
    (5)通過對電源設備的完善，為滅火保護系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了可靠保障；
    (6)通過對控制邏輯的完善，可防止保護拒動和誤動事故情況的發(fā)生；
    (7)通過更換屏蔽電纜、加裝接地銅排，保證了滅火保護系統(tǒng)的抗干擾性。
    通過優(yōu)化，成功地提高了滅火保護系統(tǒng)的可靠性，減小了日常維護量，實現(xiàn)了設計目標，富通新能源不但生產(chǎn)銷售生物質鍋爐，而且還銷售生物質鍋爐燃燒專用的生物質顆粒燃料。