基于LK的电厂ETS系统

　
  应用背景
　　汽轮机由锅炉产生的高温高压蒸汽带动高速运转，是火力发电厂的关键动力设备，汽轮机的紧急跳闸系统（ETS）是发电厂对系统可靠性要求最高的子系统。传统上，200MW以下机组的汽机本体保护都是用继电器搭建的，可靠性差，保护逻辑修改麻烦，不能与主控制系统构成有效的通讯连接。若与电厂主DCS合并在一起控制，则因DCS处理周期较长等原因无法满足快速保护要求，一般都不采用。基于LK的汽机紧急跳闸系统因其可靠性高、处理速度快、逻辑修改方便等特点在得到了广泛的应用。
  
  　　汽轮机紧急跳闸系统（ETS系统）完成汽轮机紧急跳闸控制过程中全部电动阀门的开关控制功能，包括完成开关量的数据采集、处理、计算及开关量的实时输出，并将相关数据传送到中央控制室操作站等。ETS系统是与汽轮机监测仪表系统（TSI系统）相配合监视汽轮机的一些重要信号，并保证汽轮机安全的系统，当进入ETS系统的参数，如润滑油压力、凝汽器真空、汽机转速、转子振动、轴向位移等超过极限值时，输出跳闸信号到跳闸电磁阀，跳闸电磁阀卸掉保安系统的保安油，使汽轮机的主汽阀和调节阀迅速关闭，完成汽轮机跳闸的功能，使汽轮机紧急停机，处于安全状态，以避免发生严重的后果。

系统组成
　　ETS系统由以PLC为核心的控制柜、执行机构、声光报警和一次、二次外围元件组成，系统装置如图1所示。ETS控制柜里主要有双PLC、报警继电器、跳闸继电器、保护投切盘等。每一路输入、输出通道都有与之相对应的指示灯，可以检查某一通道的动作情况。且系统具有在线试验功能。
  
  　　PLC系统通过编程逻辑实现汽轮机ETS停机保护装置状态检测、报警及控制。同时，也可通过按钮开关进行人工模拟跳机测试和面盘显示灯的测试。汽轮机振动保护实现振动系统可靠跳机，提高系统的可靠性，防止由于振动单回路测量故障而引起的机组跳闸，确保汽轮机的安全运行。
　　ETS系统的输入信号及通道采用多重化设置，任何单一元件故障或电源故障均不影响整套装置的正常工作或引起保护误动，跳闸原因未消除时，各保护项目不能手动或自动复归。直流控制回路设备线圈设有吸取反电势的功能设计。ETS设有方便地切/投各项保护的手段。
　　借助DCS系统的强大功能，使ETS系统的人机界面成为DCS系统的一个子系统。可以方便地对整个ETS系统进行直观的状态监视分析，对系统状态和众多过程量设置声光报警。并且把汽轮机跳闸的首出原因送进了事故追忆系统(SOE)，可以方便的查找汽轮机跳闸原因。这样丰富和完善了对ETS系统的检修、维护手段，提高了自动化水平。
　　ETS选用了和利时公司的HOLLiAS LK系列PLC，选用了电源模块、CPU模块、DI模块和DO模块。由PLC的中央处理单元CPU完成所有输入信号的逻辑处理和输出信号的逻辑控制。由于系统对该装置的可靠性要求特别高，即保证在任何可能发生的紧急情况下，都能准确无误地使汽轮机组停机，所以该套装置设置为双PLC运行方式。由于双PLC是并列运行，互不干扰，并具有“或”的关系，不需要在线热切换，所以不存在切换扰动的问题。若其中任意一套发生故障，另一套可编程控制器还是正常运行，此时，汽机运行的保护功能仍是完整的。这种双PLC控制方案比通常所讲的冗余控制方案的可靠性更高一些。
  
  图2  ETS系统示意图
  控制功能
　　输入信号设定并组合，如三选二（确保消除误停机现象）、四选二（适用于需要在线试验的情况），编程过程中可编程逻辑控制器的特点尽最大可能的发挥。通过编写功能“子程序”、“中断”程序等，达到控制功能完整，运行快捷的目的。传统控制方式中某一功能的触点可靠性受器件的限制，而改用可编程控制器后，该功能的触点就变成控制器的一个内在虚拟的地址，它的使用完全可以根据需求来确定。
　　输出信号选用带隔离、独立回路的DO输出卡件，输出触点的带负载的能力完全满足系统中执行元件的要求。
　　ETS的基本功能包括汽轮机的有关开关量监视和跳闸保护功能。
  
  　　在各种工况下，当发生不能保证热力系统、设备正常运行或危及设备安全时，及时发出报警、跳闸信号。由HOLLiAS LK系列PLC组成的ETS系统为独立系统，其运行独立于DCS系统，通过DP总线与DCS系统进行数据交换。ETS系统与DCS的通讯仅为监视用，通讯中断或DCS故障不影响ETS系统的正常运行。
  
  　　ETS装置单独安放在一小机柜之中，系统每一个保护项均配有独立的保护投切开关，并有一个总保护开关。ETS装置使用的24V电源需要监视。系统存在手动停机功能，操作员台按钮直接硬接线至DEH的打闸继电器。ETS系统的在线试验不影响机组保护的正常动作，即在做试验时，若有保护信号经逻辑判定动作，ETS系统应正常发出信号停机。现场输入信号与PLC之间，采用继电器隔离，一方面防止干扰，另一方面保证冗余PLC之间的隔离。同时，保证了现场输入信号的扩展（此信号要进SOE等）。

应用特点
　　基于LK系列PLC的ETS系统具有如下性能特点：
　　正确性、可靠性高
　　正确性、可靠性是汽轮机ETS系统的关键，本系统采用了双PLC运行方式，确保整套装置在任何情况下，都能正确可靠地实现汽轮机跳闸功能。以往装置中重点关注的汽机“拒跳”或“误跳”的情况，在设计过程中得到充分合理的处理，这在技术上保证了系统的高可靠性。在PLC选型方面，充分利用质量上乘的产品，选用了性价比高的和利时公司的LK系列PLC，这在硬件上保证了系统的高可靠性。
　　系统功能强
　　由于可编程逻辑控制器体积小，集成化程度高，运算速度快，逻辑控制容量大，所以整套程序中除了状态报警、遮断停机等常规功能外，还添加了在线试验功能。该功能的作用在于:在机组正常运行时， 检查压力开关、电磁阀等外围元器件的状态，提高整套装置的自身安全系数。
增加汽机跳闸首出原因记忆功能，帮助运行人员在第一时间知道停机的第一起因，避免了以往或者显示面板上有多项报警指示，分析不出第一起因，或者随着现场情况的瞬息变换，指示灯的熄灭，也找不到第一起因。同时，该功能的存在也为事故追忆系统（SOE）的记录提供了验证手段。该功能完全通过程序编写完成，不需要增加任何硬件设备，而且完全应用编程技巧。在没有发生停机条件时，该功能不需要执行，不占用系统监测的时间，使系统的监测、停机功能得到最大程度的实现。
　　自动化程度高
　　对于信号处理，如“延时”等功能，原来要求运行人员一直“按着”的按钮，现变成“按一下”软按钮，蜂鸣器一响即可，原来需要持续若干秒的要求可在程序中通过“秒脉冲”逻辑完成。该功能可多处使用，编程时不存在“资源紧张”的问题。同样的还有“定时器”、“RS触发器”、“PID调节器”等分离元件所具有的器件功能。这些器件在PLC中均成为虚拟器件，能充分完成这些功能的要求。对该系统而言它们的使用数量是微不足道的，完全可以尽情使用。编程逻辑控制器中DI、DO卡件面板上的状态指示灯上，各种状态一目了然，故障排查简便易行。

制作程序化
　　整套装置的硬接线部分只涉及到确定所需输入和输出可编程控制器的信号，而控制逻辑部分完全固化在EPROM中。对于功能增减的要求，通过修改程序后，下载程序，完成在EPROM中的内容修改即可。监视整个装置的工作情况，包括信号的状态模拟、控制逻辑功能的“脱机”或在线调试等，均可在PC机上完成。

结束语
　汽轮机危急跳闸系统（ETS）逻辑简单，可靠性要求高。和利时公司LK系列PLC作为高性价比的PLC系统，在火力发电厂项目中与DCS系统配合，既有效地提高了控制水平，又为用户节省了大量投资。同时和利时PLC出色的通讯能力使得它可以通过PROFIBUS-DP、Interbus、CAN或Ethernet与多种DCS构成互补的、适用于火力发电厂的控制系统。

参考文献
[ 1 ] 王平洋，电力系统自动化与智能技术[J]，电力系统自动化
[ 2 ] 林济群、钱学裘，发电厂智能监控系统[J]，中国电力,
[ 3 ] 方承远，《工厂电器控制技术》，机械工业出版社
[ 4 ] 顾战松，《可编程控制器原理与应用》，国防工业出版社
[ 5 ] 和利时公司，HOLLiAS LK大型可编程控制器硬件手册，2008