可编程控制器在小型汽轮机保护系统中的应用.pdf

第 3 2卷第 1期 2 0 1 1 年 2月 华北水利水电学院学报 J o u r n a l o f No a h C h i n a I n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n d Hy d r o e l e c t r i c P o w e r Vo 1 ． 32 No ．1 Fe b．2 01l 文章 编 号 1 0 0 25 6 3 4 2 0 1 1 0 l一0 0 6 50 3 可编程控制器在 小型汽轮机保 护 系统 中的应用 梁德成 ，朱 学军 华北水利水 电学院 ， 河南 郑州 4 5 0 0 1 1 摘要 介绍可编程控制 器在小型汽 轮机保 护系统 中 的应 用 ， 给 出了系统部 分程 序和 流程 图 ， 并 通过 画面 组 态更直 观地 实现了汽轮机跳 闸保护功能． 关键词 小型汽轮机 ； 可编程控 制器 ； 系统保护 为 了企业 供热 和居 民取 暖 ， 很 多 城 市建 立 了 以 供热供暖为主发电为辅 的小 型热 电厂 ， 汽轮机作为 发电供热 中心， 其运行的安全和稳定就显得尤 为重 要． 汽轮机保护系统是汽轮机的一个重要组成部分 ， 它对汽轮机组 的安全稳定运行影 响很大， 任何 误动 或拒动都将导致严 重后果． 传统汽轮机保护通常采 用落后继 电接触器用硬接线连接 ， 中间继电器、 信号 继 电器 太 多 ， 同时 体 积 大 ， 功 能 少 ， 线 路 复 杂 ， 接 点 多 ， 可靠 性差 ， 维 护 困难 ； 可 编 程 控 制 器 P L C 是 以 微处理器为核心 ， 综合 了计算机技术 、 通信技术而发 展起 来 的一种 新 型 、 通 用 的 自动控 制装 置 ， 具有 结 构 简单、 性能优越 、 可靠性高、 灵活通用、 易于编程 、 使 用方便等优点 ， 近年来在 工业 自动控制 、 机 电一 体 化 、 改造 产业 等方 面得 到 了广 泛应 用 ． 1 汽轮机保护 系统工作 原理 汽轮机保护系统包括汽轮机安全监控及辅机连 锁系统． 常规保护系统是采用继 电器 的继电控 制系 统 ， 可靠性较低 ， 控制方式 的改动 比较麻烦． P L C是 采 用模块 化 硬件 结 构 和 软件 设 计 ， 使 得 系 统 安 装 和 现 场硬件 接 线 、 程 序 调试 比较 简便 ， 并 可按 积木 方式 扩 充和删 减 其 系统 规模 ． 以往 的 继 电器 连锁 方 式 无法提供形象的信息 ， 只能在 出现故障后把相关 的 连锁点都检查一遍 ， 处理时 间长 ， 影响生产进程 ， 对 隐含 故 障点无 法判 断 ． P L C控 制 避免 了上 述 问题 ， 还 增加了打印功能 ， 完善了系统 ， 为今后的系统扩展做 好 准备 ． 汽 轮机 保 护项 目通 常有 以下几个 方 面 a ． 当汽 轮机转 速 超 过额 定 转 速 1 0 ％ 时 ， 操 作 面 板提示汽轮机超速 ， 并提醒检查超速原因； 当汽轮机 转 速超 过 1 2 ％ 时 ， 操 作 面 板 再 次 提 示 汽 机 超 速 ， 并 提示进行检修维护 ， 可根据实 际情况确定是否停机 或 允许 超速 运 行 ； 当 转 速 超 过 1 5 ％ 时 ， 汽 轮 机 自行 逐 步减 速 ， 同 时 提 示 减 速 原 因 ， 1 h后 汽 轮 机 停 机 ， 同时操作面板上显示汽轮机超速停机 ， 打 印机打印 出停机原因“ 汽机超速停机” ． b ． 当汽轮机轴 向位移大 于 I值 安全临界值 时报警 ， 要求检查轴 向位移大的原因； 当汽轮机轴向 位移大 于 Ⅱ值 安 全隐患 发生临界值 时报警 ， 并 1 h 后停机 ， 同时操作面板上显示故 障原 因， 打印机 打 出停 机原 因“ 轴 向位移 大停 机 ” ． c ． 当润 滑油 压 低 于 I值 时 报警 ， 要 求 检 查 润 滑 油压低的原 因； 当润滑油压低于 Ⅱ值时 ， 启动交流油 泵 ； 当润滑油压低 于 Ⅲ值 绝 对危险临界值 时 ， 系 统 停机 ， 同时操 作 面板 显示停 机 原 因 ， 打 印机 打 印停 机 原 因“ 润 滑油 压低 停 机 ” ． d ． 当轴 承 油 温 高 于 I值 时 报 警 并 启 动 油 温 冷 却 系统 ； 当轴 承油 温 高 于 Ⅱ值 时 ， 1 h后 停 机 ； 同 时 操作面板显示停 机原 因， 打印机打 印停机原 因 “ 轴 承 回油温度高停机” ． e ． 当轴承轴瓦温度高于 I值时 ， 报警并启动 油 温冷却系统 ； 当轴承轴瓦温度高于 Ⅱ值时警报连续 收稿 日期 2 0 1 01 1 1 5 作者简介 梁德 成 1 9 6 4 一 ， 男 ， 河南登 封人 ， 教授 ， 硕导 ， 主要从 事工业控制技术方 面的研究 华北水利水电学院学报 2 0 1 1年 2 月 提示 ， 并停 机 ； 同时 操作 面板 显 示 停 机原 因 ， 打 印机 打 印停机 原 因“ 轴 承轴 瓦温 度 高停机 ” ． ￡当电气送来发电机故障信号时， 停机， 同时操 作 面板显 示停 机 原 因 ， 打 印机 打 印停 机 原 因 “ 发 电 机故障停机” ． g ． 当主汽温度低于 I值时系统报警 ； 当主汽温 度低于 Ⅱ值时系统停机 ， 同时操作面板显示停机原 因， 打印机打印停机原因“ 主汽温度低停机” ． 要 完成 汽 轮机 保 护 任务 ， 就 必须 使用 热 工 仪表 和控制设备构成一套可靠灵 敏的 自动化控制 系统． 当条件符合停机预设值时 ， 能快速及时推动主汽门 动作 ， 迅速关闭主汽门， 切断进汽 ， 迫使汽轮机停机 ， 同时关 闭调节 汽 门和抽 汽逆 止 阀． 要求 主汽 门 、 抽汽 逆 止 阀的关机 时 间不小 于 1 s ． 实际 汽轮机 保护 系统 的结构 如 图 1所示 ． 人机界面 触摸屏 c P u机架 1 CP U一1 通讯模块 热备模块 电源 C P U机架2 CPu-2 通 讯模块 热备模块 电源 开关量 输入模块 开关量 输 出模块 断电器 输入隔离 断 电器 输 出驱动 接触器 输出驱动 图 1汽 轮 机 保 护 机 构 图 汽机本体 监测系统 调节系统 压力监测 温度监测 电源监测 轴承瓦 推力瓦 温度监测 DCS 报警 记忆 跳 闸 电磁阀 主汽门 电磁阀 2 基于 P L C的保护系统设 计 2 ． 1 P L C 系统硬件 配 置 西 门子 s 72 0 0具 有 比较 高 的可 靠 性 、 丰 富 的 指令集和 内置的集成功能、 强大的通信能力和丰 富 的扩展模 块 ． 系统 采用 S 7～2 0 0 P L C作 为 下 位 机． 系 统 点 数 数字量输入点为 3 5个； 数字量输出点为 3 7个 ， 硬件 配 置为 C P U 2 2 4一 只 ， 数 字量输 入／ 输 出模 块 E M2 2 3 1 6输入／ 1 6输出 D C 2 4 V 2块 ， 编程通信电缆 P C ／ P P I 电缆 1根 ． 系统 的硬件 结构 如 图 2所示 ． 2 ． 2系统程序 设计 西 门子 S T E P 7一 Mi c r o ／ wI N 3 2编程软 件完成 S 7 2 0 0 P L C的编程 以及程序调试 ． P L C通过所编 写的程序将各条件信号进行逻辑判断 ， 一旦条件成 立 ， 就发 出 紧急停 机 信 号 ， 关 闭 汽轮 机 的进 出汽 阀 ， 0 0 0 0 ⋯ ⋯0 ⋯ ⋯ 0 0 ⋯ CPU2 24 EM223 EM223 0 0 0 O ⋯ ⋯ 0 0 0 ⋯ ⋯ 0 0 ⋯ ⋯ 0 图 2 P L C硬件布置图 如果 主蒸汽 阀和抽 汽逆 止 阀动作 就实 现停机 引． 下面给 出部 分保护 程 序 L D I 3 ． 0超速保护投入 A N I 4 ． 6手 动停 机 A 1 3 ． 1超 速油 压 Q o ． 1磁力断路油 门电磁铁 A I 3 ． 2汽轮机 超速 Q O ． o主汽 门关闭信号 L D I 3 ． 3轴 向位 移保 护投 入 L D Q o ． 1磁力断路油门电磁铁 A I 3 ． 4轴 向位 移 正停机 TON T3 7，2 5 OL D LD T 3 7 L D 1 3 ． 5润滑 油压低 保护 投入 Q o ． 2超速 限制电磁 铁 A I 3 ． 6润滑油压低停机 L D Q o ． 1 磁力 断 路油 门 电磁 铁 0L D A Q o ． 2超 速 限制 电磁 铁 L D 1 3 ． 7发电机故障保护投入 1 4 ． 0发 电机 内部故 障 Q 0 ． 3发 电机 油开关 跳 闸 Q o ． o主汽 门关 闭信 号 1 4 ． 1真空 低保 护投入 T 38，5 0 I 4 ． 2真 空低停 机 T 38 Q o ． 1 ， 1磁力断路油门电磁铁 D N D A 皿 曲 A s 第 3 2 卷 第 1 期 梁德成 ， 等 可编程控制器在小 型汽 轮机保护系统 中的应用 6 7 L D L D A R A R 0L D R I 4 ． 3轴温 温度 高保 护投 入 I 4 ． 7复位信号 I 4 ． 4推力 轴 承 回油 温度 Q 0 ． 1 ， 0磁力断路油门电磁铁 I 4 ． 5支 持轴 承 回油 温度 轴 Q 0 ． 2 ， 0超 速 限制 电磁铁 Q 0 ． 3 ， 0发 电机油 开 关跳 闸 3 组 态 工 业组 态 是 现 代 化智 能化 的一 个 标 志 之 一 ， 工 业组态使工业控制更加直观简洁 ， 且充分利用 了计 算机 的智 能性 ， 实现 了工 业控 制 的智 能化 、 人 员操 作 简单化的功能． 当前所 有 的 组 态 软 件 几 乎 都 基 于 3 2位 Wi n ． d o w s 平台， 采用类似 资源浏览器 的窗 口结构 ， 并且 对 工业 控制 系统 中 的各 种 资 源 设 备 、 标 签 量 、 画面 等 进行配置和编辑 ； 都提供 多种数据驱动程序 ； 都 使 用脚 本语 言 提 供 二 次 开 发 的 功 能 等 ． 但 是 ， 从 技术上来说 ， 各种组态软件提 供实现这些功能 的方 法不同． 从这些不同之处 以及计算机技术发展 的趋 势， 可以看出组态软件未来的发展． 本 系 统 采 用 了 北 京 亚控 公 司 的 K I N G V I E W6 ． 5 软件进行组态 ， 通过对监控画面的制作、 组态软件和 P L C之 间 的通 信设 置 、 运 行状 态下 的调试 ， 完 成 了上 位 机监 控 系统 的设 计 ． 图 3为该系统 的组态画面之一． 在监控 系统画 面中， 操作人员可 以在工业计算 机显示器上监控到 汽轮机 的转速、 主汽压力 、 实际发电机发 电功率等重 要参 数 ， 根据这 些 参 数对 汽 轮 机 的 运行 状 态 进 行 必 要 调节 ， 能直观 检测 到 汽轮 机 的安全 状态 图 3画 面 组 态 4 结语 通过 丰 源热 电 2 5 Mw 小 型供 热机 组 的试运 行 ， P L C在 汽轮 机保 护 系 统 中 表 现 出较 好 的可 靠 性 、 灵 敏性． 在硬件方面大大减少了中间继电器的使用 ， 减 少了故障点 ， 方便操作和维护 ， 并能为汽轮机事故跳 闸后提供可靠 的历史数据． 参考 文 献 [ 1 ]梁德成 ． 西 门子 s 72 0 0 P L C入 门及 应 用分 析 [ M] ． 北 京 北 京电力 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 2 ]赵 国． 汽轮机 [ M] ． 北京 北 京电力出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 3 ]谷俊杰 ． 汽轮机控制 、 监视 和保 护 [ M] ． 北 京 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ]廖常初 ． s 72 0 0 P L C应用 技术 [ M] ． 北京 机械 工业 出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ]黄保海 ． 汽 轮机原 理 与 构造 [ M] ． 北 京 机 械工 业 出版 社 ， 2 0 0 2． [ 6 ]常 桂 莲 ． 汽 轮 机 下 册 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出 版 社 。 2 0 0 2． [ 7 ] 袁 秀 英 ． 组 态 控 制 技 术 [ M] ． 北 京 机 械 工 业 出 版 社 ． 2 0 0 4 ． [ 8 ]马 国华 ． 监控 组态 软 件及 其应 用 [ M] ． 北 京 机 械工 业 出版 社 ， 2 0 0 5 ． Ap pl i c a t i o n o f Pr o g r a m ma bl e Lo g i c Co nt r o l l e r i n t he Pr ot e c t i on Sy s t e m o f M i n i - t y pe Tur b i ne L I ANG D e c h e n g，Z HU X u e j a n N o rt h C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o e l e c t r i c P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ，C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a pe r，a p pl i c a t i o n o f Pr o g r a mma b l e L o g i c Co n t r o l l e r i n t h e pr ot e c t i o n s y s t e m o f mi ni t yp e t ur b i ne i s i nt r o d uc e d． S o me p r o c e d u r e s a n d fl o w c h a rt o f t h e s y s t e m a r e g i v e n ．F u r t h e r mo r e ，t h r o u g h t h e s c r e e n c o n f i g u r a t i o n，t u r b i n e t r i p p r o t e c t i o n f u n c t i o n i s r e a l i z e d mo r e i n t ui t i v e l y． Ke y wor dsmi ni t y p e t ur b i n e；Pr o g r a mma b l e Lo g i c Co n t r o l l e r；s y s t e m p r o t e c t i o n 责任编辑 杜明侠