（1神华国能集团有限公司重庆发电厂；2中电投远达环保（集团）股份有限公司）
摘要：随着科技的不断发展，电厂热工保护系统也开始向自动化方向发展。本文从加强电厂热工保护系统分析的必然性、电厂热工自动化现状及PLC在电厂热工保护系统改造中的应用进行了分析。同时阐述了基于PLC的火电厂汽轮机热工保护系统的设计要点和实现过程。
关键词：PLC；热工保护系统；电厂汽轮机；设计；实现
热工保护系统是电厂的核心，对电厂的正常运营起着非常重要的作用。在科技不断进步的新时期，我们要加强电厂热工保护系统自动化的运用，对热工保护系统做好相关检测工作，确保电厂的稳定运行。
一、加强电厂热工保护系统分析的必然性
近年来电力企业取得了快速的发展，而且其技术开始向自动化和智能化的方向发展，这就使电厂的热工系统的安全性和可靠性得到较好的保证。但还是很难避免故障的发生，所以需要在日常工作中及时对故障做好相应的防范措施，从而起到预防和控制的目的，避免故障的进一步扩大。热工保护系统是为热力设备安全运行起着保障作用，所以其动作的正确率是至关重要的，这就需要在当前技术水平不断提高的情况下，加强对热控保护的研究力度，使其与其他专业进行有效的结合，从而减少或是避免热工保护系统故障的发生，确保电厂热工设备的正常运行，使电厂的经济效益和社会效益得以实现。
二、电厂热工自动化现状
2.1当前，随着我国火力发电事业的快速增长，电厂热工自动化也随之发展起来，并且电厂热工自动化技术的发展也促进了电力事业的发展，二者具有相互促进的作用。
2.2 随着科技水平的提高，电厂热工自动化的水平也得到了很大的提高。从电厂的自动装置看来，组装仪表有以前的非数字化的发展到现在的数字化仪表的应用，自动控制设备得到了全面的革新，有些机组采用了微型计算机来开环监控，数据的采集和处理，并且配以CRT显示，提高了人机交互界面，也大大提高了机组的监控水平；局部程控和热工保护的研制，使用工作取得了很大的进展；大型火力发电机组的一个重要特点是使用了协调控制系统，不论是国产的大型机组还是进口的机组都采用了协调控制系统；另外，微机分散控制系统的引进和和消化工作也正在进行中。这一切都使我国的电厂热工自动化技术达到了一个新的高度。
2.3 虽然现在我国的电厂热工自动化技术有了很大改善和提高，但是和欧美等发达国家相比，我们还有相当的差距。我们和国外最大的差距是自动装置的使用率很低，具体除了主设备的可操控性差外，还有一个就是测量装置和执行机构存在问题，这些问题都将会影响到热工自动化的进程
三、PLC的功能以及基于PLC热工保护系统的优势分析
3.1 PLC 的功能分析
PLC（Programmable Logic Controller，可编程控制器）可以取代传统继电器在电力控制系统中发挥的逻辑控制作用，并且其梯形编程非常容易，即便是非专业人员也可以通过在线修改完成。除了编程比较容易之外，PLC的功能也非常丰富，既能完成比较复杂的逻辑控制，也能实现整个系统的智能与模拟量控制、远程通讯、上位机监控以及计算机联网，其内部丰富、全面的信息处理指令系统以及信息存储系统构件可以让其轻松完成数据的运算和逻辑问题的分析与处理。
3.2 PLC的特点
（1）作为取代继电器控制逻辑设计的控制技术，PLC 延续并应用的编程方法是继电器梯形图或原理图的，包括有线圈、连线、触点等方面的概念，常见的是图形梯形编程应用于PLC中，在使用现场非计算机人员就能完成，在线可以修改程序。这显示了PLC编程方便。
（2）功能丰富，拥有丰富的存储信息和处理信息的指令系统以及内部件，能够进行不同数据运算和逻辑问题处理。它能够实现智能控制、模拟控制，而且能完成复杂的控制逻辑；能在上位机、计算机联网、远程通讯进行监控。
（3）在大同小异的通讯、编程语言、形式、结构等方面，热工保护系统中有应用在不同控制要求的PLC系列产品，具有经济合理性。
3.3 基于PLC热工保护系统的优势分析
PLC 在热工保护系统的应用可以有效提升保护系统的各项性能，拥有更多优势：
第一，系统结构简单。PLC应用到热工保护系统中以后，运行可靠性得到提升的同时系统结构依然比较简单，维修组件的插接以及安装过程都比较简便，同时也可以进行I/O模件的卡件式设计；
第二，PLC 的动态编程使用的是梯形图，为监视、修改以及组态工作的进行提供了诸多便利；
第三，保护系统可以采用双电源供电模式，为系统的工作提供了更加稳定、连续的运行环境；
第四，使用上位机进行监控，其可以将状态监视、实验记录、报表打印以及报警查询基于一体，有效减少了工作人员的工作量。
四、PLC在电厂热工保护系统改造中的应用
4.1 PLC 应用于电厂热工保护系统改造后的系统构成
如下图所示，将PLC应用到电厂热工系统的改造中以后，系统主要有上位计算机以及C200HGPLC控制器这两个部分构成，并且二者使用 RS232电缆进行通讯。在实际改造过程中，欧姆公司所生产的 SYSMACC200HGPLC是应用得最为广泛的一种可编程控制器，其主要包括扩展机架和 CPU 机架这两个主要组成部分，其中扩展机架包括电源单元、扩展底板以及扩展 I/O等构成部分，而 CPU 机架则包括 C200HGCPU、CPU 底板、I/O 单元以及电源单元这四个部分。
4.2 PLC 应用于电厂热工保护系统改造后系统功能的实现方式
将 PLC 应用到电厂热工系统的改造中以后，系统主要通过上位机与PLC 的串行通讯进行工作沟通，实现运行环境的稳定以及操作的及时性。具体工作流程如上图2所示：C200HGPLC 控制器接收到个人计算机（上位机）发射过来的停止或者启动信号以后就开始编制梯形图逻辑回路，C200HGPLC 控制器的脚号和信号之间的对应关系与个人计算机中脚号和信号之间的对应关系有一定规律，二者之间信号的转换以脚号为准。举例来说，当人工控制需要执行RD操作时就需要输入SD信号，SD信号在个人计算机中与脚号“3”对应，C200HGPLC 控制器接收到该信号以后，就会启动与“3”相对应的RD 操作，以此方法实现对C200HGPLC控制器相应输出点的控制。二者之间传递的信号采用的是串行通讯格式，该种通讯格式采用的是ASCⅡ码，通讯速率为 9600bit/s，有2位停止位和7位数据位，同时还有奇偶校验位。
五、基于PLC的火电厂汽轮机热工保护系统的设计
为有效消除传统继电器控制下的汽轮机热工保护系统的安全隐患，在火电厂轮机热工保护系统在电厂整个系统中的重要性基础上，结合PLC的诸多优点，以某300WM电厂机组的汽轮机保护系统为例，将PLC背景下的汽轮机热工保护系统的设计和实现进行了分析。
5.1 硬件设计
汽轮机保护PLC控制系统的硬件构成图如下图所示，PLC采用Omron CS1D 系列模件。其中，32点DO模件两个，32点DI 模件三个，整个硬件系统使用了 一个PLC主机架，为有效提高PLC 系统的可靠性和安全性，此系统还采用了双CPU 冗余热备运行和双电源模件供电的模式。
如上图所示，即为300MW机组给水泵小汽机保护系统的硬件构成图。值得注意的是，在此结构下，I/O 信号即开关量输入、输出信号应进行如下设置，即将开关量输入信号DI为36点，开关量输出信号DO为26点。
5.2 软件设计
（1）润滑油系统设计
采用三取二逻辑，即只要满足两个条件，即将发出跳闸信号，同时联动排烟风机和直流油泵，且产生相应的事故追忆。若润滑油箱油位较低，则禁止投加热器；若交流润滑油泵出口母管油压较低，则联启两泵，同时启动直流油泵。若直流油泵出口油压较低，则联动排烟风机，并发出报警信号。当隔膜阀上部润滑油压较低时，亦采用三取二逻辑，进而确认汽轮机是否已跳闸。
（2）汽轮机排气压力设计
同样采用3个测点，并采用三取二逻辑，即将报警信号送至DCS，此时会产生汽轮机排汽压力值的中间点，若汽轮机排汽压力发出高超指令，则排汽压力跳闸，同时信号自动锁定。
（3）汽轮机机轴振系统设计
根据汽轮机轴向位移达跳闸值 A、B、C 的3个信号，采用三取二逻辑产生汽轮机轴向位移大跳闸信号和汽轮机振动大跳闸信号，同时汽轮机偏心达跳闸值信号将分别产生汽轮机振动达跳闸值跳闸信号和偏心达跳闸值跳闸信号。以上3 类信号任何一种信号出现非正常工作状态，即都会导致汽轮机跳闸。
（4）集控室信号设计
当请求跳闸和电超速任何一个信号指令发出，则都会达成MEH 跳闸请求信号，进而使集控室DCS下发的MCS 请求跳闸信号，集控室手动停机按钮信号，以及就地手动停机按钮信号均会分别产生跳闸条件。
（5）小汽机跳闸逻辑设计
汽轮机跳闸逻辑图，如图所示。
以上的12个跳闸条件均为或逻辑关系，即任意一个发生跳闸条件，都会导致汽轮机跳闸。鉴于汽轮机跳闸会导致整个机组跳闸，为便于汽轮机跳闸后对事故进行分析和处理，控制逻辑中对这l2个小机跳闸条件进行首出记忆，即将引起汽轮机跳闸的第一原因记录并保持。对此，还可采用具有功能增强的RS触发器模块，如Keep模块，其不但会对其达到增强效果，而且具有掉电保持功能。
六、基于PLC的火电厂汽轮机热工保护系统的实现
PLC背景下汽轮机热工保护系统的实现可分为硬件初始化，初始化检查，程序下装，以及程序运行4个阶段，具体如下。
1.硬件初始化
硬件初始化可分为以下4 步骤，①将单机或双机模式开关设定成为 DPL双机模式；②CPU 单元开关的设定应根据实际出发，一般是将左边的CPU运行状态调整到ACT LEFT，右边的调整到ACT RIGHT，即对应调整到ACT上；③将CPU USE和NO USE 两个开关设置成USE，对应的CPU供电设置成ON；④设定双机单元上的通信开关，若选取的是网络类型为ToolBus，则将CX—Programmer 连接到运行CPU的 RS一232C端n时，将双机模块的COMM 开关设定成ON；若选取的是网络类型为SYSMAC.WAY 时，COMM开关没定成 OFF。
2.初始化检查
初始化检查可分3步骤完成，即首先检查供电配线和电压是否有异常，若无异常，则给电源模块供电；其次，检查双机单元上的DPL STATUS 指示灯颜色，应为绿色；最后，检查运行CPU单元的ACTIVE指示器是否为绿色，应为绿色。
3.程序下装
即当PLC处于PROGRAM模式时，通过专用编程器中的CX—Programmer 软件或计算机将控制软件下装到PLC的CPU单元中。待数据传送至运行中CPU 单元后，检查确定双机单元上的DPL STATUS 指示器是否为绿色，若绿色，即说明双机系统正在初始化。若两个CPU单元之间传输不同，则会导致双机确认错误，此时DPL STATUS指示器为红色，此时应按下初始化开关，即可排除，若还无法排除，则应考虑是硬件错误导致的传输不一致，进而作出调节。
4.程序运行
程序下装后，即PLC处于PROGRAM模式时，应强制开关各种数字量，并确认相应的输出运行是否正确。若程序正常运行，且汽轮机各种信号有效，则将PLC切换到 MONITOR 模式，以测试PLC运行，需要注意的是，此时是不能对程序进行强制的。
七、提高热工保护系统可靠性的意义
热工保护系统是火力发电机组不可缺少的重要组成部分，热工保护的可靠性对提高机组主辅设备的可靠性和安全性具有十分重要的作用。热工保护系统的功能是当机组主辅设备在运行过程中参数超出正常可控制的范围时，自动紧急联动相关的设备，及时采取相应的措施加以保护，从而软化机组或设备故障，避免出现重大设备损坏或其他严重的后果。但在主辅设备正常运行时，保护系统因自身故障而引起动作，造成主辅设备停运，称为保护误动，并因此造成不必要的经济损失；在主辅设备发生故障时，保护系统也发生故障而不动作，称为保护拒动，并因此造成事故的不可避免和扩大。
随着发电机组容量的增大和参数的提高，热工自动化程度越来越高，尤其是伴随着DCS分散控制系统在电力过程中的广泛应用和不断发展，DCS 控制系统凭借其强大的功能和优越性，使机组的可靠性、安全性、经济性运行得到了很大的提高。但由于参与保护的热工参数也随着机组容量的增大而越来越多，发生机组或设备误动或拒动的几率也越来越大，热工保护误动和拒动的情况时有发生。因此 提高热工保护系统的可靠性，减少或消除DCS系统失灵和热工保护误动、拒动具有非常重要的意义。
八、总结
综上所述，热工保护作为电厂至关重要环节之一。与传统控制方式相比，在PLC基础上建立的火电厂汽轮机热工保护系统所用的外部继电器及外部线路均显著减少，而且其基于程序控制的特性，大大提高了系统的稳定性、易维护性，以及可拓展性。所以，其对在整个电厂系统中的作用和价值是显而易见的，值得深入挖掘。
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作者简介：
江海燕，女（1982-02-）重庆，神华国能集团有限公司重庆发电厂热工保护技师
论文作者:江海燕,余宇
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：热工论文; 系统论文; 汽轮机论文; 电厂论文; 信号论文; 双机论文; 机组论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;