何鑫
摘 要:可編程控制器(PLC)是七十年代發(fā)展起來的新一代工業(yè)控制裝置,是自動控制、計算機和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物,是一種專門用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制的現(xiàn)場設備。由于控制對象的復雜性,使用環(huán)境的特殊性和運行的長期連續(xù)性,使PLC 在設計上有自己明顯的特點:可靠性高,適應性廣,具有通信功能,編程方便,結(jié)構(gòu)模塊化。在現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)中,PLC 已經(jīng)成為一種重要的基本控制單元,在工業(yè)控制領(lǐng)域中應用前景極其廣泛。
介紹了汽輪機主保護的任務,分析了汽輪機保護系統(tǒng)(ETS)的現(xiàn)狀,對SIEMENS S7—200 PLC進行了詳細介紹,利用S7—200 PLC對該機組保護系統(tǒng)的邏輯編程,并利用PLC設計汽輪保護控制系統(tǒng),靈活,可靠地實現(xiàn)汽輪機保護跳閘、記憶功能,取得了滿意效果。
關(guān)鍵詞:PLC控制;汽輪機;保護系統(tǒng);安全有效
1 汽輪機的原理
從能量轉(zhuǎn)換的角度而言,汽輪機是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功的旋轉(zhuǎn)式動力機械。這些蒸汽可能來自鍋爐燃料燃燒,加熱給水產(chǎn)生的,也可能是其他高溫、高壓的蒸汽發(fā)生設備產(chǎn)生的。汽輪機輸出的動能驅(qū)動發(fā)電機,進一步將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,供給工業(yè)生產(chǎn)和生活需要。與往復式活塞式動力機械相比較,汽輪機具有功率大、轉(zhuǎn)速高、經(jīng)濟性好等顯著特點。因此,汽輪機在國民經(jīng)濟中,起著舉足輕重的作用,在各個領(lǐng)域有著廣泛的應用。如圖1所示汽輪機原理圖。
在汽輪機中,蒸汽的熱能(焓)被轉(zhuǎn)換成機械功,完成這個能量轉(zhuǎn)換的基本單元叫做汽輪機的葉片級。
汽輪機的某個級,它主要由靜葉柵(有稱噴嘴)和動葉柵組成。靜葉片安裝在汽輪機靜止的部件上,動葉片安裝在有可旋轉(zhuǎn)的輪盤上。汽輪機的通流部分是由主進汽閥、調(diào)節(jié)閥、若干個葉片級和排汽缸所組成,它負擔著把蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換成機械功的任務。
2 汽輪機的自動控制系統(tǒng)
汽輪機的自動控制系統(tǒng)包括調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)兩部分。
1).汽輪機的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)
汽輪機的調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的功能主要是使機組的被調(diào)量(轉(zhuǎn)速、壓力等)能按一定的規(guī)律變化,以適應復核(電功率、熱負荷或驅(qū)動功率等)變化的要求;當機組發(fā)生故障后外界干擾時,能采取緊急保安措施,以確保機組的安全。
為確保機組安全經(jīng)濟運行,調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)必須動作正確可靠,性能優(yōu)良。必要時,可采用冗余技術(shù)和自診斷、快速查找故障、方便在線維修、自動/手動的無擾動切換等手段。
2).汽輪機的安全監(jiān)控系統(tǒng)
汽輪機的安全監(jiān)控系統(tǒng)是保護汽輪機安全運行的重要設備。目前,安全監(jiān)控系統(tǒng)的主要監(jiān)控項目有:冷凝器低真空、轉(zhuǎn)子軸向位移和推力軸承磨損、轉(zhuǎn)子與汽缸間的相對膨脹(脹差)、絕對膨脹、潤滑油壓、機組震動、轉(zhuǎn)子彎曲、軸承和潤滑油溫度等。
在上述安全監(jiān)控項目中,又可分為監(jiān)視項目和保護項目兩款。監(jiān)控項目只對被監(jiān)視參數(shù)進行連續(xù)、有效、準確的監(jiān)視(包括記錄)。當被監(jiān)視的參數(shù)超過允許極限值時,能發(fā)出聲光報警信號,提請運行人員注意,以采取相應的糾正措施。保護項目則要求在被監(jiān)視的參數(shù)超限時,保護裝置能準確、可靠、及時地動作,實現(xiàn)強迫停機,以免事態(tài)進一步擴大,確保機組安全。
3 汽輪機保護系統(tǒng)的實現(xiàn)
PLC型汽機保護系統(tǒng)邏輯功能是在原以繼電器為基礎(chǔ)的邏輯功能上加以改進的,通過軟件組態(tài)滿足系統(tǒng)工藝要求,當汽輪機發(fā)生故障,發(fā)出相應的故障報警信號,汽輪機自動跳閘,來保護汽輪機。
1) 汽輪機保護系統(tǒng)的硬件設計
汽機保護PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示,采用西門子S7-200系列模件,整個硬件系統(tǒng)使用了一個PLC主機架,為了提高PLC系統(tǒng)的可靠性,采用雙CPU冗余熱備運行和雙電源模件供電,這樣也大大提高了保護控制系統(tǒng)的安全可靠,同時控制邏輯軟件中能使汽輪進行跳閘保護并付出報警信號,為汽輪機跳閘后事故分析提供了依據(jù)。
2) 汽輪機保護系統(tǒng)邏輯功能的實現(xiàn)
PLC型微機保護系統(tǒng)設有:超速14%PLC型汽機保護原理保護、軸向位移及推力軸承回油溫度高保護、高壓缸相對膨脹保護、凝結(jié)器真空低保護、支持軸承回油溫度高保護、潤滑油壓低保護、發(fā)電機差動保護、手動停機跳閘等條件。以上幾個條件只要有任一條件滿足,則主汽門就關(guān)閉并發(fā)出相應的報警信號。
4 汽輪機保護系統(tǒng)中的傳感器
在汽輪機保護系統(tǒng)中所應用到的傳感器種類很多,在汽輪機保護中,需要傳感器對其保護,發(fā)出相應的信號,對汽輪機組發(fā)出報警信號,并對其跳閘保護。電渦流位移傳感器是其主要應用,振動的測量要靠各種振動傳感器,在旋轉(zhuǎn)機械上使用較多而又成熟的傳感器主要有:電渦流位移傳感器。
電渦流傳感器是通過傳感器端部線圈與被測物體(導電體)間的間隙變化來測物體的振動相對位移量和靜位移的,它與被測物之間沒有直接的機械接觸,具有很寬的使用頻率范圍(從0~10Hz)。電渦流傳感器的變換原理簡要介紹如下:在傳感器的端部有一線圈,線圈通以頻率較高(一般為1MHz~2MHz)的交變電壓(見圖3),當線圈平面靠近某一導體面時,由于線圈磁通鏈穿過導體,使導體的表面層感應出一渦流ie,而ie所形成的磁通鏈又穿過原線圈,這樣原線圈與渦流“線圈”形成了有一定耦合的互感,最終原線圈反饋一等效電感。而耦合系數(shù)的大小又與二者之間的距離及導體的材料有關(guān),當材料給定時,耦合系數(shù)K1與距離d有關(guān),K= K1(d),當距離d增加,耦合減弱,K值減小,使等效電感增加,因此,測定等效電感的變化,也就間接測定d的變化。
由于傳感器反饋回的電感電壓是有一定頻率(載波頻率)的調(diào)幅信號,需檢波后,才能得到間隙隨時間變化的電壓波形。即根據(jù)以上原理所述,為實現(xiàn)電渦流位移測量,必須有一個專用的測量路線。這一測量路線(稱之為前置器)應包括具有一定頻率的穩(wěn)定的震蕩器和一個檢波電路等。渦流傳感器加上一測量線路(前置器),如框圖4所示:從前置器輸出的電壓Vd是正比于間隙d的電壓,它可分兩部分:一為直流電壓Vde,對應于平均間隙(或初始間隙),一為交流電壓Vac,對應于振動間隙。
5 汽輪機保護系統(tǒng)的總結(jié)與展望
隨著算機技術(shù)的不斷發(fā)展,可編程序控制器的功能有了很大的提高,它不再僅僅局限于完成順序邏輯控制功能。多數(shù)的可編程序控制器采用通用的高性能處理器,在保證快速完成順序邏輯運算的前提下,普遍增加了回路調(diào)節(jié)功能,代數(shù)計算功能等??删幊绦蚩刂破骷航?jīng)成為工業(yè)控制的標準化設備,在工業(yè)企業(yè)中應用相當普遍,是自動化的三大技術(shù)支柱之一。
在電力統(tǒng)中,電廠的中小型機組一般都是老機組,服役時間長,設備老化。在這些機組中,普遍存在著一些由繼電器回路構(gòu)成的控制保護系統(tǒng)。這些繼電器控制系統(tǒng)由于連線多,觸點多,故障不容易查找和排除,存在著不少的安全隱患。而可編程序控制器的可靠性高,維護工作量小,適應性強。因此在對火電廠中小型機組進行改造中,利用可編程序控制器對原有的繼電器控制系統(tǒng)進行改造,從而提高控制系統(tǒng),保護系統(tǒng)的功能以及可靠性,這將是一種必然趨勢。
隨著可編程控制器在電廠機組的順序控制,回路控制等方面的更廣泛應用,設計并實現(xiàn)可編程序控制器系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡,在火電廠分布式計算機監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)和研制中將占有重要地位。針對控制對象的特點和實際操作的要求,進一步的深入研究通信網(wǎng)絡的通信機制,開發(fā)出適應性更強,更靈活的監(jiān)控軟件將是以可編程序控制器為主的監(jiān)控系統(tǒng)今后的主要工作和主要趨勢。
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