PDF《PLC在锅炉联锁保护系统中的应用》

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chuandong.com 控制系统 CD技术与应用 CONTROL SYSTEM 文章编号:160508 摘要:作为工业的重要动力来源,锅炉在现代工业生产中,尤其是石油 化工、电力等工业中得到了越来越广泛的应用.随着控制技术的发展, 越来越多的高性能电子设备在锅炉系统得到了应用.PLC应用于锅炉控 制系统,克服了传统的锅炉控制系统的弊端,大大的增加了锅炉运行的 安全性和可靠性.本文介绍了锅炉点火管理系统和燃烧控制系统. 中国石油化工股份有限公司济南分公司 张瑞妍 何龙PLC在锅炉联锁保护系统中的应用 Application of PLC in Protection Used for Boiler Unit

1 引言 燃烧管理系统(BurnerManagementSystem),简称BMS,是现代大型锅炉机组必须 具备的一种监控和联锁系统,是自动控制系统中 对锅炉及机组最为重要的安全管理控制系统.通 过检测燃料气压力、锅炉汽包液位、火焰检测等 主要参数,实现自动点火和自动控制.确保锅炉 的安全运行.锅炉炉膛安全监控系统(Furnace Safeguard Supervisory System)简称FSSS,它 包括燃烧器控制系统(BCS)和燃料安全系统 (FSS).FSSS在锅炉的启动、运行及停止过 程中对锅炉进行智能化自动管理,并且在运行中 对锅炉运行的各种安全参数进行连续的检测,根 据检测结果,系统会自动按照预先制定的控制逻 辑对各种情况做出操作、告警或跳闸等必要的处 理.避免了爆炸性的气体燃料混合物在炉膛及烟 道内聚积,在危及锅炉安全的工况时,迅速切断 进入炉膛的所有燃料,有效地防止了锅炉事故的 发生.

2 锅炉炉膛安全监控系统 锅炉炉膛安全监控系统 (Furnace Safeguard Supervisory System)简称FSSS,锅炉安全监控 系统是一个燃烧器管理和燃料安全联锁系统,它 能在锅炉正常工作,启动和停止等运行方式下, 连续监视燃烧系统的参数与状态,并且进行逻辑 运算和判断,通过联锁装置,使燃烧设备中的有 关部件按照规定的合理程序完成必要的操作或处 理未遂性事故,以保证锅炉炉膛及燃烧系统的安 全,它在防止设备故障所引发锅炉炉膛爆炸方面 起着重要的作用. 2.1 系统逻辑控制功能 由吹扫、预点火、油泄漏测试、自动点火、 MFT、OFT、总阀控制、火焰检测等几部分组成, 下面就几个主要部作分别介绍. 2.1.1 吹扫功能 吹扫功能的主要任务是:在锅炉跳闸以后和 重新启动锅炉时,燃料被送入炉膛之前,保证用 风彻底吹扫炉膛,消除任何可能引起爆燃的混合 物,并且监视影响这一清扫过程的设备状态是否 正确,此过程要保持5分钟,以保证炉膛彻底换 气.吹扫逻辑如图1所示. 2.1.2 预点火功能 吹扫完成之后,操作员复位MFT和OFT跳闸 继电器,并打开主油阀,系统将检查投油允许条 件是否满足,并发出"允许点油"的指示. 2.1.3 油泄漏测试功能 本系统可进行燃油系统泄漏试验,检查主油 阀及各个支路油阀是否严密,以保证当主油阀或 各个支路油阀关闭时,无油漏入炉膛. 2.1.4 自动点火功能 自动点火功能的主要任务是:锅炉吹扫和 预点火完毕后,在集控室用BTG盘实现点火的方 式.BTG盘上标有"远方/就地"转换开关.当打 到就地档时,系统则可进行现场就地的点火方式;

当打到远方档,则可在集控室自动点火.自动点 火逻辑如2图所示. 2.1.5 燃料安全功能 系统将连续监测锅炉运行中的某些设备的运 行状况是否正确.如果这些条件中有一项超出了 预先设定的极限值,送入炉膛的全部燃料即被切 断,同时给出一个首出跳闸原因指示. 在BTG盘上显示有锅炉吹扫信息,MFT首出 原因信息,点火条件信息,油泄漏测试信息,OFT 首出原因信息,火焰检测信息,给粉机运行状态 信息,自动点火信息. 在BTG盘的底部,还有相应的手动开关. "手动MFT"操作开关:为防止操作员的误动 作,"手动MFT"操作开关有连锁按钮,只有在 按下鲜红色按钮的同时,将"手动MFT"开关打 到跳闸档,方可实现手动MFT.复位则只需单独 将"手动MFT"开关打到复位档即可."远方/就地"切换开关:对集控室自动点火操作和就地点 火操作"远方/就地"切换."手动OFT"开关: 可实现手动OFT跳闸和复位.

3 火焰检测系统 对火检的改造,继续使用FIREYE公司IDD-II 型火检的更新替代产品,为该公司最新的INSIGHT 系列带有内部火焰继电器的智能一体化火焰检测 器,型号为95IR S2-2. FIREYE系列的INSIGHT型火焰检测器基于微 处理器设计原理;

火焰检测器自身带有火焰继电 器输出,并且可以人工调整有火焰和无火焰的判 断门槛值,因此无需传统的火焰放大器,可以用 于检测多个燃烧器工况下的火焰;

火焰检测器实 时在线检测目标火焰产生的闪烁频率信号强度, 选择最佳火焰的调制特性,并可手动调节调制频 率和放大增益;

火焰检测器有3种火焰频率可选 择、可调放大增益、有火焰继电器输出干接点、 4-20mA 火焰闪烁频率信号强度输出、干接点输 出故障信号;

火焰检测器需要24VDC电源,配有 快装接头,具有故障自检功能(不再需要机械快 门),INSIGHT火焰检测器自身带有一个显示/调 节面板,便于观察火焰检测器的运行状态和参数 设定. 95IR S2-2的工作特性为:内含一个红外火 焰传感器,响应红外光谱为700-1700纳米波长, 这种传感器适合于油和煤燃料的情况;

检测器测 量目标火焰产生的闪烁频率,在检测器的设定过 程中,选择产生最佳有火火焰的分辨频,并可手 动调节合适的频率和传感器增益;

选定了火焰频 率后,输入火焰继电器的有火/无火门槛值,在4―20mA的火焰实时闪烁频率信号强度输出中, 最小值(4mA)代表信号强度为"0",最大值 图1 控制逻辑 图2 控制流程

80 81 kzcd.chuandong.com 控制系统 CD技术与应用 CONTROL SYSTEM (20mA)代表信号强度为"100";

当信号强度 达到或超过已设定的火焰"有火"的门槛值时, 火焰继电器接点闭合,当信号强度等于或低于已 设定的"无火"门槛值时,火焰继电器接点打 开;

当检测器正常供电(24VDC)和检测器内部 内部自检回路时,故障继电器得电,如果检测器 有电压干扰或检测到内部故障时,故障继电器闭 合用于报警指示. 火焰检测系统使用引进的美国FORNEY公司 技术生产的IDD-Ⅱ型火焰检测装置,由光纤探 头,放大器及相应的冷风系统等部分组成.该火 焰检测装置具有很高的探测灵敏度,可靠的工作 线路和更强的信号输出能力.同时,在外形结构 上也采用了高防护等级的插头和插座,可以做到 防水和防尘,以确保探测器在恶劣的环境条件下 能够稳定而可靠的工作.该产品适用于燃油及燃 煤的各种火焰信号,长期工作,稳定可靠.可广 泛应用于火电、化工及冶金等行业的大中小型锅 炉的燃烧器中.火检系统构成如图3所示.

4 PLC控制系统 PLC硬件采用了SIEMENS公司的带硬件控制 器的 S7-400 系列模块化自动化系统(AS414-4- 2H控制器),为双CPU硬件冗余配置.同时增加 了冗余的IO卡件,达到IO通道级别的冗余,提高 了系统的安全级别. 可编程序逻辑控制器(PLC)主要由处理器、 I/O 系统、网络通信系统、电源、安装附件等构 成.为保证系统的可靠性,PLC 的处理器(包括 各控制子系统的处理器)采用双机热备系统,采 用了全硬件的冗余控制器,完全实现无扰切换. PLC所选用的的模板均具有自诊断功能. PLC系统应能够满足所需的热备冗余配置要求.对图3 火检系统结构简图 图4 改造后整个系统的结构图 硬件的地址分配设置、I/O的量化等均可采用组态 的方式完成. 热备系统由两套配置完全相同的独立CPU单元(即双CPU模块、双电源模块、双通讯模块、 双底板等)通过热备网络来通讯,其中一台作为 控制主机,另一台作为后备机同步扫描. 系统选用S7-400H 系列模块化容错式可编 程控制系统,其多个选定部件被组合到一起(模 块化无风扇的设计;

强大的扩展能力和坚固的结 构;

单一或冗余设计;

全面的通讯功能;

集成的 系统功能;

集成安全功能 (Safety Integrated);

简 单连接集中式或分布式 I/O). 使用高可用性的可编程控制器的目的是为了 减少生产损失,停工的成本越高,越需要容错系 统.在很多的实际应用中,对冗余质量的要求或 者对冗余PLC 必备系统各部分的数目的要求, 都不能确保专业容错系统的使用.通常,简单的 软件机制就足以允许当错误事件发生时,在一个 替代系统中继续运行没能正常执行的控制任务. "SIMATIC S7 Software Redundancy"可选软件 可以在S7-400 标准系统上运行,去控制生产过 程.出现故障时,可在几秒内转换到替代系统. 4.1 容错式可编程控制系统 S7-400H 可编程控制器满足高可用性的需 要,是一种智能化和分布性达到了最新技术水平 的可编程控制器.进一步讲,该系统在控制、调 节与监视单元和系统的全部功能以及获取和准备 过程数据的全部功能中都起着重要的作用,并且 能保证最高的系统性能. S7-400H 是按冗余方式设计的,可以在任何 事件发生后继续使用.这表明它所有的主要器件 都是双重的.按照方案设计成双重器件的有中央 下转第68页 处理器(CPU)、电源模板以及连接两个中 央处理器的硬件.用户可以自行决定在即将使用 的自动化系统中是否需要更多的双重器件以增强 设备的可用性. 冗余节点代表了带有容错器件的系统的容错 性.节点内的一个原件发生故障时不会影响和它 相联的其它节点或整个系统的可靠性,这就是冗 余节点的独立性.冗余节点链接中最薄弱的环节 决定了整个系统的可用性.对于2002系统如果有 一个冗余节点的部件故障,不会对整个系统的可 操作性造成影响.冗余节点链中的最弱链路决定 了整个系统的可用性. 4.2 容错式系统基本结构 容错式系统基本结构由构成容错式控制系统 的必备硬件单元组成,主要由下面几个基本部分 组成: (1)中央处理单元:S7-400H的核心是两 个中央处理单元(CPU).须将同步化子模板插 到CPU 内,对其进行设置,并决定机架的号码. (2)S7-400H 的安装机架:建议使用 UR2-H 机架安装S7-400H.此机架可以安装2个独 立的子系统,每个系统含有9个槽,适合安装到19 英寸宽的机柜中.另外还可以在两个独立的安装机 架中配置S7-400H,为此提供有两个安装机架. (3)电源:可从S7-400 标准系列单元中选 择电源模板.每个容错CPU需要一个电源模板. 更准确地说,S7-400H 双子系统中的每个子系统 都需要一个电源模板. (4)同步子模板:用同步化子模板连接两个 中央处理器.它们已放置在中央处理器内部,并 由光缆完成互连任务. (5)光纤电缆:光缆用在同步子模板内.用 它完成2 个中央处理器之间的物理连接(冗余链接 方式).如图4所示.

5 结束语 采用西门子PLC作为过滤系统控制,不仅简 化了系统,提高了设备的可靠性和稳定性,同时 也大幅地提高了燃烧能的热效率.保证了锅炉的 安全平稳运行. CD