摘 要：對GE公司三重冗余PLC系統(tǒng)GMR的構(gòu)造、性能特點(diǎn)、冗余容錯(cuò)特性、輸入輸出三重化表決方式和系統(tǒng)故障自我診斷功能等各方面特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并重點(diǎn)介紹了湖北西塞山發(fā)電有限公司超超臨界汽輪機(jī)組ETS跳閘保護(hù)系統(tǒng)采用的GMR系統(tǒng)的硬件配置、總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成和工作特點(diǎn)，最終說明了超超臨界機(jī)組采用GMR系統(tǒng)后，跳閘保護(hù)系統(tǒng)的安全型和可靠性達(dá)到了很高的水平，從而保證了超超臨界機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：超超臨界；容錯(cuò)；三冗余；保護(hù)；總線

引言

湖北西塞山發(fā)電有限公司#3、4號機(jī)組是湖北省境內(nèi)首批超超臨界機(jī)組，其汽輪機(jī)由東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)，機(jī)組控制系統(tǒng)采用上海Foxboro I/A Series DCS系統(tǒng)。機(jī)組整體效率高達(dá)45.4%，供電煤耗283.2克/千瓦時(shí)，具有國際先進(jìn)的能耗和環(huán)保水平，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益前景巨大。

隨著高參數(shù)、大容量機(jī)組的發(fā)展，發(fā)電廠的安全、平穩(wěn)運(yùn)行對整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行影響越來越大，而機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)自身的可靠性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)主要由汽機(jī)ETS系統(tǒng)和鍋爐FSSS系統(tǒng)組成，F(xiàn)SSS系統(tǒng)一般在DCS中一體化設(shè)計(jì)，而ETS多采用獨(dú)立的PLC控制器，來自機(jī)組的各種緊急停機(jī)信號，經(jīng)ETS系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷后，輸出汽輪機(jī)遮斷信號，其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的高低對于機(jī)組安全至關(guān)重要。

伴隨各種冗余、容錯(cuò)技術(shù)的長足發(fā)展，機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)逐漸從普通的獨(dú)立控制器，發(fā)展為控制器、網(wǎng)絡(luò)、卡件和信號等多方面、多層次冗余和容錯(cuò)的安全型控制器。其中，尤以GE公司的三冗余GMR系統(tǒng)最具代表性。

1 GE三冗余PLC系統(tǒng)在ETS系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了保證高可靠性，湖北西塞山電廠#3、4號機(jī)組ETS系統(tǒng)選用了GE公司的GMR系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制器配置、I/O卡件設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場輸入信號和輸出信號的三取二表決等各方面真正做到了高度冗余和智能容錯(cuò)。

個(gè)主機(jī)架包含1個(gè)IC697PWR711電源模塊，1個(gè)IC697CPM790控制器以及三個(gè)總線控制模塊。

1.1 Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)中的三個(gè)PLC控制器互相獨(dú)立，分別通過有效的三冗余Genius網(wǎng)絡(luò)總線從輸入子系統(tǒng)獲取現(xiàn)場信號，并通過各自獨(dú)立的邏輯運(yùn)算后，再通過有效的三冗余Genius網(wǎng)絡(luò)總線將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給相應(yīng)的輸出子系統(tǒng)進(jìn)行表決輸出。控制器、網(wǎng)絡(luò)、I/O子系統(tǒng)之間構(gòu)成相對獨(dú)立的Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)。Genius總線網(wǎng)絡(luò)的存在，又將相對獨(dú)立的幾大模塊有機(jī)融合為一個(gè)整體?？偟膩碚f，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）三個(gè)獨(dú)立CPU機(jī)架之間由三條總線并行互連，保證通訊的安全。

（2）每組輸入子系統(tǒng)有三個(gè)互為獨(dú)立的輸入卡件，保證不因單個(gè)卡件故障影響輸入信號拒動(dòng)或誤動(dòng)。

（3）輸出子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成類似于AST電磁閥油路結(jié)構(gòu)的“H“型串并聯(lián)電氣結(jié)構(gòu)，四個(gè)輸出模塊中，兩個(gè)采用正邏輯輸出，另外兩個(gè)采用負(fù)邏輯輸出模塊，有效防止卡件故障引起保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)。

1.2 數(shù)字量輸入子系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)共有兩組輸入子系統(tǒng)，每組由三塊32點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊組成。同組內(nèi)三塊卡件分別掛接在三條不同的總線上，實(shí)現(xiàn)輸入信號的表決和數(shù)據(jù)交換。所有的輸入點(diǎn)均選用表決特性，三冗余輸入信號中的每一個(gè)信號分別連至同組的三塊I/O卡件的同一輸入通道，單點(diǎn)輸入信號通過端子并接的方式連至同組的三塊I/O卡件的同一輸入通道。輸入信號的三取二表決在PLC中進(jìn)行，每個(gè)CPU分別從三條總線獲取輸入信號的狀態(tài)獨(dú)立地進(jìn)行三取二表決，表決結(jié)果經(jīng)梯形邏輯程序運(yùn)算后，送到輸出模塊中進(jìn)行H型表決。

GMR系統(tǒng)設(shè)置了默認(rèn)為2秒的濾波時(shí)間，以防止現(xiàn)場來的三冗余信號中某點(diǎn)誤發(fā)或失真，如果某個(gè)信號在設(shè)定的濾波時(shí)間后還與另外兩個(gè)信號有差異，CPU將生成故障信息并放入I/O故障表中，同時(shí)置位表征I/O故障的狀態(tài)位，該狀態(tài)位可以在應(yīng)用程序中用作報(bào)警，以提醒用戶及時(shí)檢查處理。當(dāng)故障發(fā)生一天（默認(rèn)為1440分鐘）后還未被處理時(shí)，CPU就認(rèn)為該點(diǎn)已壞并停用此點(diǎn)（I/O Shutdown），此點(diǎn)將不再參與邏輯運(yùn)算，以達(dá)到剔除壞點(diǎn)的目的。

如果三冗余信號中某一路信號已被判為故障或者僅有兩路輸入有效時(shí)，系統(tǒng)將引入一路默認(rèn)為1的“Duplex狀態(tài)信號“與僅有的兩路輸入信號進(jìn)行三取二表決。如果僅一路信號有效，則系統(tǒng)取默認(rèn)狀態(tài)輸入，默認(rèn)狀態(tài)可根據(jù)現(xiàn)場情況組態(tài)為0或1。

1.3 H型數(shù)字量輸出子系統(tǒng)

輸出子系統(tǒng)有兩組，每組32點(diǎn)。每組由兩塊源模塊（Source）和兩塊漏模塊（Sink）組成。兩組輸出均采用“H”型結(jié)構(gòu)，如圖3所示，圖中模塊A和模塊B為源模塊，模塊C和模塊D為漏模塊，負(fù)載一般為中間繼電器。在與總線連接時(shí)，一塊源模塊和一塊漏模塊掛在同一總線上，另一塊源模塊和一塊漏模塊分別掛在剩余的兩條總線上，三條總線中只要有兩條總線通訊正常，輸出子系統(tǒng)就能正常工作。所有輸出模塊都設(shè)有自動(dòng)測試功能，以檢測諸如短路、斷路和開關(guān)功能喪失等故障，自動(dòng)測試的周期可以組態(tài)，默認(rèn)為1440分鐘（一天）。

在H型輸出電路結(jié)構(gòu)中，每路輸出需要四個(gè)不同的輸出模塊通道，分別是兩塊正邏輯輸出模塊（Source模塊，輸出+12V），兩塊負(fù)邏輯輸出模塊（Sink模塊，輸出-12V），其優(yōu)點(diǎn)在于兼顧了模塊、網(wǎng)絡(luò)、模塊供電等多方面的冗余，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制輸出部分安全性和可靠性得到空前的提高，作為保護(hù)系統(tǒng)，其防拒動(dòng)和防誤動(dòng)的性能十分優(yōu)良。如圖3所示，A、B、C三條Genius網(wǎng)絡(luò)，如果在C網(wǎng)因故障中斷后，只有模塊C無法接收到CPU指令，只要另兩條Genius網(wǎng)絡(luò)工作正常仍能保證指令的有效輸出，同時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)診斷故障并記錄下來，提供故障解決的依據(jù)。

1.4 Genius總線系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)IO模塊與CPU之間的通訊采用Genius總線，它由分別定義為α、β和X的三條總線組成。其中α總線和β總線同時(shí)要完成三個(gè)CPU之間的同步和IO模塊之間的數(shù)據(jù)交換，而X總線只需完成IO模塊之間的數(shù)據(jù)交換。冗余總線起始于地址站號最高的PLC A，以α總線為例，它的起點(diǎn)位于PLC A機(jī)架中第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端子，通過Beldon 9182通訊電纜連接到PLC B機(jī)架中第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端子，再經(jīng)PLC B的第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端子連接到PLC C機(jī)架第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端子，然后再依次連接到輸入模塊和輸出模塊，在總線的起點(diǎn)和終點(diǎn)都必須并接一只阻值為150Ω的電阻。用類似的方式連接好β總線和X總線，一個(gè)完整的GMR三冗余控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就形成了。

2 結(jié)束語

GE三冗余安全型PLC控制系統(tǒng)，分別從控制器、I/O模件和總線幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了全面的冗余配置，通過三選二輸入表決，H型輸出表決以及智能的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。在ETS系統(tǒng)中采用此類系統(tǒng)，機(jī)組保護(hù)的拒動(dòng)率和誤動(dòng)率大幅降低，其安全性、可靠性都得到了空前的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]華偉，張永，年華.安全型PLC系統(tǒng)在鍋爐FSSS中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]史國生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]王衛(wèi)兵.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].機(jī)械電子工業(yè)出版社，1997. [4]陳才亮.大型機(jī)組ETS系統(tǒng)的應(yīng)用[J].水利電力機(jī)械，2005.

[5]王晨瑜，等.汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)故障診斷及技術(shù)改造[J].山西電力，2003.

作者簡介：劉貝（1980，7-），男，漢族，湖北武漢人，工程師，學(xué)士，從事電廠熱工自動(dòng)化研究工作。

摘 要：對GE公司三重冗余PLC系統(tǒng)GMR的構(gòu)造、性能特點(diǎn)、冗余容錯(cuò)特性、輸入輸出三重化表決方式和系統(tǒng)故障自我診斷功能等各方面特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并重點(diǎn)介紹了湖北西塞山發(fā)電有限公司超超臨界汽輪機(jī)組ETS跳閘保護(hù)系統(tǒng)采用的GMR系統(tǒng)的硬件配置、總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成和工作特點(diǎn)，最終說明了超超臨界機(jī)組采用GMR系統(tǒng)后，跳閘保護(hù)系統(tǒng)的安全型和可靠性達(dá)到了很高的水平，從而保證了超超臨界機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：超超臨界；容錯(cuò)；三冗余；保護(hù)；總線

引言

湖北西塞山發(fā)電有限公司#3、4號機(jī)組是湖北省境內(nèi)首批超超臨界機(jī)組，其汽輪機(jī)由東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)，機(jī)組控制系統(tǒng)采用上海Foxboro I/A Series DCS系統(tǒng)。機(jī)組整體效率高達(dá)45.4%，供電煤耗283.2克/千瓦時(shí)，具有國際先進(jìn)的能耗和環(huán)保水平，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益前景巨大。

隨著高參數(shù)、大容量機(jī)組的發(fā)展，發(fā)電廠的安全、平穩(wěn)運(yùn)行對整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行影響越來越大，而機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)自身的可靠性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)主要由汽機(jī)ETS系統(tǒng)和鍋爐FSSS系統(tǒng)組成，F(xiàn)SSS系統(tǒng)一般在DCS中一體化設(shè)計(jì)，而ETS多采用獨(dú)立的PLC控制器，來自機(jī)組的各種緊急停機(jī)信號，經(jīng)ETS系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷后，輸出汽輪機(jī)遮斷信號，其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的高低對于機(jī)組安全至關(guān)重要。

伴隨各種冗余、容錯(cuò)技術(shù)的長足發(fā)展，機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)逐漸從普通的獨(dú)立控制器，發(fā)展為控制器、網(wǎng)絡(luò)、卡件和信號等多方面、多層次冗余和容錯(cuò)的安全型控制器。其中，尤以GE公司的三冗余GMR系統(tǒng)最具代表性。

1 GE三冗余PLC系統(tǒng)在ETS系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了保證高可靠性，湖北西塞山電廠#3、4號機(jī)組ETS系統(tǒng)選用了GE公司的GMR系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制器配置、I/O卡件設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場輸入信號和輸出信號的三取二表決等各方面真正做到了高度冗余和智能容錯(cuò)。

個(gè)主機(jī)架包含1個(gè)IC697PWR711電源模塊，1個(gè)IC697CPM790控制器以及三個(gè)總線控制模塊。

1.1 Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)中的三個(gè)PLC控制器互相獨(dú)立，分別通過有效的三冗余Genius網(wǎng)絡(luò)總線從輸入子系統(tǒng)獲取現(xiàn)場信號，并通過各自獨(dú)立的邏輯運(yùn)算后，再通過有效的三冗余Genius網(wǎng)絡(luò)總線將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給相應(yīng)的輸出子系統(tǒng)進(jìn)行表決輸出。控制器、網(wǎng)絡(luò)、I/O子系統(tǒng)之間構(gòu)成相對獨(dú)立的Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)。Genius總線網(wǎng)絡(luò)的存在，又將相對獨(dú)立的幾大模塊有機(jī)融合為一個(gè)整體。總的來說，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）三個(gè)獨(dú)立CPU機(jī)架之間由三條總線并行互連，保證通訊的安全。

（2）每組輸入子系統(tǒng)有三個(gè)互為獨(dú)立的輸入卡件，保證不因單個(gè)卡件故障影響輸入信號拒動(dòng)或誤動(dòng)。

（3）輸出子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成類似于AST電磁閥油路結(jié)構(gòu)的“H“型串并聯(lián)電氣結(jié)構(gòu)，四個(gè)輸出模塊中，兩個(gè)采用正邏輯輸出，另外兩個(gè)采用負(fù)邏輯輸出模塊，有效防止卡件故障引起保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)。

1.2 數(shù)字量輸入子系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)共有兩組輸入子系統(tǒng)，每組由三塊32點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊組成。同組內(nèi)三塊卡件分別掛接在三條不同的總線上，實(shí)現(xiàn)輸入信號的表決和數(shù)據(jù)交換。所有的輸入點(diǎn)均選用表決特性，三冗余輸入信號中的每一個(gè)信號分別連至同組的三塊I/O卡件的同一輸入通道，單點(diǎn)輸入信號通過端子并接的方式連至同組的三塊I/O卡件的同一輸入通道。輸入信號的三取二表決在PLC中進(jìn)行，每個(gè)CPU分別從三條總線獲取輸入信號的狀態(tài)獨(dú)立地進(jìn)行三取二表決，表決結(jié)果經(jīng)梯形邏輯程序運(yùn)算后，送到輸出模塊中進(jìn)行H型表決。

GMR系統(tǒng)設(shè)置了默認(rèn)為2秒的濾波時(shí)間，以防止現(xiàn)場來的三冗余信號中某點(diǎn)誤發(fā)或失真，如果某個(gè)信號在設(shè)定的濾波時(shí)間后還與另外兩個(gè)信號有差異，CPU將生成故障信息并放入I/O故障表中，同時(shí)置位表征I/O故障的狀態(tài)位，該狀態(tài)位可以在應(yīng)用程序中用作報(bào)警，以提醒用戶及時(shí)檢查處理。當(dāng)故障發(fā)生一天（默認(rèn)為1440分鐘）后還未被處理時(shí)，CPU就認(rèn)為該點(diǎn)已壞并停用此點(diǎn)（I/O Shutdown），此點(diǎn)將不再參與邏輯運(yùn)算，以達(dá)到剔除壞點(diǎn)的目的。

如果三冗余信號中某一路信號已被判為故障或者僅有兩路輸入有效時(shí)，系統(tǒng)將引入一路默認(rèn)為1的“Duplex狀態(tài)信號“與僅有的兩路輸入信號進(jìn)行三取二表決。如果僅一路信號有效，則系統(tǒng)取默認(rèn)狀態(tài)輸入，默認(rèn)狀態(tài)可根據(jù)現(xiàn)場情況組態(tài)為0或1。

1.3 H型數(shù)字量輸出子系統(tǒng)

輸出子系統(tǒng)有兩組，每組32點(diǎn)。每組由兩塊源模塊（Source）和兩塊漏模塊（Sink）組成。兩組輸出均采用“H”型結(jié)構(gòu)，如圖3所示，圖中模塊A和模塊B為源模塊，模塊C和模塊D為漏模塊，負(fù)載一般為中間繼電器。在與總線連接時(shí)，一塊源模塊和一塊漏模塊掛在同一總線上，另一塊源模塊和一塊漏模塊分別掛在剩余的兩條總線上，三條總線中只要有兩條總線通訊正常，輸出子系統(tǒng)就能正常工作。所有輸出模塊都設(shè)有自動(dòng)測試功能，以檢測諸如短路、斷路和開關(guān)功能喪失等故障，自動(dòng)測試的周期可以組態(tài)，默認(rèn)為1440分鐘（一天）。

在H型輸出電路結(jié)構(gòu)中，每路輸出需要四個(gè)不同的輸出模塊通道，分別是兩塊正邏輯輸出模塊（Source模塊，輸出+12V），兩塊負(fù)邏輯輸出模塊（Sink模塊，輸出-12V），其優(yōu)點(diǎn)在于兼顧了模塊、網(wǎng)絡(luò)、模塊供電等多方面的冗余，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制輸出部分安全性和可靠性得到空前的提高，作為保護(hù)系統(tǒng)，其防拒動(dòng)和防誤動(dòng)的性能十分優(yōu)良。如圖3所示，A、B、C三條Genius網(wǎng)絡(luò)，如果在C網(wǎng)因故障中斷后，只有模塊C無法接收到CPU指令，只要另兩條Genius網(wǎng)絡(luò)工作正常仍能保證指令的有效輸出，同時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)診斷故障并記錄下來，提供故障解決的依據(jù)。

1.4 Genius總線系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)IO模塊與CPU之間的通訊采用Genius總線，它由分別定義為α、β和X的三條總線組成。其中α總線和β總線同時(shí)要完成三個(gè)CPU之間的同步和IO模塊之間的數(shù)據(jù)交換，而X總線只需完成IO模塊之間的數(shù)據(jù)交換。冗余總線起始于地址站號最高的PLC A，以α總線為例，它的起點(diǎn)位于PLC A機(jī)架中第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端子，通過Beldon 9182通訊電纜連接到PLC B機(jī)架中第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端子，再經(jīng)PLC B的第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端子連接到PLC C機(jī)架第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端子，然后再依次連接到輸入模塊和輸出模塊，在總線的起點(diǎn)和終點(diǎn)都必須并接一只阻值為150Ω的電阻。用類似的方式連接好β總線和X總線，一個(gè)完整的GMR三冗余控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就形成了。

2 結(jié)束語

GE三冗余安全型PLC控制系統(tǒng)，分別從控制器、I/O模件和總線幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了全面的冗余配置，通過三選二輸入表決，H型輸出表決以及智能的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。在ETS系統(tǒng)中采用此類系統(tǒng)，機(jī)組保護(hù)的拒動(dòng)率和誤動(dòng)率大幅降低，其安全性、可靠性都得到了空前的提高。

參考文獻(xiàn)

[1]華偉，張永，年華.安全型PLC系統(tǒng)在鍋爐FSSS中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[2]史國生.電氣控制與可編程控制器技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]王衛(wèi)兵.可編程控制器原理及應(yīng)用[M].機(jī)械電子工業(yè)出版社，1997. [4]陳才亮.大型機(jī)組ETS系統(tǒng)的應(yīng)用[J].水利電力機(jī)械，2005.

[5]王晨瑜，等.汽輪機(jī)危急遮斷系統(tǒng)故障診斷及技術(shù)改造[J].山西電力，2003.

作者簡介：劉貝（1980，7-），男，漢族，湖北武漢人，工程師，學(xué)士，從事電廠熱工自動(dòng)化研究工作。

摘 要：對GE公司三重冗余PLC系統(tǒng)GMR的構(gòu)造、性能特點(diǎn)、冗余容錯(cuò)特性、輸入輸出三重化表決方式和系統(tǒng)故障自我診斷功能等各方面特性進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并重點(diǎn)介紹了湖北西塞山發(fā)電有限公司超超臨界汽輪機(jī)組ETS跳閘保護(hù)系統(tǒng)采用的GMR系統(tǒng)的硬件配置、總體結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)組成和工作特點(diǎn)，最終說明了超超臨界機(jī)組采用GMR系統(tǒng)后，跳閘保護(hù)系統(tǒng)的安全型和可靠性達(dá)到了很高的水平，從而保證了超超臨界機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：超超臨界；容錯(cuò)；三冗余；保護(hù)；總線

引言

湖北西塞山發(fā)電有限公司#3、4號機(jī)組是湖北省境內(nèi)首批超超臨界機(jī)組，其汽輪機(jī)由東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)，機(jī)組控制系統(tǒng)采用上海Foxboro I/A Series DCS系統(tǒng)。機(jī)組整體效率高達(dá)45.4%，供電煤耗283.2克/千瓦時(shí)，具有國際先進(jìn)的能耗和環(huán)保水平，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)環(huán)境效益前景巨大。

隨著高參數(shù)、大容量機(jī)組的發(fā)展，發(fā)電廠的安全、平穩(wěn)運(yùn)行對整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行影響越來越大，而機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)自身的可靠性和穩(wěn)定性，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)主要由汽機(jī)ETS系統(tǒng)和鍋爐FSSS系統(tǒng)組成，F(xiàn)SSS系統(tǒng)一般在DCS中一體化設(shè)計(jì)，而ETS多采用獨(dú)立的PLC控制器，來自機(jī)組的各種緊急停機(jī)信號，經(jīng)ETS系統(tǒng)進(jìn)行邏輯判斷后，輸出汽輪機(jī)遮斷信號，其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性的高低對于機(jī)組安全至關(guān)重要。

伴隨各種冗余、容錯(cuò)技術(shù)的長足發(fā)展，機(jī)組跳閘保護(hù)系統(tǒng)逐漸從普通的獨(dú)立控制器，發(fā)展為控制器、網(wǎng)絡(luò)、卡件和信號等多方面、多層次冗余和容錯(cuò)的安全型控制器。其中，尤以GE公司的三冗余GMR系統(tǒng)最具代表性。

1 GE三冗余PLC系統(tǒng)在ETS系統(tǒng)中的應(yīng)用

為了保證高可靠性，湖北西塞山電廠#3、4號機(jī)組ETS系統(tǒng)選用了GE公司的GMR系統(tǒng)，該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、控制器配置、I/O卡件設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場輸入信號和輸出信號的三取二表決等各方面真正做到了高度冗余和智能容錯(cuò)。

個(gè)主機(jī)架包含1個(gè)IC697PWR711電源模塊，1個(gè)IC697CPM790控制器以及三個(gè)總線控制模塊。

1.1 Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)中的三個(gè)PLC控制器互相獨(dú)立，分別通過有效的三冗余Genius網(wǎng)絡(luò)總線從輸入子系統(tǒng)獲取現(xiàn)場信號，并通過各自獨(dú)立的邏輯運(yùn)算后，再通過有效的三冗余Genius網(wǎng)絡(luò)總線將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送給相應(yīng)的輸出子系統(tǒng)進(jìn)行表決輸出。控制器、網(wǎng)絡(luò)、I/O子系統(tǒng)之間構(gòu)成相對獨(dú)立的Fanuc Genius模塊式冗余容錯(cuò)結(jié)構(gòu)。Genius總線網(wǎng)絡(luò)的存在，又將相對獨(dú)立的幾大模塊有機(jī)融合為一個(gè)整體。總的來說，該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）三個(gè)獨(dú)立CPU機(jī)架之間由三條總線并行互連，保證通訊的安全。

（2）每組輸入子系統(tǒng)有三個(gè)互為獨(dú)立的輸入卡件，保證不因單個(gè)卡件故障影響輸入信號拒動(dòng)或誤動(dòng)。

（3）輸出子系統(tǒng)設(shè)計(jì)成類似于AST電磁閥油路結(jié)構(gòu)的“H“型串并聯(lián)電氣結(jié)構(gòu)，四個(gè)輸出模塊中，兩個(gè)采用正邏輯輸出，另外兩個(gè)采用負(fù)邏輯輸出模塊，有效防止卡件故障引起保護(hù)誤動(dòng)和拒動(dòng)。

1.2 數(shù)字量輸入子系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)共有兩組輸入子系統(tǒng)，每組由三塊32點(diǎn)開關(guān)量輸入模塊組成。同組內(nèi)三塊卡件分別掛接在三條不同的總線上，實(shí)現(xiàn)輸入信號的表決和數(shù)據(jù)交換。所有的輸入點(diǎn)均選用表決特性，三冗余輸入信號中的每一個(gè)信號分別連至同組的三塊I/O卡件的同一輸入通道，單點(diǎn)輸入信號通過端子并接的方式連至同組的三塊I/O卡件的同一輸入通道。輸入信號的三取二表決在PLC中進(jìn)行，每個(gè)CPU分別從三條總線獲取輸入信號的狀態(tài)獨(dú)立地進(jìn)行三取二表決，表決結(jié)果經(jīng)梯形邏輯程序運(yùn)算后，送到輸出模塊中進(jìn)行H型表決。

GMR系統(tǒng)設(shè)置了默認(rèn)為2秒的濾波時(shí)間，以防止現(xiàn)場來的三冗余信號中某點(diǎn)誤發(fā)或失真，如果某個(gè)信號在設(shè)定的濾波時(shí)間后還與另外兩個(gè)信號有差異，CPU將生成故障信息并放入I/O故障表中，同時(shí)置位表征I/O故障的狀態(tài)位，該狀態(tài)位可以在應(yīng)用程序中用作報(bào)警，以提醒用戶及時(shí)檢查處理。當(dāng)故障發(fā)生一天（默認(rèn)為1440分鐘）后還未被處理時(shí)，CPU就認(rèn)為該點(diǎn)已壞并停用此點(diǎn)（I/O Shutdown），此點(diǎn)將不再參與邏輯運(yùn)算，以達(dá)到剔除壞點(diǎn)的目的。

如果三冗余信號中某一路信號已被判為故障或者僅有兩路輸入有效時(shí)，系統(tǒng)將引入一路默認(rèn)為1的“Duplex狀態(tài)信號“與僅有的兩路輸入信號進(jìn)行三取二表決。如果僅一路信號有效，則系統(tǒng)取默認(rèn)狀態(tài)輸入，默認(rèn)狀態(tài)可根據(jù)現(xiàn)場情況組態(tài)為0或1。

1.3 H型數(shù)字量輸出子系統(tǒng)

輸出子系統(tǒng)有兩組，每組32點(diǎn)。每組由兩塊源模塊（Source）和兩塊漏模塊（Sink）組成。兩組輸出均采用“H”型結(jié)構(gòu)，如圖3所示，圖中模塊A和模塊B為源模塊，模塊C和模塊D為漏模塊，負(fù)載一般為中間繼電器。在與總線連接時(shí)，一塊源模塊和一塊漏模塊掛在同一總線上，另一塊源模塊和一塊漏模塊分別掛在剩余的兩條總線上，三條總線中只要有兩條總線通訊正常，輸出子系統(tǒng)就能正常工作。所有輸出模塊都設(shè)有自動(dòng)測試功能，以檢測諸如短路、斷路和開關(guān)功能喪失等故障，自動(dòng)測試的周期可以組態(tài)，默認(rèn)為1440分鐘（一天）。

在H型輸出電路結(jié)構(gòu)中，每路輸出需要四個(gè)不同的輸出模塊通道，分別是兩塊正邏輯輸出模塊（Source模塊，輸出+12V），兩塊負(fù)邏輯輸出模塊（Sink模塊，輸出-12V），其優(yōu)點(diǎn)在于兼顧了模塊、網(wǎng)絡(luò)、模塊供電等多方面的冗余，使得整個(gè)系統(tǒng)的控制輸出部分安全性和可靠性得到空前的提高，作為保護(hù)系統(tǒng)，其防拒動(dòng)和防誤動(dòng)的性能十分優(yōu)良。如圖3所示，A、B、C三條Genius網(wǎng)絡(luò)，如果在C網(wǎng)因故障中斷后，只有模塊C無法接收到CPU指令，只要另兩條Genius網(wǎng)絡(luò)工作正常仍能保證指令的有效輸出，同時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)診斷故障并記錄下來，提供故障解決的依據(jù)。

1.4 Genius總線系統(tǒng)

GMR系統(tǒng)IO模塊與CPU之間的通訊采用Genius總線，它由分別定義為α、β和X的三條總線組成。其中α總線和β總線同時(shí)要完成三個(gè)CPU之間的同步和IO模塊之間的數(shù)據(jù)交換，而X總線只需完成IO模塊之間的數(shù)據(jù)交換。冗余總線起始于地址站號最高的PLC A，以α總線為例，它的起點(diǎn)位于PLC A機(jī)架中第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端子，通過Beldon 9182通訊電纜連接到PLC B機(jī)架中第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端子，再經(jīng)PLC B的第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸出端子連接到PLC C機(jī)架第一塊網(wǎng)絡(luò)控制模塊的輸入端子，然后再依次連接到輸入模塊和輸出模塊，在總線的起點(diǎn)和終點(diǎn)都必須并接一只阻值為150Ω的電阻。用類似的方式連接好β總線和X總線，一個(gè)完整的GMR三冗余控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就形成了。

2 結(jié)束語

GE三冗余安全型PLC控制系統(tǒng)，分別從控制器、I/O模件和總線幾個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了全面的冗余配置，通過三選二輸入表決，H型輸出表決以及智能的容錯(cuò)設(shè)計(jì)，為用戶提供了高可靠性和無誤差操作。在ETS系統(tǒng)中采用此類系統(tǒng)，機(jī)組保護(hù)的拒動(dòng)率和誤動(dòng)率大幅降低，其安全性、可靠性都得到了空前的提高。

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作者簡介：劉貝（1980，7-），男，漢族，湖北武漢人，工程師，學(xué)士，從事電廠熱工自動(dòng)化研究工作。