袁吉勝，王娜娜，段緒偉

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著我國工業(yè)化的快速發(fā)展，許多大型輔機(jī)設(shè)備已經(jīng)采用由工業(yè)汽輪機(jī)帶動，例如水泵、壓縮機(jī)等大型輔機(jī)設(shè)備[1]。這些大型設(shè)備功率要求高，直接由電機(jī)帶動已難以滿足要求，由工業(yè)汽輪機(jī)驅(qū)動可滿足輔機(jī)設(shè)備功率高、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)靈活、連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的要求[2]。然而，工業(yè)汽輪機(jī)相比于常規(guī)發(fā)電機(jī)組，體積小，通常是在高轉(zhuǎn)速下變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，啟動和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要求快速靈活，這對于運(yùn)行安全有了更嚴(yán)格的考驗(yàn)，任意一保護(hù)參數(shù)引起的跳機(jī)信號都對機(jī)組安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，同時，還要滿足保護(hù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，設(shè)計(jì)安全可靠的保護(hù)控制系統(tǒng)方案是機(jī)組安全運(yùn)行的重要保證。

本文以輔機(jī)汽輪機(jī)保護(hù)控制為研究目標(biāo)，通過NT6000國產(chǎn)化分散控制軟件，在下位機(jī)進(jìn)行保護(hù)控制組態(tài)設(shè)計(jì)，在上位機(jī)可視化監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對汽輪機(jī)運(yùn)行全程進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警以及輸出危機(jī)遮斷保護(hù)信號。通過I/O模塊對現(xiàn)場傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在下位機(jī)組態(tài)中進(jìn)行邏輯運(yùn)算，所有數(shù)據(jù)可保存，滿足隨時調(diào)取曲線分析需求，最終設(shè)計(jì)出一個具備輔機(jī)安全監(jiān)控與危機(jī)遮斷輸出功能的保護(hù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能便于運(yùn)行人員直觀的了解輔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，尤其在發(fā)生危險(xiǎn)時能夠快速響應(yīng)，自動輸出保護(hù)信號，有效的實(shí)現(xiàn)了自動保護(hù)控制[3]。

1 保護(hù)控制系統(tǒng)的組成

本文基于組態(tài)軟件NT6000的保護(hù)控制系統(tǒng)方案，運(yùn)行于麒麟系統(tǒng)平臺，硬件DCS采用SC8000系統(tǒng)，控制器與系統(tǒng)平臺通過以太網(wǎng)進(jìn)行連接。I/O模塊與控制器以Ebus協(xié)議進(jìn)行通信，實(shí)時采集現(xiàn)場傳感器信號，在NT6000軟件中進(jìn)行下位機(jī)保護(hù)組態(tài)設(shè)計(jì)、上位機(jī)畫面管理。控制器可配置單機(jī)或冗余模式，數(shù)據(jù)采集模塊可根據(jù)功能進(jìn)行靈活選用與配置。該方案可實(shí)時監(jiān)控各保護(hù)信號點(diǎn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)，通過設(shè)置報(bào)警區(qū)可進(jìn)行故障報(bào)警，支持日志查詢等功能。NT6000控制軟件主界面見圖1[4]。

圖1 NT6000 控制軟件主界面

當(dāng)有報(bào)警信號時，通過指示燈和蜂鳴器進(jìn)行預(yù)警。各項(xiàng)保護(hù)投切可選擇，當(dāng)有滿足停機(jī)的信號發(fā)生時，經(jīng)過中間邏輯快速運(yùn)算，發(fā)出快關(guān)信號給現(xiàn)場遮斷保護(hù)裝置，同時也進(jìn)行報(bào)警提示，畫面首出顯示停機(jī)原因。此外，支持歷史數(shù)據(jù)曲線查詢、日志查詢，可為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)支撐。保護(hù)控制系統(tǒng)架構(gòu)見圖2[5]。

圖2 保護(hù)控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 通信配置

點(diǎn)擊麒麟加固機(jī)控制面板進(jìn)入“網(wǎng)絡(luò)連接”，與控制器進(jìn)行以太網(wǎng)配置。點(diǎn)擊“網(wǎng)絡(luò)設(shè)置”對網(wǎng)絡(luò)1進(jìn)行IPv4設(shè)置，地址為192.168.2.22，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，見圖3。在點(diǎn)擊右下角“路由”，對IPv4路由設(shè)置，見圖4。設(shè)置完成后該網(wǎng)口與控制器2網(wǎng)段連接，1網(wǎng)段設(shè)置同理，地址為192.168.1.22。

圖3 網(wǎng)絡(luò)連接屬性編輯圖

圖4 IPv4 路由設(shè)置

2.2 下位機(jī)組態(tài)設(shè)計(jì)

點(diǎn)擊NT6000軟件中CCM Studio進(jìn)入邏輯組態(tài)主界面，該界面由工程視圖、工具箱、消息窗口和屬性窗口組成。在HW頁面可根據(jù)需要配置不同的I/O模塊，每列分支最多可容納八塊卡件，每個模塊根據(jù)通道數(shù)可配置測點(diǎn)，設(shè)置相應(yīng)的量程、報(bào)警值、報(bào)警區(qū)等，見圖5。在logic界面可選用工具箱中的功能模塊，搭建保護(hù)控制邏輯，進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)，各邏輯頁面之間數(shù)據(jù)通過中間模塊進(jìn)行連接，見圖6。

圖5 HW 頁I/O 模塊配置

圖6 邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)頁面

在CCM中，功能模塊種類完善，有I/O模塊、邏輯時序模塊和數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊等，可根據(jù)需要的保護(hù)控制功能選擇相應(yīng)的模塊進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。例如超速保護(hù)功能，當(dāng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速超過停機(jī)轉(zhuǎn)速時，超速保護(hù)系統(tǒng)發(fā)出停機(jī)指令，關(guān)閉主汽門和調(diào)門，使機(jī)組停機(jī)，避免發(fā)生飛車事故。

超速保護(hù)控制邏輯可設(shè)計(jì)見圖7，當(dāng)機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速值大于或等于轉(zhuǎn)速保護(hù)設(shè)定值時，且轉(zhuǎn)速保護(hù)投切已投入時，觸發(fā)超速停機(jī)信號，第一路去往遮斷裝置，控制主汽門和調(diào)門快關(guān)，切斷主蒸汽；第二路去首出，可用于在操作界面上顯示停機(jī)原因；第三路去指示燈和蜂鳴器報(bào)警。保護(hù)動作發(fā)生后，當(dāng)轉(zhuǎn)速恢復(fù)在設(shè)定值之下或超速保護(hù)投切已切除時，需要通過復(fù)位按鈕對超速停機(jī)信號進(jìn)行復(fù)位，否則會一直保持超速保護(hù)動作狀態(tài)。除此之外，可對各類重要溫度測點(diǎn)進(jìn)行保護(hù)控制，例如溫度高、速率大等，還可直接連入外部輸入的開關(guān)量保護(hù)信號點(diǎn)進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)。總之，可利用CCM可搭建一套功能完善、覆蓋全面的保護(hù)控制邏輯。

圖7 超速停機(jī)邏輯

2.3 危機(jī)遮斷系統(tǒng)

危機(jī)遮斷是保護(hù)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分，當(dāng)有停機(jī)信號產(chǎn)生時，危機(jī)遮斷系統(tǒng)動作，快關(guān)主汽門和調(diào)門，保護(hù)機(jī)組安全。圖8為危機(jī)遮斷系統(tǒng)原理圖，包括兩部分組成。第一路保護(hù)為邏輯回路控制，ETS動作信號由下位機(jī)各模擬量和開關(guān)量信號保護(hù)控制邏輯組態(tài)運(yùn)算發(fā)出，經(jīng)過DO模塊輸出，控制繼電器吸合，從而使電磁閥得電（DC 24 V），高壓油管路卸油，主汽門和調(diào)門快關(guān)。第二路保護(hù)為就地手動機(jī)械停機(jī)保護(hù)，不經(jīng)過控制器運(yùn)算，當(dāng)需要緊急停機(jī)時，可手動打開球閥開關(guān)卸掉高壓油，從而快關(guān)主汽門和調(diào)門。本文危機(jī)遮斷系統(tǒng)采用了機(jī)械保護(hù)與邏輯保護(hù)相結(jié)合，使得機(jī)組安全得到了更全面的保證。

圖8 危機(jī)遮斷系統(tǒng)原理圖

圖9為危機(jī)遮斷系統(tǒng)油路控制圖。

圖9 危機(jī)遮斷系統(tǒng)油路控制圖

當(dāng)電磁閥得電時，油動機(jī)下腔高壓油與上腔低壓油連通，此時上腔變?yōu)楦邏河停蛣訖C(jī)帶動主汽門和調(diào)門快關(guān)。同理，手動機(jī)械停機(jī)時，球閥打開，油動機(jī)上腔變?yōu)楦邏河?，油動機(jī)快關(guān)，實(shí)現(xiàn)遮斷保護(hù)。此外，在油動機(jī)上腔與下腔油路上均布置有單向閥Mca和Mcb，可用于連接測壓裝置，便于實(shí)時監(jiān)控油壓，在油系統(tǒng)出現(xiàn)異常時也可用于故障分析。

2.4 上位機(jī)可視化管理

在NT6000軟件GraphView中，可對保護(hù)控制進(jìn)行人機(jī)界面的可視化設(shè)計(jì)和管理。對保護(hù)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，可設(shè)置高、低限報(bào)警量程，當(dāng)測點(diǎn)數(shù)據(jù)超過量程時數(shù)據(jù)顏色變化提示異常點(diǎn)；開關(guān)量通道有信號輸入時對應(yīng)顏色變化顯示。此外，保護(hù)信號的報(bào)警和停機(jī)值支持畫面上在線設(shè)置，各個保護(hù)信號可選擇性投切，在機(jī)組啟動前和運(yùn)行過程中，可靈活設(shè)置保護(hù)功能，控制界面分別見圖10和圖11。

圖10 報(bào)警停機(jī)值設(shè)置界面

圖11 保護(hù)選擇投切界面

另外，監(jiān)視界面中提供報(bào)警和停機(jī)原因顯示功能，當(dāng)有報(bào)警信號發(fā)出時，能快速查看來源，進(jìn)行預(yù)警。保護(hù)動作停機(jī)時，能夠迅速查看跳機(jī)原因，采取處理措施。最后，上位機(jī)支持在線調(diào)取所有模擬量、開關(guān)量信號點(diǎn)的實(shí)時或歷史數(shù)據(jù)，以及操作日志，便于數(shù)據(jù)分析，為保護(hù)控制提供數(shù)據(jù)支撐，見圖12。

圖12 歷史曲線、日志查詢界面

3 結(jié)論

隨著工業(yè)汽輪機(jī)在大型輔機(jī)設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，其啟、停以及運(yùn)行的的各項(xiàng)要求也不斷的提高，確保設(shè)備安全運(yùn)行是重中之重。本文基于NT6000的保護(hù)控制系統(tǒng)，集成了邏輯組態(tài)設(shè)計(jì)、可視化管理、歷史數(shù)據(jù)存儲等為一體，具備輔機(jī)安全運(yùn)行監(jiān)控與危機(jī)遮斷輸出功能，能夠?qū)ζ啓C(jī)運(yùn)行全程進(jìn)行監(jiān)控、報(bào)警以及輸出危機(jī)遮斷保護(hù)信號；便于運(yùn)行人員監(jiān)視，尤其在發(fā)生危險(xiǎn)時能夠快速響應(yīng)，自動輸出保護(hù)信號，有效的實(shí)現(xiàn)了自動保護(hù)控制。