PLC在燃机循泵控制系统中的应用

摘要：本文介绍了PLC在燃机循泵控制系统中的应用，通过PLC硬件上优化配置及软件组态上的合理设置，提高了循泵自动控制系统的可靠性。
　　

关键词：PLC；循泵；控制

　　
　　1 概述
　　
　　镇海9E燃气蒸汽联合循环机组由两台GE公司生产的MS9001E燃气轮机，两台余热锅炉和汽机组成的联合循环机组。其汽机凝汽器采用海水冷却，循环水泵房共设有两台1000kw循环水泵，供汽轮机凝汽器循环冷却用水。由于循泵房距离主厂房较远，原有控制系统为杭州源正电子技术有限公司的YZCK－11型循环水泵控制系统，该系统主要以microPLC控制器为核心，按工艺对循环水泵，循泵出口蝶阀，旋转滤网和冲洗水泵的中间逻辑进行处理，实现较为简单的自动控制，故障检测及声光报警。控制方式为PLC程控硬手操，无工控机。
　　
　　由于原设计，设备选型的原因，自投运以来故障较多。随着设备运行年限的增长，故障趋于频繁，跳泵故障屡次出现，严重影响燃机的正常运行。主要问题如下：
　　
　　(1)电源设计不可靠，易引起循泵冷却水压低跳循泵；
　　
　　(2)循泵出口蝶阀程控不完善， 易引起控制回路故障， 失电， 蝶阀不能自保而关闭， 联动循泵跳闸；
　　
　　(3)报警系统不完善，无报警记录与历史趋势，难以故障分析；
　　
　　(4)设备老化，操作复杂，对设备运行的监控及事故的快速反应和处理不利。
　　
　　这些问题的存在严重影响燃机机组的安全正常运行，不利于机组的稳发满发，有必要对整个控制系统加以改造。
　　
　　

2 系统组成
　　
　　循环水泵是燃机电厂的主要辅机之一，其正常出力对电站的安全正常运行有重要意义循环水泵的控制历来是电站控制中的重要问题。
　　
　　燃机循泵系统由以下结构组成，如图1。

图1 燃机循环系统

　　两台循环水泵分别抽取通过栏污栅的海水，并入一根循环水母管，经过二次滤网再次过滤，送入汽机凝汽器循环水系统。由于循泵出口无法安装逆止阀，每台循泵后都有出口液压蝶阀作为循环水管和循泵的隔离，防止倒水。循泵的冷却水用于循泵电机冷却，采用闭式循环，经过冷却水箱，通过3台2运1备的冷却水泵分两路分别对循泵电机进行冷却。
　　
　　可编程控制器（Programmable Logic Controller），简称为PLC，由于其高可靠性，便捷的通讯接口，简易方便的安装设计等特点，广泛的应用于各种工业逻辑控制领域。燃机循泵控制系统也采用了以微处理为基础的可编程控制器和工控机构成监控系统。控制方式采用CRT操作员站进行监视控制，通过CRT画面和键盘对整个工艺系统进行监视和控制，实现对循环水系统的数据采集，处理，图象显示，报警，制表和自动顺序控制，完成相关辅助系统的调节功能及局部系统的逻辑控制和联锁保护。根据目前的运行管理情况及考虑今后的管理发展方象，程序控制系统及被控设备均按有人和无人化值班方式设计和配置，并预留远程通讯接口以备今后与其他控制系统实现数据通讯和远方监控。
　　
　　考虑到循泵系统对机组的重要性，PLC采用双机热冗余主机进行控制。经过多方调研，对各种双机热冗余的PLC进行性能价格比较后，采用美国GE FANUC系列90－30系列的PLC为双冗余控制设备。其具有以下优点：
　　
　　(1)提供最先进的编程特性，易于组态便于安装。
　　
　　(2)CPU具有强大的功能，如内装PID，结构化编程，中断控制，间接寻址及各种功能模块能完成复杂的操作。
　　
　　(3)高性价比的双机冗余性能。
　　
　　上位机界面软件采用***。系统共配置两台上位机监控系统，一台操作员站兼工程师站和一台操作员站进行控制程序编程，界面软件组态和生产过程的监控管理，包括：显示工艺流程，控制各设备的自动化运行，显示历史趋势曲线，进行报警管理等。
　　
　　整个控制系统组成如图2所示。

图2 循泵控制系统

　　PLC1和PLC2分别为两个GE FANUC 90－30系列PLC，通过Genius总线控制器利用Genius总线网连接，以实现双机热冗余。考虑到系统成本，在远程I/O中，选用了versamax通用扩展式I/O结构，利用Genius网络接口单元，挂到整个Genius总线网中，为远程控制提供灵活的I/O结构。由于90－30系列PLC支持以太网通讯，在系统中增加一个8口以太网HUB,PLC和上位机分别将以太网线接入HUB，实现上位机与现场的高速通讯。
　　
　　

3 系统的实现
　　
　　在改造中，通过以下几点实现了系统的PLC控制。
　　
　　3.1 双机热冗余的实现
　　
　　GE FANUC系列90－30系列的PLC实现双机热冗余由GE Fanuc系列90-30PLC硬件与热备软件max_on构成的，90-30 Max-ON系统的冗余硬件部分是由两套90-30PLC CPU控制器组成，主控制器通过Genius网络总线与其备用控制器和I/O系统的通讯实现其热备冗余功能，一旦主PLC控制器或通讯出现故障；所有控制功能将平稳地切换至备用控制器以确保工艺装置正常运行。系统同时具有参数同步化，I/O总线冗余和系统诊断等功能。软件上90-30 Max-ON提供方便灵活的组态方式。组态软件基于Windows平台，采用对话框方式对系统进行组态，例如：网络结构，同步参数以及模拟量输入转换等。完成双机配置后,可在系统的程控组态软件versapro中引入其配置文件,使两个PLC都置于运行模式,这样其冗余特性就挥发生作用，其主从切换的标志位在PLC的存储器中可以看到。
　　
　　a. %M1017 CPUA标志位；
　　
　　b. %M1018 CPUB标志位；
　　
　　c. %M1019 CPU处于运行模式标志位；
　　
　　d. %M1020 CPU为主机标志位；
　　
　　e. %M1021 所有数据同步标志位。
　　
　　这样,可以方便的在程序中通过对PLC存储器位操作来判断其冗余工作状态,从而判断控制器所处的主从地位,主控制器参与设备的控制,从控制器同样进行数据的采集,运算,并监视主控制器的运行状况,如有异常,立刻平稳的切换为主控制器。
　　
　　3.2 PLC远程I/O结构的实现
　　
　　镇海燃机循泵系统的就地信号的采集和设备的控制采用高通讯速率的versamax远程I/O结构。VersaMax是唯一具有“三合一功能的系列产品，它既可以作为单独的PLC控制机，具有可接受的价格和优越的性能；又可以作为I/O子站，通过现场总线受控于其它主控设备。具有以下特点：
　　
　　(1)I/O模块和通讯模块都可带电插拔；
　　
　　(2)真正的即插即用；
　　
　　(3)模块安装、扩展不需要任何工具；
　　
　　(4)模块化结构，构成系统可大可小；
　　
　　(5)安装费用低，减少工程成本。
　　
　　基于上面的特点，系统中采取带有genius总线接口单元的versamax I/O通过genius现场总线受控于上层的PLC。每块总线接口单元都可下挂8块I/O模块，与就地设备相连。
　　
　　根据现场的实际运行情况，整个PLC系统设置了4个远程I/O机架。
　　
　　＃1远程I/O站主要用于采集＃1循泵系统的各设备的反馈信号，输出＃1循泵系统各设备的启停指令。
　　
　　＃2远程I/O站主要用于采集＃2循泵系统的各设备的反馈信号，输出＃2循泵系统各设备的启停指令。
　　
　　＃3，＃4远程I/O站主要用于采集公用系统包括循泵液压油泵，二次滤网前后压力，二次滤网进出口电动门，排水泵，轴流风机，冷却水泵等设备的反馈信号，输出各设备的启停指令。
　　
　　3.3 上位机画面与操作的实现
　　
　　在系统中，采用了以PLC为控制设备，工控机作为上位机，通过以太网连接的结构形式。这种结构充分发挥了PLC和计算机的优点。PLC可靠性高，抗干扰能力强，对设备的控制有其独立完成。计算机完成图形、实时数据的显示，故障报警等功能。
　　
　　系统中采用***软件作为上位机的监控软件。***作为一种多方面的监控软件，提供了与多种PLC通讯的I/O驱动程序，可方便的与PLC连接，在工业控制领域有着广泛的应用。监控系统包括SCADA系统和 HMI图形系统。SCADA系统通过与 PLC建立通讯关系通过软件接口I/O驱动程序与PLC直接建立通讯来读取数据，并形成实时数据库。HMI图形系统显示实时数据和报警信息，记录历史数据，打印报表，修改设定参数以及实现软手动控制等。
　　
　　3.4 逻辑完善
　　
　　在原有的设备运行中及新设备投运后系统逻辑需要完善的主要有以下几点：
　　
　　3.4.1 现场和CRT上的操作
　　
　　以循泵为例，在就地动力柜上设计“就地/检修/远方” 控制转换开关，及“启动”，“停止”控制按钮。在CRT上设计循泵的“连锁/解除”，“程控/解除”软转换开关，及 “启动”，“停止”软控制按钮。当就地动力柜上的“就地/检修/远方” 控制转换开关打在就地时，CRT上只监视其状态，对其操作无效，面板上“启动”，“停止” 按钮用于简单的启动，停止循泵，不参加系统连锁功能。当就地动力柜上的“就地/检修/远方” 控制转换开关打在远方时，面板上的按钮对其操作无效，此时，CRT上的软按钮对其操作启动，停止循泵，并且根据要求在停泵时自动投入加热，在启泵时自动投入轴流风机。当CRT上的“连锁/解除” 软转换开关置“连锁”时，两台循泵互为联锁，一台循泵处于备用，当另一台跳闸后，此循泵自动启动。否则，当软转换开关置“解除”时，此循泵不自动启动。当CRT上的程控/解除”软转换开关置于“程控”时，此循泵与循泵出口蝶阀程控联动状态。否则，当软转换开关置“解除”时，循泵的启停与蝶阀的开度无关。
　　
　　3.4.2 循泵与出口蝶阀的控制逻辑改进
　　
　　循泵与出口蝶阀处于相关的连锁状态。为防止循泵的空转，倒转引起泵的损坏，循泵的启停由出口蝶阀决定，并且考虑到系统有没充水的条件。
　　
　　启动时，根据运行状况选择循环水管是否充水，当完全充水时（如一台已运行，开第二台泵），先启动出口蝶阀置15％，然后启动循泵，同时，蝶阀继续开启置全开。当未充水时（如水管放空后启泵），先启动出口蝶阀置15％，然后启动循泵，这时，出口蝶阀在15％处停留20min，使进行循环水管充分充水，再继续开启置全开。
　　
　　停止时，正常顺控停泵时，先使出口蝶阀关置15％，然后停循泵，同时出口蝶阀继续关闭置关死。当发生循泵跳泵时，联锁关闭出口蝶阀。
　　
　　3.4.3 循泵运行与冷却水压力保护的控制逻辑改进
　　
　　在系统中，每台循泵的冷却水管路上分别设置两个冷却水压力低Ⅱ值和一个冷却水压力低Ⅰ值。冷却水压力低Ⅰ值作为启动备用冷却水泵的条件。冷却水压力低Ⅱ值作为启动循泵的闭锁条件，当循泵未运行时，两个冷却水压力低Ⅱ值都动作，不允许启泵，当循泵运行时，两个冷却水压力低Ⅱ值都动作后，延时20s，跳闸循泵。冷却水压力低Ⅱ值的闭锁条件可CRT上选择是否投入，当发生冷却水压力开关故障时可屏蔽，便于检修工作。
　　
　　程序框图如图3。

图3 控制逻辑的改进

4 结论
　　
　　在完成循泵控制系统PLC改造后，增强了循环水系统的抗干扰能力，优化了逻辑组态，在运行中减少了人力操作，增强了报警功能和故障记录分析，减少了缺陷故障率，大大提高了循泵的运行可靠性使之不再成为燃机安全运行的薄弱环节，完成了设备改造的目的。
　　
　　基于PLC的循泵控制系统，充分利用了PLC组网方便，抗干扰能力强，适用于逻辑顺序控制方面的特点，有效的完成了循环水系统的自动控制。并且为循泵无人化值班提供了条件，在镇海燃机运行的实际应用中得到了良好的效果，其经验可以用于今后其他循泵控制系统参考。