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1 引 言
汽轮机热工监视和保护装置以及由其所组成的信号报警系统和保护控制系统，是保护汽轮机安全运行的重要设备。随着机组容量的增大，汽轮机安全监视和保护就显得更加重要，同时对汽轮机安全监视和保护装置的准确性和可靠性也提出了更高的要求。原有及早期设计的保护系统大多为继电器及硬件逻辑搭接的，它的系统可靠性较差，维护量较大。因此，采用可编程控制器（PLC）对汽轮机热工监视和保护装置进行控制显得十分重要和必要。以下所介绍的为应用PLC控制的汽轮机保护系统。
2 汽轮机保护系统概述
汽轮机在正常运行过程中，需要根据用户用电量来调节负荷，为了防止调节系统因故障失灵，和汽轮机突然甩负荷时引起超速危险，以备在机组出现某些异常时迅速动作停机，防止发生事故。汽轮机必须设置转速、转子的轴向位移、轴瓦振动、机缸相对膨胀、汽轮机各轴承的油压和油温、凝汽器的真空度、发电机的主保护动作等参数的保护，在这些参数中的任何一个超过所规定的允许值时，要求自动发出信号使磁力断路油门动作，泄掉安全油，切断进汽，进行强制停机，并且同时声光报警，记录停机原因，向DCS控制系统和调节系统发送联锁信号，联锁调节门、发电机和油泵，使整个系统迅速回到安全状态，达到保护汽轮机的目的。
3 系统组成
汽轮机保护系统由现场设备部分、PLC控制系统部分、人机界面（触摸屏）和外围联络系统组成。现场设备主要包括：汽轮机本体监测系统（检测汽轮机转速、轴向位移、轴承瓦振动、汽缸相对膨胀等）、压力检测系统（检测润滑油压力、安全油压油、凝汽器真空度）、油温检测系统（检测各轴承回油的温度）、磁力油路遮断停机系统；PLC控制系统包括：冗余的PLC控制器、信号隔离继电器、驱动继电器和接触器；外围联络系统包括：DCS控制系统、汽轮机转速负荷调节系统。系统结构如图1所示。整体系统构成了现场数据采集处理、监视和现场设备控制。
4 硬件设计
由于汽轮机保护系统的重要性，决定了该系统在任何时候不容许出现误动作或拒动作，因此作为逻辑控制单元的PLC一般选用国内外品质高、稳定性好的产品AB-ControLogix系列产品。
系统采用双机热备冗余配置，控制核心部件（CPU）配置两套，分别安装在两个独立的机架，两个机架的CPU通过光纤连接的同步模块同步热备运行，在任一套CPU及相关部件出现故障或错误时，会无扰动切换到另一套CPU，保证了系统的可靠稳定运行。PLC的IO模块安装在独立的IO机架，IO与CPU的通讯方式为冗余ControlNet网络。PLC的开关量输入输出点都选用继电器隔离，彻底防止了现场的干扰信号对系统的不良影响，保证了系统能够长期可靠运行。
图1 汽轮机保护系统结构图
人机交互单元选用Allen-Bradley 公司的PV1000 彩色工业触摸屏产品，在触摸屏上可以进行监视、操作和运行参数记录，触摸屏是系统的操作员站,人机对话简单方便、系统组态便于修改和扩充，并且触摸屏具有不死机可以长期稳定运行的优点。触摸屏与CPU的通讯方式也是通过冗余ControlNet网络。
汽轮机保护系统的PLC结构示意图如图2所示。由图可以看出，在保护系统投入正常运行后，如果一套CPU出现故障或一条通讯介质接触不良，不会影响保护系统正常运行。
图2 PLC结构示意图
5 软件设计
软件设计包括两部分：PLC控制保护逻辑和触摸屏监视、操作记录画面组态。PLC控制保护逻辑采用梯形图编写，保护逻辑程序选择连续性任务在全部时间内运行，使保护逻辑程序始终运行。保护逻辑程序主要包括各项保护投退部分，报警与显示部分，跳闸动作部分，事件记录和SOE记录等几个部分。
由于采用了触摸屏，保护投退由一个总保护开关，扩展为每一项保护设置独立的保护开关，各分项保护开关在触摸屏上组态实现。各项保护投退相当于汽轮机保护系统的开环运行或闭环运行的选择钥匙，在保护退出时，汽轮机保护系统属于开环运行，此时保护对应的运行参数异常，保护系统只发出报警，不会动作跳闸；在保护投入时，汽轮机保护系统属于闭环运行，此时保护对应的运行参数异常，保护系统发出报警，同时动作跳闸，关闭主汽门。分项保护开关的设计，使得保护系统更灵活，现场工作人员可以根据运行情况投入部分最重要的保护功能，不满足条件的保护暂时不投入。
PLC采集到的现场汽轮机报警信号、跳闸信号分别在触摸屏报警画面和跳闸画面显示，取代了以前用大量光字牌显示报警跳闸的方法，大大减少了日常维护量。跳闸动作信号进行首次跳闸记录，为分析汽轮机跳闸原因提供了很好的依据。PLC保护逻辑与触摸屏之间通过对应的CotrolNet通讯协议进行实时通讯，从而保证了汽轮机运行参数在触摸屏上显示和进行事件记录，在触摸屏上进行的操作实时被PLC扫描，并在程序中执行。
SOE记录要求达到毫秒级别，需要在PLC中通过程序实现，并在PLC中记录，把记录结果在触摸屏上显示。
6 结束语
根据上述的思路和方法，由PLC控制的汽轮机保护系统已先后在沈阳新北热电厂、寿光巨能热电厂、通辽盛发热电厂等数十个用户单位的汽轮机设备上投入运行，结果表明系统的设计是合理的，系统在现场运行稳定可靠，不仅提高了设备的自动化运行水平，减轻了现场人员的维护量，而且延长了汽轮机的运行寿命，有着明显的经济效益和社会效益。