第五章 保护用控制设备与测量元件
第一节 概述
随着我国电力工业的迅速发展，火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，运行参数越来越高，发电机组的安全可靠性对本机组、对电网乃至对国民经济来说更显得极为重要，热工保护系统的规模也大幅度上升，对热工保护系统的控制方式、运行水平的要求也越来越高，保护控制系统的安全可靠性，对保障机组的安全稳定运行显得十分关键。
热工保护系统肩负着保护主、辅设备，保证机组安全运行和防止事故扩大的重任，它是机组自动化控制的重要组成部分，热工保护是通过对设备工作状态和机组运行参数的严密监视，发生异常情况时，及时发出报警信号，必要时自动启动或切除某些设备或系统，使机组维持原负荷运行或减负荷运行。机组在启停和运行过程中，当发生重大故障而危及机组设备和人身安全的故障时，及时采取相应的措施或加以保护，软化故障，停止机组（或某一部分）运行，避免事故进一步扩大，保证机组的正常启停和安全运行，从而避免发生重大的设备损坏和人员伤亡事故。
为了实现机组热工保护的任务，其核心是热工保护控制设备，以及具有向热工保护控制设备提供信息的热工保护测量元件，合理地选用可靠的热工保护控制设备与测量元件，对提高机组自动控制水平，减轻运行人员的负担，增加机组运行的可靠性具有重大意义。
在我国火力发电厂应用DCS和PLC的初期，人们对采用可编程序软逻辑实现保护功能，在动作速度和可靠性上存在疑虑，因此与机组安全有关的功能（如汽轮机危急跳闸系统ETS，主燃料跳闸MFT、汽机防进水保护、主要辅机的联锁保护等）大多数情况下采用电磁继电器或固态集成电路组成的硬接线逻辑。
由于采用电磁继电器或固态集成电路组成的硬接线逻辑对于较复杂的控制是相当困难和不可能的，并且电磁继电器或固态集成电路本身具有不足之处，影响控制系统的各项性能。上个世纪80年代未国内,火力发电厂DCS应用范围开始扩大到炉膛安全监控系统FSSS和SCS(包括了辅机联锁保护和汽机防进水保护), 于是形成了DCS完成四大功能(DAS、 MCS、SCS、FSSS) 的模式.
机组运行的安全可靠，不仅依赖于各设备的安全可靠性能，而且同各类保护控制装置的准确性和可靠性密切相关。电厂早期热工保护装置由继电器组成控制回路，回路硬接线多，加上继电器长期带电工作，继电器触点易老化，导致接触不良，易产生拒动或误动的情况。而且随着运行时间的越来越长，故障点相应增多，维护工作量越来越大，严重影响着机组的安全运行。
另外，保护装置在机组正常运行时是长期不动作的，而一旦出现异常情况却要求必须可靠的立即动作，因此对于热工保护装置应有必要的监视和试验手段，以确保热工保护装置本身动作的正确和可靠。
随着计算机技术和现代控制技术的飞速发展，PLC和DCS在电厂应用经验的积累，以及性能、可靠性的提高，PLC和DCS对机组监控覆盖面日趋完善，其渗透深度也随之增强。近年来，无论是新建的大型机组还是老机组进行热工自动化改造，其所设计的PLC和DCS系统控制功能已不仅仅局限于热机系统的监视、控制及大联锁等，机组热工保护系统的控制也纳入DCS中，甚至像MFT（主燃料跳闸） 、ETS（汽轮机危急跳闸系统）可靠性要求很高的专用设备，也有人尝试用DCS(设计专用智能板件)来实现其功能。2000年修订的《火力发电厂设计技术规程》已明确规定\对于300MW及以上机组，当响应速度允许并有成功的应用经验时，也可将汽轮机保护纳入DCS\，但对采用何种类型的控制器并未做出规定。而且目前机组控制室人机界面的设计也已经发生了深刻变化，常规仪表加硬手操的监控模式已基本被取消，取而代之的是大屏幕、CRT操作员站加软手操。因此，机组安全、经济运行对DCS的依赖性也越来越大。 第二节 热工保护控制设备 1、 可编程控制器（PCL） 1、1 PLC系统概述
可编程控制器(Programmable?Logical?Controller)简称为PLC，是60年代末发明的工业控制器件。国际电工委员会（IEC）对可编程控制器的定义是：一种数字运算操作的电子系统、专为在工业环境下应用而设计。它参用一种可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制，时序、计数和算术运算等操作的面向用户的指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。?
PLC是由早期继电器逻辑控制系统与微机计算机技术相结合而发展起来的，它是以微处理器为主的一种工业控制仪表，它融计算机技术、控制技术和通信技术于一体，集顺序控制、过程控制和数据处理于一身，可编程控制器由于抗干扰能力强、可靠性高、编程简单、、控制灵活、操作维护简单和性能价格比高，在工业控制领域得到越来越广泛应用。
可编控制器PLC进入国内工业控制领域己近十年了，早期的PLC由于受硬件的构成及软件环境的局限，其应用范围受到二定的限制。近几年来，随着微电子技术及计算机技术的高速发展，PLC产品高度融合了计算机产业最新进的技术与工业自动控制的经典理论，在其功能及性能上指标上得以大大的丰富和完善，从而突破了传统PLC的概念，在中、小型控制领域内极大的扩展了其应用范围。在特定的范围内，高性能价格比己成为新型PLC的最突出的特点。
PLC是基于计算机技术和自动控制理论发展而来的，它既不同于普通的计算机，又不同于一般的计算机控制系统，作为一种特殊形式的计算机控制装置，它在系统结构，硬件组成，软件结构以及I/O通道，用户界面诸多方面都有其特殊性。
从原理上说，可编程控制器和计算机是一致的，为了和工业控制相适应，PLC采用扫描原理来工作，也就是对整个程序进行一遍又一遍的扫描，直到停机为止。之所以采用这样的工作方式，是因为PLC是由继电器控制发展而来的，而CPU的扫描用户程序的时间远远短于继电器的动作时间，只要采用循环扫描的办法就可以解决其中的矛盾。循环扫描的工作方式是PLC区别于普通的计算机控制系统的一个重要方面。
目前，由于PLC把专用的数据高速公路改成通用的网络，并逐步将PLC之间的通信规约靠拢，使得PLC 有条件和其它各种计算机系统和设备实现集成，以组成大型的控制系统，这使得PLC 系统具备了DCS的形态，这样，基于PLC的DCS系统目前在国内外都得到了广泛的应用。 1、2 PLC主要特点
1、2、1抗干扰能力强，可靠性高
PLC的技术条件能在一般高温、振动、冲击和粉尘等恶劣环境下工作，能在强电磁干扰环境下可靠工作。实验表明一般的PLC产品可抗1000V、1μS的窄脉冲干扰，其平均无故障时间（MTBF）一般在40000～50000h以上，西门子、ABB、松下等微小型PLC可达10万h以上，而且均有完善的自诊断功能，判断故障迅速，便于维护。 1、2、2 模块化组合灵活
可编程控制器是系列化产品，通常采用模块结构来完成不同的任务组合，使系统构成十分灵活。I/O从8～8192点，有不同档次的多种机型、多种功能模板可灵活组合，结构形式也是多样的。 1、2、3功能强，范围广
PLC应用微电子技术和微计算机，简单型式都具有逻辑、定时、计数等顺序控制功能; 基本型式再加上模拟I/O、基本算术运算、通信能力等; 复杂型式除了具有基本型式的功能外，还具有扩展的计算能力、多级终端机制、智能I/O、PID调节、过程监视、网络通信能力、多处理器和高速数据处理能力。
1、2、4 编程简单易学
PLC编程方法采用面向控制过程容易理解的编程语言，例如梯形图、功能块图、指令表和顺序功能表图(SFC)，简单直观、易学易记，不需要太多的计算机编程知识。新的编程工作站配有综合的软件工具包，并可在任何兼容的个人计算机上编程。 1、2、5 安装、维修简单
与计算机系统相比，PLC安装不需要特殊机房和严格的屏蔽。使用时只要各种器件连接无误，系统便可工作，各个模件上设有运行和故障指示装置，便于查找故障，大多数模件可以带电插拔，模件可更换，使用户可以在最短的时间内查出故障，并排除，最大限度地压缩故障停机时间，使生产迅速恢复。然后再对故障模件进行修复，这对大规模生产场合尤为适宜。
一些PLC外壳由可在不良工作环境下工作的合金组成，结构简单，上面带有散热槽，在高温下，该外壳不像塑料制品那样变形，还可抗无线电频率(RF高频)电磁干扰、防火等。 1、2、6 运行速度快
随着微处理器的不断发展和增强，PLC的运行速度不断提高，使它更符合处理高速度复杂的控制任务，它与微型计算机之间的差别不是很明显。 1、2、7 性能价格比高
PLC的重量、体积、功耗和硬件价格一直在降低，虽然软件价格占的比重有所增加，但是各厂商为了竞争也相应地降低了价格。另外，采用PLC有相当一部分工作可通过编程设备在实验中进行，可以节省了大量的时间、人力和资金，较大缩短设计、编程和投产周期，随着电子技术的不断发展，PLC的功能在不断增强，使总价格不断的进一步降低。
1、3 PLC的构成
虽然各种PLC的组成各不相同，但是在结构上是基本相同的，一般由CPU、存储器、输入输出设备(I/O) 、电源模块、底板或机架，和其他可选部件组成。其他的可选部件包括编程器，外存储器，模拟I/O盘，通信接口，扩展接口等。
1、3、1 CPU的构成
CPU是PLC的核心，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的存储器中，同时诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。它用于输入各种指令，完成预定的任务，起到了大脑的作用，自整定、预测控制和模糊控制等先进的控制算法也已经在CPU中得到了应用；
CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。
在使用者看来，不必要详细分析CPU的内部电路，但对各部分的工作机制还是应有足够的理解。CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工作节奏由震荡信号控制。运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制器指挥下工作。寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制器指挥下工作。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。 1、3、2 存储器
存储器主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元，存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器，存储器包括随机存储器RAM和只读存储器ROM。
PLC常用的存储器类型 ：1）RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度最快，为程序运行提供了存储实时数据与计算中间变量的空间，由锂电池支持。2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变 (在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。3）EEPROM(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。通常将程序以及所有的固定参数固化在ROM中。 1、3、3 I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。I/O模块集成了PLC的I/O电路，
其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。输入输出系统（I/O）使过程状态和参数输入到PLC的通道以及实时控制信号输出的通道，这些通道可以有开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO），脉冲量输入（PI）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。常用的I/O分类如下：
开关量：按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等，位数和精度可以根据用户要求选择。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。 1、3、4 电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。电源输入类型有：交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。 1、3、5 底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。 1、3、6 PLC系统的其它设备 1）、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。 2）、人机界面：最简单的人机界面是指示灯和按钮，目前液晶屏（或触摸屏）式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机（运行组态软件）充当人机界面非常普及。 3）、输入输出设备：用于永久性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。 1、3、7 PLC的通信联网
依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。现代PLC大多数都采用了通信、网络技术，有RS232或RS485接口，可进行远程I/O控制，多台 PLC可彼此间联网、通信，外部器件与一台或多台可编程控制器的信号处理单元之间，实现程序和数据交换，如程序转移、数据文档转移、监视和诊断。
通信接口或通信处理器按标准的硬件接口或专有的通信协议完成程序和数据的转移。如西门 子S7-200的Profibus现场总线口，其通信速率可以达到12Mbps。
在系统构成时，可由一台计算机与多台PLC构成“集中管理、分散控制”的分布式控制网络，以便完成较大规模的复杂控制。通常所说的SCADA系统，现场端和远程端也可以采用PLC作现场机。
1、 4 可编程控制器基本原理
PLC是基于电子计算机，且适用于工业现场工作的电控制器。它源于继电控制装置，但它不像继电装置那样，通过电路的物理过程实现控制，而主要靠运行存储于PLC内存中的程序，进行入出信息变换实现控制。
PLC基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。PLC则还要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及信息的使用等问题。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，抗干扰等问题。 1、4、1 扫描技术
PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始
步循环运算。PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。
当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。扫描周期的长短取决于系统的配置、I/O通道数、程序中使用的指令及外围设备的连接等。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。如图5-1所示。
图5-1 扫描周期过程
1）输入采样阶段
在输入采样阶段，PLC以扫描方式依次地读入所有输入状态和数据，并将它们存入I/O映象区中的相应得单元内。输入采样结束后，转入用户程序执行和输出刷新阶段。在这两个阶段中，即使输入状态和数据发生变化，I/O映象区中的相应单元的状态和数据也不会改变。因此，如果输入是脉冲信号，则该脉冲信号的宽度必须大于一个扫描周期，才能保证在任何情况下，该输入均能被读入。 2）用户程序执行阶段
在用户程序执行阶段，PLC总是按由上而下的顺序依次地扫描用户程序(梯形图)。在扫描每一条梯形图时，又总是先扫描梯形图左边的由各触点构成的控制线路，并按先左后右、先上后下的顺序对由触点构成的控制线路进行逻辑运算，然后根据逻辑运算的结果，刷新该逻辑线圈在系统RAM存储区中对应位的状态；或者刷新该输出线圈在I/O映象区中对应位的状态；或者确定是否要执行该梯形图所规定的特殊功能指令。即，在用户程序执行过程中，只有输入点在I/O映象区内的状态和数据不会发生变化，而其他输出点和软设备在I/O映象区或系统RAM存储区内的状态和数据都有可能发生变化，而且排在上面的梯形图，其程序执行结果会对排在下面的凡是用到这些线圈或数据的梯形图起作用；相反，排在下面的梯形图，其被刷新的逻辑线圈的状态或数据只能到下一个扫描周期才能对排在其上面的程序起作用。 3）输出刷新阶段
当扫描用户程序结束后，PLC就进入输出刷新阶段。在此期间，CPU按照I/O映象区内对应的状态和数据刷新所有的输出锁存电路，再经输出电路驱动相应的外设。这时，才是PLC的真正输出。
一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，如图5-2所示，即一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。
输入刷新--运行用户程序--输出刷新--再输入刷新--再运行用户程序--再输出刷新……永不停止地循环反复地进行着。有了输入刷新，可把输入电路监控得到的输入信息存入PLC的输入映射区；经运行用户程序，输出映射区将得到变换后的信息；再经输出刷新，输出锁存器将反映输出映射区的状态，并通过输出电路产生相应的输出。又由于这个过程是永不停止地循环反复地进行着，所以，输出总是反映输入的变化的。
图5-2所示的过程是简化的过程，实际的 PLC工作过程还要复杂些。除了 I/O刷新及运行用户程序，还要做些公共处理工作。公共处理工作有：循环时间监控、外设服务及通讯处理等。
外设服务是让PLC可接受编程器对它的操作，或通过接口向输出设备如打印机输出数据.
网络服务是实现PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与其它工业控制装置或智能部件间信息交换的。
热工联锁保护系统配置优化方案(五章)
