关键词：上位机；PLC；以太网；自动控制；联锁

Abstract: The new 65MW high temperature and super high pressure steam turbine generator set in Laiwu Iron and Steel Power Plant adopts high efficiency gas boiler. Its FSSS control system has reliable, advanced and practical performance, high utilization rate of gas heat energy, interlocking and emergency shutdown protection, and completes necessary operation or treatment of attempted accidents in accordance with established, reasonable and safety procedures to ensure the safety of furnace and combustion system and prevent transportation, Boiler hearth explosion is caused by personnel operation accident and equipment failure, which ensures the safe operation of the boiler to the maximum extent and meets the functions of process operation, control and monitoring.

Key words: PC; PLC; Ethernet; Automatic control; Interlocking

1  引言

莱钢新上65MW高温超高压发电机组于2018年10月成功并网发电，其1×220t/h超高压煤气锅炉燃烧保护FSSS系统技术先进，安全可靠性高，满足运行要求。

2  燃烧工艺

本发电机组220t/h高温高压燃气锅炉为燃烧器四角布置，切圆燃烧方式，采用高效、低氮双旋流煤气燃烧器，共设3层，每层4只，煤气和热风分别送进燃烧器喷入炉膛，在烧嘴口混合燃烧，主燃料为高炉煤气，或“高炉+转炉”煤气掺烧，焦炉煤气点火采用高能点火器→点燃焦炉煤气→点燃高炉煤气点火方式。

3  自动控制系统组成

FSSS自控系统以施耐德Modicon Quantum M580 PLC为核心，由阀门控制柜、点火控制柜、火检控制柜、冷却风机控制柜、过程仪表等构成被控设备层、控制层和上位信息层三层架构，上位机与PLC采用以太网通讯，实现对现场设备过程监控、动态数据显示记录、参数设定、火焰探头及冷却风系统等管理；具有自诊断、联锁、操作和系统复位、过程信息归档、报警信息显示、报表打印等功能。控制系统结构如图1所示。

图1  控制系统结构图

（1）过程仪表：检测锅炉炉膛压力高/低；高炉、转炉和焦炉煤气压力高/低；送/引风机运行；汽包水位高/低；蒸汽压力、锅体超压、火焰检测、送风机风量等。

（2）冷却风机控制柜：共2台现场安装，控制火检冷却风机，具有远程/就地启停和过载保护等功能。.

（3）火检柜：共2台现场安装，控制1#∽4#角3个燃烧层12个喷燃气红外动态火焰检测器探头，用来监视每个火嘴燃烧情况，火检处理器将接收到火检探头有火信号处理反馈给PLC。

（4）阀门控制柜：共4台现场安装，控制高炉上下层、焦炉、转炉4台阀门，具有远程/就地开关功能，并将阀门开关信号反馈给PLC。

（5）点火控制柜：共2台现场安装，控制炉膛四角高能点火装置、推进器等，具有远程/就地点火功能，点火装置为设定定时打火，打火时间为10s，并将点火器及推进器开关信号反馈给PLC。

（6）炉膛视频监控：检测和显示炉膛火焰实时情况，由特种耐高温镜头组、彩色CCD摄像机、电动推进器、控制单元、显示设备等组成。

4  自动控制系统功能

4.1  装置功能

炉膛安全监控系统FSSS（Furnace Safeguard Supervisory System）即能自动完成各种操作和保护动作，又能避免运行人员手操误动作，并及时执行手操来不及快动作，如紧急切断和跳闸等，在全炉膛失去火焰、炉膛压力高/低、失去燃料、汽包水位异常、送引风机停、汽机跳闸、风室压力高、给水泵停、或手动危机跳闸时，立即切断锅炉主燃料MFT（Main Fuel Trip主燃料跳闸)并进行相应停炉操作，并显示出跳闸原因，进行事故追忆，在满足清扫条件下启动吹扫，吹扫完成后自动消除MFT信号，进入点火准备阶段。
4.2  HMI画面结构

操作系统为Windows7，监控软件和编程软件为JFix5.9和UnityProXL13.0版本，控制系统HMI主画面有：主页、点火控制、MFT联锁、报警一级界面结构，如图2所示。                                                                                                      

                           图2  画面结构                                

主画面：程序启动运行和用户注销。

燃烧画面：用于锅炉吹扫、冷却风机启停、焦炉煤气点火等，如图3所示。

联锁画面：用于锅炉联锁参数设置，联锁投入与解除。

警示画面：提供近期警示的一览表参数。

                                                                      图3  燃烧画面截图面

4.3  操作流程

系统操作分为机旁手动、HMI画面远程手动、计算机自动，操作权限由画面选择开关决定，机旁手动用于设备检修和调试，所有设备动作均由PLC按设定的程序完成。

启动电脑登录点击桌面图标，在弹出HMI期望画面上进行操作,维修和操作人员从画面背景颜色变化判断设备动作状态。

（1）气动阀门。高炉、转炉、焦炉均为气动快切阀，用鼠标点击阀门图标开/关按钮，背景颜色发生变化反映其开关状态，实时信号由阀位开关反馈给PLC。

（2）冷却风机。为火检探头供风冷却，当为远程控制时，用鼠标点击画面2台启动风机按钮，风机启动，柜面板指示灯亮和画面背景颜色发生变化，若发生过载由指示灯和画面报警显示。

（3）燃料灭火保护。分单角灭火和全炉膛灭火保护：单角保护是在远控方式点火时如单角燃料阀门已打开若干秒后，火检未检测到火焰，则立即关断对应燃料快切阀；若在远控方式燃烧器正常燃烧时，所有火检都同时出现3/4无火情况时，则判定为全炉膛灭火，立即启动MFT动作指令。

在系统运行界面窗口点击转炉支阀灭火保护投：1#～4#转炉煤气快切阀分别由9#～12#火检触发动作；分别点击上层和下层高炉支阀灭火保护投：1#～4#上层高炉煤气快切阀分别由5#～8#火检触发动作、1#～4#下层高炉煤气快切阀由1#～4#火检触发动作；反之为人工开/关阀，或当发生MFT时，同样发生关阀控制.

（4）现场控制柜。依次点击操作画面4个阀门程控柜和2个点火程控柜图标，背景颜色发生变化，系统运行界面对现场控制柜被授权，可以对1～4#角阀门、1～4#角点火器推进器进行控制，否则只能现场控制。

4.4  锅炉运行

FSSS系统主要控制逻辑：锅炉点火前吹扫、点火和熄火程控及就地手动控制、火焰监视、主燃料MFT跳闸、炉膛灭火保护（锅筒水位、炉膛/煤气压力、风量等参数）等。

（1）锅炉吹扫

在燃料进入炉膛燃烧之前（初次点火、锅炉跳闸、正常停炉），必须对炉膛进行吹扫，在操作画面根据操作按钮背景颜色变化进行操作。

吹扫逻辑：2台送风机/2台引风机分别二选一已运行、煤气阀（焦炉、转炉、高炉）全关、炉膛无火、汽包水位正常、MFT正常、送风机风量和调节阀开度均大于30%等满足要求。

启动吹扫：在点火画面点击吹扫控制画面，当“吹扫允许”指示变红，点击“吹扫启动”按钮，启动吹扫程序，“吹扫进行”变绿，即进行炉膛吹扫，剩余时间开始倒计时，吹扫计时时间由运行人员手动设定，此时观察记录和显示信息，风机运行6分钟后画面显示吹扫完成，在吹扫过程中，若送风机因故停止，画面上将显示吹扫中断和MFT存在，将再次重新满足吹扫条件进行吹扫，直至吹扫彻底完成具备点火条件锅炉跳闸条件消失。

吹扫完成和停止：吹扫计时时间到“吹扫完成”指示变红。当发生MFT、或系统重新上电、应再一次吹扫启动，若在吹扫过程中，某一吹扫条件不具备“吹扫中断”指示变绿。

锅炉点火

（2）点火逻辑：点火过程是一系列设备顺动，时间为3s，当所需条件完全满足时，程序才会继续执行下去，否则，程序会自动跳过条件不满足的语句，顺次判断执行，使点火中断。

点火允许：焦炉母管煤气压力正常、炉膛吹扫完成、任意冷却风机运行、焦炉煤气母管速断阀、点火柜程控点火投入、主燃料MFT正常，运行人员即可在HMI画面实现对点火枪、煤气燃烧器启停控制，焦炉煤气点燃后通过火检及工业电视画面判断火焰状态。

点火启动步骤：在操作画面打开焦炉煤气总管速断阀，当煤气压力显示正常和点火条件满足后，点击点火启动按钮→进焦炉煤气点火枪、开焦炉煤气点火阀→点火器打火、焦炉煤气点火阀开到位→退点火枪（焦炉煤气电动阀开、点火枪退到位、有火焰信号）→画面反馈状态为有火→系统点火成功；若在速断阀开启后2秒内，如检测不到稳定火焰信号FSSS将自动执行停止程序；程序停止步骤：点击停止按钮→关闭焦炉煤气速断阀→退回焦炉煤气气枪→停止程序结束，点火和阀门控制时间判断由PLC按设定的程序自动完成。

自动点火：当监控画面出现无综合报警、吹扫完成、主燃料MFT正常等自动点火允许条件时，点击自动点火投按钮和自动点火按键，投入自动点火控制，再依次点击4个燃烧器“自动点火”按钮，程序自动完成→进点火枪→开点火器→开焦炉阀→火焰判断→点火成功或点火失败动作程序。

手动点火：按工艺要求顺次单独操作各个设备，实现手动点火，即：进点火枪→启动点火器→开焦炉阀→火检判断→画面显示火焰图标→点火完成，此方式不受“点火允许”条件限制。

燃烧调节：火焰稳定后，配风量越大，燃烧越充分，火焰越短，但风量不能过大，否则会带走大量热量影响锅炉热效率，因此负荷调节由锅炉控制主机通过调节空燃比，将风门及燃料调节阀调节到最佳开度，提高煤气充分燃烧热效率。

燃烧器停运：正常停运时，可逐步减少燃气使用量，再点击“关燃烧器燃气阀”按钮，逐个停运燃烧器，然后设备断电；当出现危及锅炉运行情况时，点击画面MFT紧停按钮紧急停止，此时对风机无影响。

5  安全联锁

锅炉主要联锁就是触发MFT动作，即：关所有高炉煤气速断阀→关高、焦炉煤气总电动阀及各角阀→关减温水电动阀。为确保锅炉系统安全运行，PLC程序中设有机械及电气安全联锁回路，所有MFT条件都在操作画面设置了保护总和单个投/切人工干预按钮，运行人员根据现场情况将保护投入或切除，紧急情况时，点击画面按钮，引起连锁反应，或当一个MFT条件已存在（显红色），这时“投入”触发MFT停炉。运行和联锁画面如图4、图5所示。

图5  联锁画面截图

5.1  触发MFT紧急停炉条件                                                                                                                                             

锅炉汽包水位高/低水位保护信号由3个水位电接点输出，经三取二逻辑取得经延时判断；锅炉炉膛压力高/低由三个炉膛压力开关经三取二逻辑处理后取得的延时信号作为保护信号；两台送/引风机二选一跳闸；失去全部燃料和全炉膛灭火；来自炉体主控系统主蒸汽超压、锅体超压、高炉和焦炉煤气各自三取二压力开关信号，以及按钮急停和上位机急停。

5.2  MFT跳闸

当MFT任一条件出现都会导致MFT发生，程序将自动关闭所有煤气快切阀，阻断主燃料供入。

手动画面停炉时，在画面手动MFT弹出窗口点击“确认”触发MFT锅炉跳闸，反之点击MFT触发复位，系统重新按点火程序进行，其联锁画面图中1～12为发生MFT条件。

为确保锅炉连续运行，对掺烧转炉煤气的压力低联锁，在“保护投”使用后，当转炉煤气压力低报警时，关断转炉阀门即可，当高炉煤气和雾化蒸汽压力低等条件出现时，系统若出现角火焰（每角3个火嘴）、层火焰（每层4个火嘴）、全炉膛火焰（12个火嘴）一定位置和一定数量的火嘴火焰丢失并超过“临界火焰”条件时，立即启动联锁迅速切断所有进入炉膛的燃料，防止炉膛爆炸。
5.3报警查询

点击报警页面，从弹出历史报警表查询报警故障，或通过级联菜单、根目录查询历史记录。查询时尽量不要在控制当中弹出报警记事本，否则会影响上位机速度。

6  维修措施

焦、高、转炉煤气点火及运行危险性极高，具有高温、高压、易燃、易爆、易泄漏等特点，针对FSSS系统在机组运行中发现的缺陷不断优化完善，制订有关炉膛安全保护装置和监测设备等定期检查维护和校验制度、有关灭火处理和炉膛安全保护装置运行操作规定、点火前必备条件和详细检查项目及手动操作安全启动程序等措施，在锅炉灭火和保护动作跳闸后，按规定进行炉膛吹扫，严禁采用爆燃法抢救灭火；注意防止炉膛安全保护装置信号传导堵塞和火焰检测器探头烧坏或污染失真；已投用的炉膛安全保护装置不得随意切除，因故切除时，应采取相应安全措施等，同时必须有防止因电源中断或恢复，以及瞬间切换造成误动作的措施。

在逐个点火时，按间隙先点对角，切忌同时打开点火，若其中一次点火不成功，重复吹扫完成置换，满足点火允许即可重点，焦炉煤气点火成功后，若进风量过大，可能会出现燃烧器灭火或火焰拉太长火检检测不到而判断灭火，此时应调整空燃比，重新点火。

7  结论

系统硬件安全可靠、软件灵活严谨、设备操作方便、程控投/切自如、火检准确、保护动作正确可靠，全面实现了水位、气温气压和炉膛负压高低、主燃料切断、煤气压力低等声光和语音报警及机、炉、电三系统大联锁协调运行控制功能。

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[4]姚晓宁. S7-1200PLC技术及应用[M]. 电子工业出版社，2018：162-166

[5]向晓汉. 西门子S7-1200PLC学习手册[M]. 化学工业出版社，2018：431-446

作者简介：

郭宗华          工程监理        研究方向    电气自动化

郭金恒          在读学生        研究方向    软件工程

殷志辉          车间主任        研究方向    高低压电器

于春峰          电工班长        研究方向    电气安装

吕勇            公司经理        研究方向    消防工程

作者通联

郭宗华：

单位：山钢集团莱芜三控冶金建设监理事务所