輸煤控制系統改造工程安全過渡方案的研究

陳 潮，張春海，李 瑋

(1. 國核電力規劃設計研究院，北京 100094；2. 山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

輸煤控制系統改造工程安全過渡方案的研究

陳 潮1，張春海1，李 瑋2

(1. 國核電力規劃設計研究院，北京 100094；2. 山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013)

本文依據香港青山電廠4×680MW+4×350MW機組輸煤控制系統改造工程的情況及要求，對輸煤控制由PLC程序控制取代繼電器集中控制的過渡和實施方案進行了分析論述，提出了一種安全過渡和切換方案，以利于改造過程中輸系統的安全、可靠運行。

輸煤系統；繼電器控制；PLC控制；切換方案。

1 概述

火電廠輸煤系統是電力生產過程中非常重要的外圍輔機系統，輸煤控制系統具有控制設備多、工藝流程復雜、設備分散等特點，沿線環境條件惡劣，粉塵、潮濕、振動、噪音、電磁干擾等都比較嚴重，傳統的強電集中控制方式已不能適應大型火電廠輸煤系統自動化的要求，PLC程控方式由于其自身優點，目前在國內大型火電廠輸煤系統中已逐漸取代常規的繼電器集中控制方式，成為大型火電廠輸煤控制系統的核心。

2 工程簡介

香港青山電廠裝機4×680 MW+4×350 MW燃煤機組，已運行18年，擔負著全香港近一半的電力負荷的供應，成為香港地區的主力電廠。其輸煤系統非常龐大，整個輸煤系統有41條皮帶，其中7條移動皮帶，6條帶伸縮頭的皮帶和2個煤倉間移動卸料車；5臺大型的移動式卸船機；2臺斗輪堆取料機；4臺震動篩；7臺除鐵器；6臺灑水抑塵設備；1套混灰系統；6座轉運站、兩座煤場和2個煤倉間。其改造工程包括控制系統由常規繼電器強電集中控制方式改為PLC程序控制方式，由于在改造過程中機組要正常運行，要求輸煤控制系統改造過程中要保證輸煤系統的安全、可靠運行。

國內一貫采用的集控改PLC程控改造方法是：改1條皮帶拆除1條皮帶的繼電器柜，把現場的輸入輸出信號接入新PLC系統，在此期間只能實現解除聯鎖和部分保護信號，實現現場的就地控制，需要投入大量的運行人員到現場控制，勞動強度較高，安全性降低，但確是一個簡單有效的方法。而本工程在合同中明確指出，由于青山電廠在香港地區所扮演的角色以及香港政府特別是業主在安全(包括設備和人身)可靠運行方面有著非常高的要求，必須保證在PLC改造過程中不能產生任何影響正常運行上煤的問題，同時不能在失去聯鎖和保護的條件下進行現場的控制，否則意味著改造工程無法實施。面對這兩條要求，按照國內改造的一貫做法在這里將無法實施，這就給改造措施提出了更高的要求，大大增加了工程的難度。

3 改造過程中制定的主要方案

3.1 系統配置方案的分析

根據合同的要求，本工程PLC系統采用雙CPU熱備用，雙通訊網絡冗余的配置，以確保一臺CPU出現故障，自動切換到另一臺CPU；一條網絡出現故障，同樣自動切換到另一條網絡。由于設備工作是處于熱備用，因此自動切換不會對系統的正常工作產生不良影響。兩臺CPU通過Ethernet網絡與上位機操作員站通訊，兩CPU的通訊模塊分別提供的網絡構成本系統的主干線，其它遠程站在主干線的基礎上T型連接出分支，任何一條干線或支線的故障，系統可自動的切換到與之相對應的備用網絡上，不會對系統產生影響。煤場移動堆取料設備的PLC與輸煤皮帶系統新的PLC設備之間按合同要求應采用冗余的光纖通訊方式，但由于大型移動設備是在煤場或碼頭等環境惡劣場所在不斷移動中工作的，采用光纖很難適應不斷拖動和纏繞的工作方式，由于移動設備的工作方式和控制方式決定了其操作必須在就地有專職司機來完成，沒有必要將所有的數據送入輸煤控制室，僅將必要的一些數據在兩個系統之間傳輸(如就地設備向開控制室發出的請求啟動、請求停止、運行、故障、取煤或堆煤等；控制室向就地設備發出的允許、請求堆煤或取煤、皮帶故障、皮帶運行等)即可。以上數據可以通過控制電纜將就地和控制室PLC系統的I/O模塊聯系起來，甚至還可以在兩者之間進行電話聯系，完成整個上煤或卸煤的工作。這種方式電纜的機械強度完全可以保證，節省了大量的通訊模塊和光纖電纜，用I/O模塊間的硬接線代替了通訊傳輸數據，提高了可靠性。更重要的是，系統的簡化意味著故障機會的減小，可靠性又會大大提高。

3.2 過渡方案的提出

現場原有系統設備分布情況如下：

煤設備分站繼電器控制盤(A站編組控制盤、A站斷電器控制盤、B站編組控制盤632以及B站繼電器控制盤630)位于煤控制樓的一樓(包括2號轉運站旁邊及B站取樣室的A和B站煤樣采集設備的控制盤)。

灰設備(A)分站繼電器控制盤包括了煤倉水平監測盤。

煤設備室(盤631，包括煤倉水平監測盤)位于B站汽機房二樓，與2號機相鄰。

根據本工程的實際情況對改造的過渡措施提出了兩個方案，供業主選擇確定。

方案一：對于主控制室主站 PLC，由于底層繼電器室空間緊張以及環境問題，將PLC機柜和I/O繼電器柜設置在控制室三層屋內，可將機柜臨時布置在一合適的位置。原底層從現場過來進繼電器柜的I/O信號在端子排上不動，此時增加新的端子排，將現場過來信號進入原繼電器，用該繼電器的備用輔助接點引接至新端子排，再通過電纜送至控制室三層的PLC的I/O繼電器柜。對于如有輔助接點的位置與實際信號的相反可以通過PLC軟件程序解決，這樣就實現了現場的信號經過復制分別送入原有的Mimic(模擬盤)系統和新的PLC系統，故保證了新舊兩套系統可以同時來實現對上煤的控制，在新系統調試的同時，不會影響原有系統的運行。在PLC系統調試成功后，就可以拆除原有的繼電器柜內的設備，而保留端子排，將現場信號不再進繼電器而直接轉接至新的PLC的I/O繼電器柜。控制室三層內的原有Mimic系統在PLC系統調試成功后可以完全拆除，而把新的PLC系統徹底就位。原有底層繼電器柜只保留端子轉接的功能，或更換新的端子轉接柜。端子轉接的工作可以在很短的時間內完成，避免了因為其它各種原因造成的長時間停電給生產帶來的重大損失。對于其它兩個就地繼電器控制柜的改造也可采取類似的措施，在此不再詳細描述。

方案二：將新增的PLC的I/O繼電器柜設在底層繼電器室內，將現場送來的信號從原有繼電器柜解除，先送入新的PLC的I/O繼電器柜，將繼電器輔助接點一路送至原有繼電器柜的相應位置，另一路送至PLC系統的I/O模塊。同樣實現了現場的信號經過復制分別送入原有的原有Mimic系統和新的PLC系統，故保證了新舊兩套系統可以同時來實現對上煤的控制，在新系統調試的同時，不會影響原有系統的運行。在PLC系統調試成功后，就可以徹底拆除原有的繼電器柜內的設備。對于其它兩個就地繼電器控制柜的改造也可采取類似的措施，在此不再詳細描述。

提出這兩種方案的理由是從改造的安全可靠性出發的。合同要求皮帶在滿足正常上煤的同時一路一路的改造，但輸煤控制上有其特殊的一面，那就是聯鎖控制和保護要求非常高，輸煤路徑上的任一中斷都要求上游設備做出立刻反應。所以我們認為至少應在從卸船到原煤斗的一路完整皮帶路徑接線改完才可以進行PLC系統的調試，在一條完整上煤路徑由原有Mimic系統和PLC系統分別控制其部分皮帶而實現上煤的做法是不足取的，另外，業主在皮帶檢修過程中對皮帶允許停電時間較短，不足以完成對一整條路徑的改造。因此在PLC系統尚未調試成功之前對原有Mimic系統回路的改動和拆除都是危險的。所以我們提供以上兩種方案的出發點就是在PLC系統尚未調試成功之前還可以采用原有Mimic系統安全可靠的上煤，大大降低了風險。

對于以上兩個方案，我們建議采取第一種方案。理由是：第一，現場原有繼電器室空間非常緊張，新的機柜布置上不能滿足要求，而且室內同時放置動力盤，不如控制室環境優越。第二，也就是最重要的是此方案受PLC系統調試的影響較小，不會因PLC系統出現故障如無法送電而造成原有Mimic系統無法正常工作。而第二種方案就不能避免此類情況的發生，增加了調試的風險。第三，第一種方案可以避免對原有已存在的電纜進行位置移動，因而減少了因改變電纜位置和重新接線而造成電纜的損壞或接錯位置，大大增加了改造的安全可靠性。

綜上所述，我們初步提出了本次過渡改造主要原則，那就是安全可靠。這一原則得到了業主的認可。

圖1 輸煤PLC控制系統圖

3.3 切換方案的確定

原有Mimic系統改PLC控制系統的方案是建立在原有Mimic控制系統的控制理念基礎上進行的。過渡措施和切換方案的制定充分考慮到整個輸煤控制的安全可靠性，避免在切換過程中因為PLC控制的問題影響到上煤的安全可靠性。整體來說，新原有系統之間是一個并聯關系，在切換工程中，新系統的任何問題都不會影響到原有系統的正常運行，可以在很短的時間內切回原有Mimic系統進行控制，不會耽誤上煤的要求。

首先，通過對原有系統的分析，我們得到原有輸煤設備的控制理念：

現場設備的啟停、急停、拉繩、堵煤、速度、料流、機械限位等全部送入繼電器柜，繼電器柜上設工作、試驗切換開關，用來選擇現場手動聯鎖自動的工作方式。所有現場輸入到繼電器柜的信號經過邏輯和一系列的流程選擇，最終將啟停設備指令發送到動力開關柜上來控制現場的皮帶及附屬設備。

3.3kV皮帶設備的控制，從繼電器柜輸出合閘和跳閘兩個信號，分別對應開關柜上開關的合閘和跳閘。正常時兩個信號均為常開接點。而415V設備的控制，從繼電器柜輸出合閘一個信號，信號的輸出有無分別對應開關柜上開關的合閘和跳閘。

在充分考慮到方便運行人員對新PLC系統的掌握和操作基礎上，我們在新PLC系統控制上尊重原有控制理念，并結合合同的要求，盡量體現原有的習慣性操作和邏輯思路，來完成新PLC系統的設計。

新PLC系統外部控制回路的特點：

將原有Mimic系統的所有與現場有關的控制和狀態信號在繼電器端子排上進行并聯，送至新PLC控制系統的控制柜端子排，實現新老兩個系統在對輸煤設備的控制上的完全并聯，即原有Mimic系統和PLC系統在不進行大的調整都可以對輸煤設備進行控制。為實現方便快捷的進行切換創造條件。

所有PLC系統的輸入和輸出點全部新設繼電器隔離，其意義所在為：首先防止長距離電纜的感應電壓對PLC模塊的不利影響，其次防止在新原有系統切換過程中進行相互影響，特別是由于現場的接線錯誤將原有系統的電源直接接到PLC系統的模塊上，同時防止模塊直接驅動現場的開關設備，從而保證了切換過程中模塊回路不會接觸到PLC電源以外的其它電源，保護了PLC模塊本身。而且，在今后PLC系統的獨立控制時，也將現場設備和PLC模塊隔離開來，提高了模塊運行的安全可靠性。

現場的啟停、急停、拉繩、堵煤、速度、料流、機械限位等全部送入繼電器柜作為輸入隔離繼電器的輸入信號，由繼電器的輔助接點送入PLC模塊。對于合同中要求的拉繩、急停、堵煤信號，在經過繼電器隔離后送入PLC模塊執行邏輯跳閘外，將繼電器另一輔助接點直接送入設備開關柜上的與跳閘相關回路，直接動作設備的跳閘，從而實現了這三個保護信號不經過PLC邏輯也可以直接動作于設備跳閘，滿足了合同所要求的在緊急情況下不通過PLC程控上煤而保留必要的保護信號的要求。

由于考慮到在PLC系統新上過程中，不能停止輸煤系統的運行，故考慮了新老兩個系統的過渡和切換措施。前面已經提到，所有現場的輸入信號以及整個輸煤系統的流程及邏輯都是在繼電器柜上實現的，最終從繼電器柜輸出信號去控制輸煤設備所在的開關柜上的開關。

根據以上特點，我們在新PLC 系統的設計上實現了與原有系統的最大統一，主要體現在：所有在原有系統繼電器柜內實現的邏輯完全由PLC來實現，而且邏輯上盡量參照原有系統的邏輯方法，并在此基礎上，利用PLC強大的邏輯功能進行加強功能和優化。特別是對原有的現場提供的信號進繼電器柜的來進行邏輯的同樣送入PLC系統，真正實現PLC系統代替原有繼電器柜，做到新PLC系統的控制理念與原有系統的控制理念的最大統一。

3.4 PLC系統緊急情況下的應急上煤方案

出于安全需要，在PLC系統完全故障情況下，為了保證繼續上煤的需要，還要保留必要的緊急情況下的手動上煤措施。雖然在關于PLC系統的風險評估報告中已經對PLC系統可能出現的所有故障情況和應采取的措施做過詳細分析，而且所有風險都在控制之中，不會對上煤工作帶來較大風險，但還是根據合同的要求提出在整個PLC系統退出運行情況下進行手動上煤的方案。

通過對PLC系統的風險評估的分析和前面提供的切換方案研究，最合理的方案就是保留原有繼電器邏輯的手動上煤措施，即保留原有繼電器屏以及就地控制的手段。

在已經提交并得到批準的原有Mimic系統和PLC系統的切換方案中，采取原有Mimic系統和新PLC系統并聯的措施，即通過設置隔離端子使現場信號和去開關柜控制設備起停的信號分別送入原有Mimic系統和PLC系統，而且互不干擾，實現了兩個系統可以獨立控制上煤的手段。這一點對過渡措施來說是非常重要的，也是本工程得以實施的最重要的安全保障。同時也提供了一個啟示，那就是切換方案在切換過程中提供安全保障的重要措施同樣可以提供以后PLC系統獨立運行的安全保障。因此，在這種改造工程相對復雜的情況下，保留部分原有控制手段就變得非常重要了。

原有Mimic系統包括遠方集中控制手段和就地手動控制手段，遠方集中控制手段和就地手動控制手段現在都已經由PLC控制系統所代替，但由于原有集中控制臺在切換過程結束后將被拆除，故將來無法實現用繼電器邏輯的集中控制，但用繼電器邏輯的就地手動控制手段卻可以得到保留。

在PLC系統退出運行的情況下需要上煤時，只須按提交的過渡措施切換方案要求的步驟切換到原有Mimic繼電器邏輯控制方式下，將盤上的轉換開關切換到就地控制就可以實現就地手動控制了，而且要求的保護信號對控制仍然起作用，從而既滿足了合同的要求，又保證了上煤的安全可靠性。

3.5 原有MIMIC盤過渡方案的分析

所有的輸入輸出信號采用繼電器隔離，采用各自獨立的控制電源。新的PLC系統的控制電源采用雙電源供電，在系統斷電的情況下通過UPS中的蓄電池逆變提供1小時的交流電源，在UPS故障時，可以通過旁路繞過UPS直接給PLC系統供電。這種供電方式既提高了供電可靠性，又可以避免供電系統的電壓不正常波動對PLC系統的影響。

I/O信號回路方面，在原有繼電器柜和新的PLC控制柜上部分采用帶隔離的端子(通過打開和閉合隔離部分可以控制信號的輸入輸出路徑)，盡量避免了相互影響問題。具體來說，用隔離端子替換原有繼電器柜的輸入輸出端子，使用原有系統進行控制時，停掉PLC系統的控制電源，并打開新PLC控制柜端子排上的部分隔離端子，閉合原有繼電器柜上的端子，使現場來的設備的狀態和控制信號只進入原有Mimic系統，而且由于PLC上的I/O繼電器柜的所有與公共端有關的端子為隔離端子，打開后可以確保原有系統的電源和狀態、控制信號不會進到PLC系統中來，同時也避免了新PLC系統的公共端問題對原有繼電器控制系統的影響。

在使用新PLC系統時，可以停掉原有控制系統的控制電源，閉合新PLC系統的隔離端子，打開原有繼電器柜的隔離端子，這樣現場來的狀態和控制信號只進入到了新PLC系統，新PLC系統和原有Mimic系統完全隔離，從而使新PLC系統在獨立運行時不受原有繼電器系統的影響。所以，當我們控制了兩個系統的控制電源，通過在新舊控制系統上設置的隔離端子分別投切，就可以非常安全可靠地進行兩個系統的切換，從而避免了兩個系統間的相互影響。

考慮到繼電器房間已沒有足夠位置合理放置PLC柜，而且在原有繼電器柜在新PLC系統正式投入運行前還不能拆除，我們計劃在原有繼電器柜附近合理的房間或位置放置新PLC柜。在原有繼電器柜的端子排上我們將采用新的隔離端子來更換原有從現場來的輸入和輸出信號端子，并通過并聯方式將信號轉送至新PLC系統，這樣就實現了現場的輸入輸出信號同時進到原有繼電器盤和新的PLC繼電器盤。其優點是：

⑴在新PLC系統的安裝調試過程中，沒有對原有控制系統做任何改動，確保了原有上煤控制系統的安全可靠性。

⑵現場接線由于是簡單的端子替換，具有很大的靈活性，可以在任何給定的時間窗口進行工作，一旦需要上煤，可以非常迅速的交給業主，保證了可以在規定的時間窗口或緊急情況下完成工作。

⑶在PLC系統調試結束后，可以非常迅速的拆掉原有進原有系統的接線，只保留進PLC系統接線，不會因為最終過渡切換到新PLC系統控制上需要更改大量接線而造成沒有足夠的時間窗口，造成兩套系統在控制上都受到影響，對上煤工作產生不利影響。

基于這種方案的簡單性以及最重要的可靠性和靈活性，確保了改造過程中不會因為控制方面的原因而耽誤上煤工作。

需要進一步說明的是，這種方案的可靠性是建立在對原有控制系統的充分理解和采取的特別措施的前提下的。如前所述原有控制回路的工作原理，采取在端子排進行輸入輸出信號的并列完全能夠滿足原有的控制要求，能夠實現兩套控制系統都能獨立對整個上煤過程的控制。另外所最關心的問題就是兩套系統之間會不會發生沖突或互相影響，由于已將所有PLC系統的輸入和輸出點全部新設繼電器隔離(一般情況下只對輸出量進行隔離)，其目的就是防止原有的繼電器邏輯系統的信號對PLC系統影響，使其電源信號直接串入PLC模塊造成危害，同時在新舊系統端子排部分設帶隔離的端子。因此，只要切斷PLC系統包括隔離繼電器柜的控制電源，這樣隔離繼電器不會動作，同時打開需要隔離設備的隔離端子，從而也就完全隔離了原有控制系統在工作時的各種信號，保護了PLC系統的安全。同理也可以適用于PLC系統在工作時不會對原有控制系統產生影響。而控制電源的投切時間非常短暫，所以這種靠控制了兩個系統的控制電源的方法在實現上非常簡單可靠，能夠保證在調試過程中迅速的實現兩種控制系統間的切換，提高了運行可靠性。因此上述擔心是不存在的。當然，在實際工作中，還應充分考慮到一切可能出現的問題，以確保切換過程的可靠性。

如果在切換過程中進行調試，出現故障或其它問題時，PLC系統可以很方便的顯示出來或通過預先設定的程序進行報警，這對功能強大的PLC控制系統來說是非常容易實現的。

4 結論

香港青山電廠輸煤系統改造工程是按照國際標準進行設計的。在項目的研究和開發過程中，我們搜集了大量可編程控制器的技術信息，深入研究了合同和大量的外文圖紙資料，并與電廠運行及管理人員進行了充分的溝通，制定了全面切實的改造方案和實施措施，遵循國際標準繪制施工圖紙。現場的實際改造過程中充分貫徹了安全可靠的原則，各項方案和措施的實施取得了預期的效果，改造過程順利，結果圓滿，得到了業主的充分認可。

隨著自動化水平的日益提高，國內較多的老電廠為了提高原有輸煤控制系統的可靠性和降低運行人員的勞動強度，提出了對原有輸煤強電集中控制進行改造成為程控控制方式的要求。通過香港青山電廠輸煤系統改造工程的設計工作，我們積累了輸煤PLC程控替代輸煤繼電器集控技術的大量寶貴經驗，為今后承擔電廠輸煤控制系統改造工程創造了良好的條件。

[1]DL/T 5187.1-2004，火力發電廠運煤設計技術規程[S]．

[2]DL/T 5136-2001，火力發電廠、變電所二次接線設計技術規程[S]．

[3]西北電力設計院．電力工程電氣設計手冊(第二冊)[K]．北京：中國水利電力出版社，1990．

Research on Safety Transition Scheme of Reconstruct
Engineering in Control System of Transport Coal

CHEN Chao1, ZHANG Chun-hai1, LI Wei2
(1. State Nuclear Electric Power Planning & Research Design Institute, Beijing 100094, China;
2. Shandong Electric Power Engineering Consultation Institute ltd. Company, Ji'nan 250013, China)

Text rely on instance & request of reconstruct engineering in control system of transport coal of 4×680mw+4×350mw unit in hongkong qing shan power plant. Discuss on transition scheme replace relay convergence control by PLC for control system of transport coal, bring forward a kind of scheme of safety transition &switch scheme.Bring advantage to safety and credibility run of transport coal system during reconstruct process.

PLC; transport coal system; relay control; switch scheme.

TM621

B

1671-9913(2011)01-0045-06

2010-11-30

陳潮(1972-)，男，高級工程師，主要從事火力發電廠和核電廠常規島電氣專業設計工