輸煤控制系統容錯性設計簡析

尹強，鄧有緯，劉延軍

(1.南京南自科林系統工程有限公司，南京 210032； 2.南京國能環保工程有限公司，南京 211102)

0 引言

隨著火力發電廠機組容量的增大，輸煤控制系統的自動化水平和運行參數也在不斷提高，若設計者將注意力集中在如何實現工藝系統的要求上，而對提高控制系統的可靠性考慮較少，勢必導致系統在調試或運行過程中由于某些設備故障或信號誤報而引起設備損壞或系統停機。因此，對輸煤控制系統的某些故障或信號誤報及時、準確地采取措施加以保護，可以避免發生重大的設備損壞或系統停機。

本文通過對控制系統中的邏輯設計及電氣控制回路的簡單修改來提高控制系統的容錯性。

1 輸煤控制系統的運行環境

輸煤控制系統的任務主要是控制卸煤、儲煤、上煤和配煤。要保證輸煤控制系統安全、可靠運行，可靠的監控設備與正確的控制邏輯是先決條件。目前，國內輸煤控制系統的運行環境具備以下特點。

(1)輸煤系統設備多，保護繁雜且大部分為開關量，其中開關量的監控占輸煤控制系統監控量的90%以上。

(2)電廠建設之初往往從建設成本上考慮，各種保護開關基本上采用單點測量保護。

(3)受輸煤系統工藝要求影響，輸煤控制系統聯鎖復雜，運行中發生的設備故障往往需要聯跳故障點至煤源方向的所有設備，跳停設備多，影響面大。

(4)輸煤系統運行環境惡劣，粉塵大、振動和沖擊強、電磁干擾嚴重、感性負載多、線間干擾嚴重，往往會導致保護開關誤動或信號誤報。

(5)輸煤控制系統設計的科學性與可靠性、控制邏輯條件的合理性和系統的完善性、保護信號的取信方式和配置、保護信號定值和延時設置等都存在不盡人意之處。

(6)輸煤系統運行時間長，為保證鍋爐用煤，輸煤系統日累計運行時間長達12 h以上。

輸煤系統的上述運行特點，造成其經常由于開關的誤動或信號誤報導致設備損壞或意外停機，嚴重影響輸煤系統的運行效率。若在設計輸煤控制系統時就考慮到設備的誤動或信號誤報，就可大大減少輸煤系統設備損壞或故障停機，從而提高輸煤系統的運行效率。這就要求設計的輸煤控制系統對外界擾動不敏感，在發生故障時仍能正常運行并完成某些功能，即具有適當的容錯性。

2 輸煤控制系統的容錯設計方法

容錯控制系統就是通過故障診斷(故障檢測、故障隔離、故障識別)，讓控制系統在某些部件或設備故障情況下，能按原定性能指標或性能指標略有降低(但可接受)的情況下安全地完成控制任務。容錯控制系統主要應解決故障診斷和容錯控制兩個問題，容錯控制系統一般結構如圖1所示。

圖1 容錯控制系統結構

輸煤控制系統的容錯性設計，就是盡可能多地考慮輸煤系統在運行時較易出現的各種故障，通過有效利用技術和特定的容錯控制技術，來降低或避免整個輸煤控制系統失效，并努力提高輸煤控制系統的可靠性、魯棒性。然而，目前的容錯控制技術在電廠自動控制系統的應用，大多針對模擬量控制系統。輸煤控制系統以開關量為主，本文將特定的容錯控制技術、控制系統資源的有效利用技術應用于輸煤控制系統的設計，更廣泛地探討提高輸煤控制系統可靠性、魯棒性的方法和途徑。

2.1 開關量輸入信號軟件濾波

輸煤系統中存在大量的機械設備，這些機械設備在運轉過程中產生的強烈振動與沖擊會使處于工作狀態的傳感器觸點誤動作或抖動；另外，輸煤系統中大功率設備眾多，反饋信號線敷設比較長，加之敷設不規范可能導致感應電壓引起傳感器觸點誤動作或抖動，這些都可能導致開關量誤輸入或輸入不穩定，從而導致控制系統信息采集錯誤。錯誤的信息采集可能導致輸煤控制系統控制功能紊亂，使控制對象誤操作，甚至導致整個輸煤系統停機。為了避免和盡量降低輸煤系統惡劣工作環境對輸煤控制系統開關量輸入可靠性的影響，應采用軟件濾波的方法來提高開關量輸入的可靠性。

保護開關或傳感器觸點誤動作或抖動時，輸入開關量信號是一個短暫存在的脈沖信號，因此，控制系統采樣時避開短暫的和不穩定的脈沖輸入，即可避免控制系統采集到錯誤的信息，從而保證控制系統開關量信息采集的可靠性。例如，拉繩保護信號采用開關量輸入信號軟件濾波方法提高其輸入的可靠性，皮帶拉繩故障邏輯如圖2所示。

圖2 皮帶拉繩故障邏輯

2.2 時間故障檢測法

輸煤系統中一些設備運行具有嚴格的時間規律，如帶位置檢測的雙向運轉電機，可雙向運轉，運轉到位后停止。位置開關準確是該類設備可靠運行的保證，而在實際運行過程中位置開關往往由于安裝不穩固，或是受到強烈沖擊偏離安裝位置，或是煤灰覆蓋等原因造成無法檢測到位置信號，致使電機在運行過程中因無法檢測到位置信號而一直運行，最終導致電機因過載運行損壞。

該類設備的運行特點是：運行時間短，運行到位后一段時間內不需再運行改變其位置狀態。對于該類設備，遠程控制運行應改為程控系統保持，保持至檢測到位置開關或固定時間，一般固定時間為該設備從一側運行到另一側所需時間的1.25倍左右。超過其設定的運行時間后可發出故障信號，并切斷電機的主電源避免電機過載運行而造成設備損壞。

犁煤器控制原理如圖3所示。犁煤器正常抬落犁運行過程中，抬犁到位時由抬犁到位信號切斷推桿電機的主回路電源，落犁到位時由落犁到位信號切斷推桿電機的主回路電源。但是當抬、落犁到位開關由于振動偏離了原來的位置時，推桿電機就可能因無法檢測到到位信號而一直運行，最終必然使電機因過載而損壞。若在電氣控制中去掉程控抬、落犁指令上并聯的KM1，KM2自保持節點，在程控操作時改由程控系統保持其運行，則可在控制邏輯中加入時間保護，能有效避免電機由于無法檢測到位置開關而過載運行。將犁煤器正反轉運行的自保持去掉后，其程控邏輯如圖4所示。

圖3 犁煤器控制原理

圖4 犁煤器控制邏輯

2.3 單點測量信號引入相關性測量保護

在輸煤系統中，出于建設成本的考慮，大部分保護開關采用了單點測量保護，如輸煤系統中皮帶的打滑保護。在實際運行中，打滑保護開關由于受到煤灰的覆蓋或振動沖擊，造成打滑檢測開關靈敏性下降，這樣就會導致打滑信號的誤報(即使通過開關量的軟件濾波也不能判斷信號的準確性)，從而導致輸煤系統停機。若在打滑檢測中引入皮帶電機電流的檢測，即打滑保護動作時同時檢測皮帶電機電流，判斷其是否有下降跳變，若是，則可認為打滑保護確實動作；若否，則報警，由運行維護人員檢查打滑保護裝置狀態。這樣就可大大降低由于打滑裝置誤報而導致的輸煤系統停機。皮帶打滑故障邏輯如圖5所示。

圖5 皮帶打滑故障邏輯

2.4 壞信號剔除故障診斷

正常情況下，被控過程的輸入、輸出在正常范圍內變化，當超出范圍時可認為故障已發生或將要發生。另外，還可通過測量輸入、輸出的變化率是否滿足要求來判別故障是否已發生。

在輸煤控制系統保護邏輯中，常采用軸承和電機線圈的溫度測量信號，當測量信號超過定值時觸發保護動作，但由于溫度測量回路中的熱電阻很容易發生接觸不良或斷線故障而使保護誤動。這時，可引入壞信號剔除邏輯，利用特定的容錯控制技術進行容錯邏輯設計。例如，在測量回路正常的情況下，當軸承溫度高于70 ℃時將觸發保護動作。當熱電阻測量回路出現接觸不良或斷線故障時，溫度信號的變化速率將超過5 ℃/s，此時寄存器置1，軸承溫度保護自動退出。當故障消除后，可通過自動或手動方式復位，使保護重新投入。超溫保護控制邏輯如圖6所示。

圖6 超溫保護控制邏輯

壞信號剔除故障診斷方式，同樣可用于其他溫度保護的設備，如碎煤機軸承溫度、油溫等。當對一些不可靠的單點信號保護進行邏輯優化時，新加入的任何條件(與原信號相與)都將改變原來的保護機制，由于缺乏足夠的相關性論證，設備制造廠也不予支持。如果采用信號故障診斷、剔除壞信號的邏輯優化方式，原來的保護機制未改變，也就不會增加保護系統拒動的風險。

2.5 誤報信號人工鑒別診斷

還有一些單點測量保護信號是非常重要的保護信號，但沒有相關的測量信號可引入，如皮帶的縱向撕裂保護、皮帶重跑偏保護等。對該類保護開關信號，可采用誤報信號人工鑒別診斷方式來提高控制系統的容錯性。所謂誤報信號人工鑒別診斷，即保護開關可在程控系統中由人工操作投入保護或解除保護：在保護開關穩定、可靠時，由運行人員在程控系統操作投入保護；在保護開關可靠性降低后，由運行人員解除該保護開關在程控系統的保護。皮帶縱向撕裂保護裝置的誤報信號人工鑒別診斷如圖7、圖8所示。

圖7 皮帶縱向撕裂故障邏輯

圖8 皮帶操作畫面

2.6 剔除冗余邏輯

輸煤控制系統的邏輯由于不斷補充和修改，可能會變得過于復雜。邏輯控制的設計應遵循簡單、可靠的原則，多一個不必要的元件或環節，就增加了一個故障的可能。剔除冗余邏輯就是刪除不必要的元件或環節，剔除冗余邏輯時應將輸煤程控系統的邏輯和電氣控制系統的邏輯相結合，以厘清整個控制系統中的冗余邏輯。如皮帶電動機的保護動作、控制回路斷線、6 kV開關接地動作等保護信號，由于在電氣控制回路中就已實現其保護，所以應從程控系統中刪除其跳閘邏輯，改為報警信號。

如圖9所示，控制回路斷線CZJ繼電器為檢測控制電源(A,N)之間是否有220 V電源，若控制回路斷線動作，即(A,N)電源消失，此時程控系統發跳閘指令，皮帶電動機由于沒有控制電源，跳閘也會失敗；反之，若控制回路斷線誤動或誤報，即(A,N)電源未消失，此時發跳閘指令，則會導致輸煤系統停機。

圖9 皮帶電動機控制回路原理

2.7 有效利用控制系統資源

在不增加設備的情況下，通過對控制系統、電氣回路等資源進行適當地優化，使控制系統可靠性得到提高。根據“不可靠的測量信號不用作重要保護，盡量避免單點信號用于保護。當不得不采用單點信號作保護時，應引入故障鑒別信號”的原則，輸煤控制系統中的縱向撕裂、重跑偏及打滑信號，都為單點測量而又不得不用作保護的信號。因此，這些信號用作保護時，應引入故障鑒別。鑒別可采用前面介紹過的方法，但在使用這些方法前，應從電氣保護回路中解除這些信號的跳閘保護。

3 結束語

火力發電廠輸煤控制系統的容錯性設計是非常復雜而繁瑣的，但是具有容錯性的輸煤控制系統對提高輸煤系統的運行效率有著巨大的作用。本文提出的容錯性設計方法經實踐證明對提高輸煤控制系統的可靠性、魯棒性有一定的作用，希望能為輸煤控制系統的容錯性設計提供新的思路。

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