基于NT6000 的保護控制系統設計

袁吉勝，王娜娜，段緒偉

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著我國工業化的快速發展，許多大型輔機設備已經采用由工業汽輪機帶動，例如水泵、壓縮機等大型輔機設備[1]。這些大型設備功率要求高，直接由電機帶動已難以滿足要求，由工業汽輪機驅動可滿足輔機設備功率高、轉速調節靈活、連續穩定運行的要求[2]。然而，工業汽輪機相比于常規發電機組，體積小，通常是在高轉速下變轉速運行，啟動和轉速調節要求快速靈活，這對于運行安全有了更嚴格的考驗，任意一保護參數引起的跳機信號都對機組安全運行產生嚴重威脅，同時，還要滿足保護控制系統的穩定性。因此，設計安全可靠的保護控制系統方案是機組安全運行的重要保證。

本文以輔機汽輪機保護控制為研究目標，通過NT6000國產化分散控制軟件，在下位機進行保護控制組態設計，在上位機可視化監測，實現對汽輪機運行全程進行監控、報警以及輸出危機遮斷保護信號。通過I/O模塊對現場傳感器進行數據采集，在下位機組態中進行邏輯運算，所有數據可保存，滿足隨時調取曲線分析需求，最終設計出一個具備輔機安全監控與危機遮斷輸出功能的保護控制系統。該系統能便于運行人員直觀的了解輔機的運行狀態，尤其在發生危險時能夠快速響應，自動輸出保護信號，有效的實現了自動保護控制[3]。

1 保護控制系統的組成

本文基于組態軟件NT6000的保護控制系統方案，運行于麒麟系統平臺，硬件DCS采用SC8000系統，控制器與系統平臺通過以太網進行連接。I/O模塊與控制器以Ebus協議進行通信，實時采集現場傳感器信號，在NT6000軟件中進行下位機保護組態設計、上位機畫面管理?？刂破骺膳渲脝螜C或冗余模式，數據采集模塊可根據功能進行靈活選用與配置。該方案可實時監控各保護信號點數據及狀態，通過設置報警區可進行故障報警，支持日志查詢等功能。NT6000控制軟件主界面見圖1[4]。

圖1 NT6000 控制軟件主界面

當有報警信號時，通過指示燈和蜂鳴器進行預警。各項保護投切可選擇，當有滿足停機的信號發生時，經過中間邏輯快速運算，發出快關信號給現場遮斷保護裝置，同時也進行報警提示，畫面首出顯示停機原因。此外，支持歷史數據曲線查詢、日志查詢，可為后續分析提供數據支撐。保護控制系統架構見圖2[5]。

圖2 保護控制系統架構圖

2 保護控制系統設計

2.1 通信配置

點擊麒麟加固機控制面板進入“網絡連接”，與控制器進行以太網配置。點擊“網絡設置”對網絡1進行IPv4設置，地址為192.168.2.22，子網掩碼為255.255.255.0，見圖3。在點擊右下角“路由”，對IPv4路由設置，見圖4。設置完成后該網口與控制器2網段連接，1網段設置同理，地址為192.168.1.22。

圖3 網絡連接屬性編輯圖

圖4 IPv4 路由設置

2.2 下位機組態設計

點擊NT6000軟件中CCM Studio進入邏輯組態主界面，該界面由工程視圖、工具箱、消息窗口和屬性窗口組成。在HW頁面可根據需要配置不同的I/O模塊，每列分支最多可容納八塊卡件，每個模塊根據通道數可配置測點，設置相應的量程、報警值、報警區等，見圖5。在logic界面可選用工具箱中的功能模塊，搭建保護控制邏輯，進行組態設計，各邏輯頁面之間數據通過中間模塊進行連接，見圖6。

圖5 HW 頁I/O 模塊配置

圖6 邏輯組態設計頁面

在CCM中，功能模塊種類完善，有I/O模塊、邏輯時序模塊和數學運算模塊等，可根據需要的保護控制功能選擇相應的模塊進行組態設計。例如超速保護功能，當汽輪機轉速超過停機轉速時，超速保護系統發出停機指令，關閉主汽門和調門，使機組停機，避免發生飛車事故。

超速保護控制邏輯可設計見圖7，當機組實際轉速值大于或等于轉速保護設定值時，且轉速保護投切已投入時，觸發超速停機信號，第一路去往遮斷裝置，控制主汽門和調門快關，切斷主蒸汽；第二路去首出，可用于在操作界面上顯示停機原因；第三路去指示燈和蜂鳴器報警。保護動作發生后，當轉速恢復在設定值之下或超速保護投切已切除時，需要通過復位按鈕對超速停機信號進行復位，否則會一直保持超速保護動作狀態。除此之外，可對各類重要溫度測點進行保護控制，例如溫度高、速率大等，還可直接連入外部輸入的開關量保護信號點進行組態設計?？傊?，可利用CCM可搭建一套功能完善、覆蓋全面的保護控制邏輯。

圖7 超速停機邏輯

2.3 危機遮斷系統

危機遮斷是保護控制系統的執行部分，當有停機信號產生時，危機遮斷系統動作，快關主汽門和調門，保護機組安全。圖8為危機遮斷系統原理圖，包括兩部分組成。第一路保護為邏輯回路控制，ETS動作信號由下位機各模擬量和開關量信號保護控制邏輯組態運算發出，經過DO模塊輸出，控制繼電器吸合，從而使電磁閥得電（DC 24 V），高壓油管路卸油，主汽門和調門快關。第二路保護為就地手動機械停機保護，不經過控制器運算，當需要緊急停機時，可手動打開球閥開關卸掉高壓油，從而快關主汽門和調門。本文危機遮斷系統采用了機械保護與邏輯保護相結合，使得機組安全得到了更全面的保證。

圖8 危機遮斷系統原理圖

圖9為危機遮斷系統油路控制圖。

圖9 危機遮斷系統油路控制圖

當電磁閥得電時，油動機下腔高壓油與上腔低壓油連通，此時上腔變為高壓油，油動機帶動主汽門和調門快關。同理，手動機械停機時，球閥打開，油動機上腔變為高壓油，油動機快關，實現遮斷保護。此外，在油動機上腔與下腔油路上均布置有單向閥Mca和Mcb，可用于連接測壓裝置，便于實時監控油壓，在油系統出現異常時也可用于故障分析。

2.4 上位機可視化管理

在NT6000軟件GraphView中，可對保護控制進行人機界面的可視化設計和管理。對保護測點數據進行實時監測，可設置高、低限報警量程，當測點數據超過量程時數據顏色變化提示異常點；開關量通道有信號輸入時對應顏色變化顯示。此外，保護信號的報警和停機值支持畫面上在線設置，各個保護信號可選擇性投切，在機組啟動前和運行過程中，可靈活設置保護功能，控制界面分別見圖10和圖11。

圖10 報警停機值設置界面

圖11 保護選擇投切界面

另外，監視界面中提供報警和停機原因顯示功能，當有報警信號發出時，能快速查看來源，進行預警。保護動作停機時，能夠迅速查看跳機原因，采取處理措施。最后，上位機支持在線調取所有模擬量、開關量信號點的實時或歷史數據，以及操作日志，便于數據分析，為保護控制提供數據支撐，見圖12。

圖12 歷史曲線、日志查詢界面

3 結論

隨著工業汽輪機在大型輔機設備上的廣泛應用，其啟、停以及運行的的各項要求也不斷的提高，確保設備安全運行是重中之重。本文基于NT6000的保護控制系統，集成了邏輯組態設計、可視化管理、歷史數據存儲等為一體，具備輔機安全運行監控與危機遮斷輸出功能，能夠對汽輪機運行全程進行監控、報警以及輸出危機遮斷保護信號；便于運行人員監視，尤其在發生危險時能夠快速響應，自動輸出保護信號，有效的實現了自動保護控制。