输煤控制系统改造工程安全过渡方案的研究

陈 潮，张春海，李 玮

(1. 国核电力规划设计研究院，北京 100094；2. 山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013)

输煤控制系统改造工程安全过渡方案的研究

陈 潮1，张春海1，李 玮2

(1. 国核电力规划设计研究院，北京 100094；2. 山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013)

本文依据香港青山电厂4×680MW+4×350MW机组输煤控制系统改造工程的情况及要求，对输煤控制由PLC程序控制取代继电器集中控制的过渡和实施方案进行了分析论述，提出了一种安全过渡和切换方案，以利于改造过程中输系统的安全、可靠运行。

输煤系统；继电器控制；PLC控制；切换方案。

1 概述

火电厂输煤系统是电力生产过程中非常重要的外围辅机系统，输煤控制系统具有控制设备多、工艺流程复杂、设备分散等特点，沿线环境条件恶劣，粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等都比较严重，传统的强电集中控制方式已不能适应大型火电厂输煤系统自动化的要求，PLC程控方式由于其自身优点，目前在国内大型火电厂输煤系统中已逐渐取代常规的继电器集中控制方式，成为大型火电厂输煤控制系统的核心。

2 工程简介

香港青山电厂装机4×680 MW+4×350 MW燃煤机组，已运行18年，担负着全香港近一半的电力负荷的供应，成为香港地区的主力电厂。其输煤系统非常庞大，整个输煤系统有41条皮带，其中7条移动皮带，6条带伸缩头的皮带和2个煤仓间移动卸料车；5台大型的移动式卸船机；2台斗轮堆取料机；4台震动筛；7台除铁器；6台洒水抑尘设备；1套混灰系统；6座转运站、两座煤场和2个煤仓间。其改造工程包括控制系统由常规继电器强电集中控制方式改为PLC程序控制方式，由于在改造过程中机组要正常运行，要求输煤控制系统改造过程中要保证输煤系统的安全、可靠运行。

国内一贯采用的集控改PLC程控改造方法是：改1条皮带拆除1条皮带的继电器柜，把现场的输入输出信号接入新PLC系统，在此期间只能实现解除联锁和部分保护信号，实现现场的就地控制，需要投入大量的运行人员到现场控制，劳动强度较高，安全性降低，但确是一个简单有效的方法。而本工程在合同中明确指出，由于青山电厂在香港地区所扮演的角色以及香港政府特别是业主在安全(包括设备和人身)可靠运行方面有着非常高的要求，必须保证在PLC改造过程中不能产生任何影响正常运行上煤的问题，同时不能在失去联锁和保护的条件下进行现场的控制，否则意味着改造工程无法实施。面对这两条要求，按照国内改造的一贯做法在这里将无法实施，这就给改造措施提出了更高的要求，大大增加了工程的难度。

3 改造过程中制定的主要方案

3.1 系统配置方案的分析

根据合同的要求，本工程PLC系统采用双CPU热备用，双通讯网络冗余的配置，以确保一台CPU出现故障，自动切换到另一台CPU；一条网络出现故障，同样自动切换到另一条网络。由于设备工作是处于热备用，因此自动切换不会对系统的正常工作产生不良影响。两台CPU通过Ethernet网络与上位机操作员站通讯，两CPU的通讯模块分别提供的网络构成本系统的主干线，其它远程站在主干线的基础上T型连接出分支，任何一条干线或支线的故障，系统可自动的切换到与之相对应的备用网络上，不会对系统产生影响。煤场移动堆取料设备的PLC与输煤皮带系统新的PLC设备之间按合同要求应采用冗余的光纤通讯方式，但由于大型移动设备是在煤场或码头等环境恶劣场所在不断移动中工作的，采用光纤很难适应不断拖动和缠绕的工作方式，由于移动设备的工作方式和控制方式决定了其操作必须在就地有专职司机来完成，没有必要将所有的数据送入输煤控制室，仅将必要的一些数据在两个系统之间传输(如就地设备向开控制室发出的请求启动、请求停止、运行、故障、取煤或堆煤等；控制室向就地设备发出的允许、请求堆煤或取煤、皮带故障、皮带运行等)即可。以上数据可以通过控制电缆将就地和控制室PLC系统的I/O模块联系起来，甚至还可以在两者之间进行电话联系，完成整个上煤或卸煤的工作。这种方式电缆的机械强度完全可以保证，节省了大量的通讯模块和光纤电缆，用I/O模块间的硬接线代替了通讯传输数据，提高了可靠性。更重要的是，系统的简化意味着故障机会的减小，可靠性又会大大提高。

3.2 过渡方案的提出

现场原有系统设备分布情况如下：

煤设备分站继电器控制盘(A站编组控制盘、A站断电器控制盘、B站编组控制盘632以及B站继电器控制盘630)位于煤控制楼的一楼(包括2号转运站旁边及B站取样室的A和B站煤样采集设备的控制盘)。

灰设备(A)分站继电器控制盘包括了煤仓水平监测盘。

煤设备室(盘631，包括煤仓水平监测盘)位于B站汽机房二楼，与2号机相邻。

根据本工程的实际情况对改造的过渡措施提出了两个方案，供业主选择确定。

方案一：对于主控制室主站 PLC，由于底层继电器室空间紧张以及环境问题，将PLC机柜和I/O继电器柜设置在控制室三层屋内，可将机柜临时布置在一合适的位置。原底层从现场过来进继电器柜的I/O信号在端子排上不动，此时增加新的端子排，将现场过来信号进入原继电器，用该继电器的备用辅助接点引接至新端子排，再通过电缆送至控制室三层的PLC的I/O继电器柜。对于如有辅助接点的位置与实际信号的相反可以通过PLC软件程序解决，这样就实现了现场的信号经过复制分别送入原有的Mimic(模拟盘)系统和新的PLC系统，故保证了新旧两套系统可以同时来实现对上煤的控制，在新系统调试的同时，不会影响原有系统的运行。在PLC系统调试成功后，就可以拆除原有的继电器柜内的设备，而保留端子排，将现场信号不再进继电器而直接转接至新的PLC的I/O继电器柜。控制室三层内的原有Mimic系统在PLC系统调试成功后可以完全拆除，而把新的PLC系统彻底就位。原有底层继电器柜只保留端子转接的功能，或更换新的端子转接柜。端子转接的工作可以在很短的时间内完成，避免了因为其它各种原因造成的长时间停电给生产带来的重大损失。对于其它两个就地继电器控制柜的改造也可采取类似的措施，在此不再详细描述。

方案二：将新增的PLC的I/O继电器柜设在底层继电器室内，将现场送来的信号从原有继电器柜解除，先送入新的PLC的I/O继电器柜，将继电器辅助接点一路送至原有继电器柜的相应位置，另一路送至PLC系统的I/O模块。同样实现了现场的信号经过复制分别送入原有的原有Mimic系统和新的PLC系统，故保证了新旧两套系统可以同时来实现对上煤的控制，在新系统调试的同时，不会影响原有系统的运行。在PLC系统调试成功后，就可以彻底拆除原有的继电器柜内的设备。对于其它两个就地继电器控制柜的改造也可采取类似的措施，在此不再详细描述。

提出这两种方案的理由是从改造的安全可靠性出发的。合同要求皮带在满足正常上煤的同时一路一路的改造，但输煤控制上有其特殊的一面，那就是联锁控制和保护要求非常高，输煤路径上的任一中断都要求上游设备做出立刻反应。所以我们认为至少应在从卸船到原煤斗的一路完整皮带路径接线改完才可以进行PLC系统的调试，在一条完整上煤路径由原有Mimic系统和PLC系统分别控制其部分皮带而实现上煤的做法是不足取的，另外，业主在皮带检修过程中对皮带允许停电时间较短，不足以完成对一整条路径的改造。因此在PLC系统尚未调试成功之前对原有Mimic系统回路的改动和拆除都是危险的。所以我们提供以上两种方案的出发点就是在PLC系统尚未调试成功之前还可以采用原有Mimic系统安全可靠的上煤，大大降低了风险。

对于以上两个方案，我们建议采取第一种方案。理由是：第一，现场原有继电器室空间非常紧张，新的机柜布置上不能满足要求，而且室内同时放置动力盘，不如控制室环境优越。第二，也就是最重要的是此方案受PLC系统调试的影响较小，不会因PLC系统出现故障如无法送电而造成原有Mimic系统无法正常工作。而第二种方案就不能避免此类情况的发生，增加了调试的风险。第三，第一种方案可以避免对原有已存在的电缆进行位置移动，因而减少了因改变电缆位置和重新接线而造成电缆的损坏或接错位置，大大增加了改造的安全可靠性。

综上所述，我们初步提出了本次过渡改造主要原则，那就是安全可靠。这一原则得到了业主的认可。

图1 输煤PLC控制系统图

3.3 切换方案的确定

原有Mimic系统改PLC控制系统的方案是建立在原有Mimic控制系统的控制理念基础上进行的。过渡措施和切换方案的制定充分考虑到整个输煤控制的安全可靠性，避免在切换过程中因为PLC控制的问题影响到上煤的安全可靠性。整体来说，新原有系统之间是一个并联关系，在切换工程中，新系统的任何问题都不会影响到原有系统的正常运行，可以在很短的时间内切回原有Mimic系统进行控制，不会耽误上煤的要求。

首先，通过对原有系统的分析，我们得到原有输煤设备的控制理念：

现场设备的启停、急停、拉绳、堵煤、速度、料流、机械限位等全部送入继电器柜，继电器柜上设工作、试验切换开关，用来选择现场手动联锁自动的工作方式。所有现场输入到继电器柜的信号经过逻辑和一系列的流程选择，最终将启停设备指令发送到动力开关柜上来控制现场的皮带及附属设备。

3.3kV皮带设备的控制，从继电器柜输出合闸和跳闸两个信号，分别对应开关柜上开关的合闸和跳闸。正常时两个信号均为常开接点。而415V设备的控制，从继电器柜输出合闸一个信号，信号的输出有无分别对应开关柜上开关的合闸和跳闸。

在充分考虑到方便运行人员对新PLC系统的掌握和操作基础上，我们在新PLC系统控制上尊重原有控制理念，并结合合同的要求，尽量体现原有的习惯性操作和逻辑思路，来完成新PLC系统的设计。

新PLC系统外部控制回路的特点：

将原有Mimic系统的所有与现场有关的控制和状态信号在继电器端子排上进行并联，送至新PLC控制系统的控制柜端子排，实现新老两个系统在对输煤设备的控制上的完全并联，即原有Mimic系统和PLC系统在不进行大的调整都可以对输煤设备进行控制。为实现方便快捷的进行切换创造条件。

所有PLC系统的输入和输出点全部新设继电器隔离，其意义所在为：首先防止长距离电缆的感应电压对PLC模块的不利影响，其次防止在新原有系统切换过程中进行相互影响，特别是由于现场的接线错误将原有系统的电源直接接到PLC系统的模块上，同时防止模块直接驱动现场的开关设备，从而保证了切换过程中模块回路不会接触到PLC电源以外的其它电源，保护了PLC模块本身。而且，在今后PLC系统的独立控制时，也将现场设备和PLC模块隔离开来，提高了模块运行的安全可靠性。

现场的启停、急停、拉绳、堵煤、速度、料流、机械限位等全部送入继电器柜作为输入隔离继电器的输入信号，由继电器的辅助接点送入PLC模块。对于合同中要求的拉绳、急停、堵煤信号，在经过继电器隔离后送入PLC模块执行逻辑跳闸外，将继电器另一辅助接点直接送入设备开关柜上的与跳闸相关回路，直接动作设备的跳闸，从而实现了这三个保护信号不经过PLC逻辑也可以直接动作于设备跳闸，满足了合同所要求的在紧急情况下不通过PLC程控上煤而保留必要的保护信号的要求。

由于考虑到在PLC系统新上过程中，不能停止输煤系统的运行，故考虑了新老两个系统的过渡和切换措施。前面已经提到，所有现场的输入信号以及整个输煤系统的流程及逻辑都是在继电器柜上实现的，最终从继电器柜输出信号去控制输煤设备所在的开关柜上的开关。

根据以上特点，我们在新PLC 系统的设计上实现了与原有系统的最大统一，主要体现在：所有在原有系统继电器柜内实现的逻辑完全由PLC来实现，而且逻辑上尽量参照原有系统的逻辑方法，并在此基础上，利用PLC强大的逻辑功能进行加强功能和优化。特别是对原有的现场提供的信号进继电器柜的来进行逻辑的同样送入PLC系统，真正实现PLC系统代替原有继电器柜，做到新PLC系统的控制理念与原有系统的控制理念的最大统一。

3.4 PLC系统紧急情况下的应急上煤方案

出于安全需要，在PLC系统完全故障情况下，为了保证继续上煤的需要，还要保留必要的紧急情况下的手动上煤措施。虽然在关于PLC系统的风险评估报告中已经对PLC系统可能出现的所有故障情况和应采取的措施做过详细分析，而且所有风险都在控制之中，不会对上煤工作带来较大风险，但还是根据合同的要求提出在整个PLC系统退出运行情况下进行手动上煤的方案。

通过对PLC系统的风险评估的分析和前面提供的切换方案研究，最合理的方案就是保留原有继电器逻辑的手动上煤措施，即保留原有继电器屏以及就地控制的手段。

在已经提交并得到批准的原有Mimic系统和PLC系统的切换方案中，采取原有Mimic系统和新PLC系统并联的措施，即通过设置隔离端子使现场信号和去开关柜控制设备起停的信号分别送入原有Mimic系统和PLC系统，而且互不干扰，实现了两个系统可以独立控制上煤的手段。这一点对过渡措施来说是非常重要的，也是本工程得以实施的最重要的安全保障。同时也提供了一个启示，那就是切换方案在切换过程中提供安全保障的重要措施同样可以提供以后PLC系统独立运行的安全保障。因此，在这种改造工程相对复杂的情况下，保留部分原有控制手段就变得非常重要了。

原有Mimic系统包括远方集中控制手段和就地手动控制手段，远方集中控制手段和就地手动控制手段现在都已经由PLC控制系统所代替，但由于原有集中控制台在切换过程结束后将被拆除，故将来无法实现用继电器逻辑的集中控制，但用继电器逻辑的就地手动控制手段却可以得到保留。

在PLC系统退出运行的情况下需要上煤时，只须按提交的过渡措施切换方案要求的步骤切换到原有Mimic继电器逻辑控制方式下，将盘上的转换开关切换到就地控制就可以实现就地手动控制了，而且要求的保护信号对控制仍然起作用，从而既满足了合同的要求，又保证了上煤的安全可靠性。

3.5 原有MIMIC盘过渡方案的分析

所有的输入输出信号采用继电器隔离，采用各自独立的控制电源。新的PLC系统的控制电源采用双电源供电，在系统断电的情况下通过UPS中的蓄电池逆变提供1小时的交流电源，在UPS故障时，可以通过旁路绕过UPS直接给PLC系统供电。这种供电方式既提高了供电可靠性，又可以避免供电系统的电压不正常波动对PLC系统的影响。

I/O信号回路方面，在原有继电器柜和新的PLC控制柜上部分采用带隔离的端子(通过打开和闭合隔离部分可以控制信号的输入输出路径)，尽量避免了相互影响问题。具体来说，用隔离端子替换原有继电器柜的输入输出端子，使用原有系统进行控制时，停掉PLC系统的控制电源，并打开新PLC控制柜端子排上的部分隔离端子，闭合原有继电器柜上的端子，使现场来的设备的状态和控制信号只进入原有Mimic系统，而且由于PLC上的I/O继电器柜的所有与公共端有关的端子为隔离端子，打开后可以确保原有系统的电源和状态、控制信号不会进到PLC系统中来，同时也避免了新PLC系统的公共端问题对原有继电器控制系统的影响。

在使用新PLC系统时，可以停掉原有控制系统的控制电源，闭合新PLC系统的隔离端子，打开原有继电器柜的隔离端子，这样现场来的状态和控制信号只进入到了新PLC系统，新PLC系统和原有Mimic系统完全隔离，从而使新PLC系统在独立运行时不受原有继电器系统的影响。所以，当我们控制了两个系统的控制电源，通过在新旧控制系统上设置的隔离端子分别投切，就可以非常安全可靠地进行两个系统的切换，从而避免了两个系统间的相互影响。

考虑到继电器房间已没有足够位置合理放置PLC柜，而且在原有继电器柜在新PLC系统正式投入运行前还不能拆除，我们计划在原有继电器柜附近合理的房间或位置放置新PLC柜。在原有继电器柜的端子排上我们将采用新的隔离端子来更换原有从现场来的输入和输出信号端子，并通过并联方式将信号转送至新PLC系统，这样就实现了现场的输入输出信号同时进到原有继电器盘和新的PLC继电器盘。其优点是：

⑴在新PLC系统的安装调试过程中，没有对原有控制系统做任何改动，确保了原有上煤控制系统的安全可靠性。

⑵现场接线由于是简单的端子替换，具有很大的灵活性，可以在任何给定的时间窗口进行工作，一旦需要上煤，可以非常迅速的交给业主，保证了可以在规定的时间窗口或紧急情况下完成工作。

⑶在PLC系统调试结束后，可以非常迅速的拆掉原有进原有系统的接线，只保留进PLC系统接线，不会因为最终过渡切换到新PLC系统控制上需要更改大量接线而造成没有足够的时间窗口，造成两套系统在控制上都受到影响，对上煤工作产生不利影响。

基于这种方案的简单性以及最重要的可靠性和灵活性，确保了改造过程中不会因为控制方面的原因而耽误上煤工作。

需要进一步说明的是，这种方案的可靠性是建立在对原有控制系统的充分理解和采取的特别措施的前提下的。如前所述原有控制回路的工作原理，采取在端子排进行输入输出信号的并列完全能够满足原有的控制要求，能够实现两套控制系统都能独立对整个上煤过程的控制。另外所最关心的问题就是两套系统之间会不会发生冲突或互相影响，由于已将所有PLC系统的输入和输出点全部新设继电器隔离(一般情况下只对输出量进行隔离)，其目的就是防止原有的继电器逻辑系统的信号对PLC系统影响，使其电源信号直接串入PLC模块造成危害，同时在新旧系统端子排部分设带隔离的端子。因此，只要切断PLC系统包括隔离继电器柜的控制电源，这样隔离继电器不会动作，同时打开需要隔离设备的隔离端子，从而也就完全隔离了原有控制系统在工作时的各种信号，保护了PLC系统的安全。同理也可以适用于PLC系统在工作时不会对原有控制系统产生影响。而控制电源的投切时间非常短暂，所以这种靠控制了两个系统的控制电源的方法在实现上非常简单可靠，能够保证在调试过程中迅速的实现两种控制系统间的切换，提高了运行可靠性。因此上述担心是不存在的。当然，在实际工作中，还应充分考虑到一切可能出现的问题，以确保切换过程的可靠性。

如果在切换过程中进行调试，出现故障或其它问题时，PLC系统可以很方便的显示出来或通过预先设定的程序进行报警，这对功能强大的PLC控制系统来说是非常容易实现的。

4 结论

香港青山电厂输煤系统改造工程是按照国际标准进行设计的。在项目的研究和开发过程中，我们搜集了大量可编程控制器的技术信息，深入研究了合同和大量的外文图纸资料，并与电厂运行及管理人员进行了充分的沟通，制定了全面切实的改造方案和实施措施，遵循国际标准绘制施工图纸。现场的实际改造过程中充分贯彻了安全可靠的原则，各项方案和措施的实施取得了预期的效果，改造过程顺利，结果圆满，得到了业主的充分认可。

随着自动化水平的日益提高，国内较多的老电厂为了提高原有输煤控制系统的可靠性和降低运行人员的劳动强度，提出了对原有输煤强电集中控制进行改造成为程控控制方式的要求。通过香港青山电厂输煤系统改造工程的设计工作，我们积累了输煤PLC程控替代输煤继电器集控技术的大量宝贵经验，为今后承担电厂输煤控制系统改造工程创造了良好的条件。

[1]DL/T 5187.1-2004，火力发电厂运煤设计技术规程[S]．

[2]DL/T 5136-2001，火力发电厂、变电所二次接线设计技术规程[S]．

[3]西北电力设计院．电力工程电气设计手册(第二册)[K]．北京：中国水利电力出版社，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

陈潮(1972-)，男，高级工程师，主要从事火力发电厂和核电厂常规岛电气专业设计工