尹強(qiáng)，鄧有緯，劉延軍

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

0 引言

隨著火力發(fā)電廠機(jī)組容量的增大，輸煤控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和運(yùn)行參數(shù)也在不斷提高，若設(shè)計(jì)者將注意力集中在如何實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)的要求上，而對(duì)提高控制系統(tǒng)的可靠性考慮較少，勢(shì)必導(dǎo)致系統(tǒng)在調(diào)試或運(yùn)行過程中由于某些設(shè)備故障或信號(hào)誤報(bào)而引起設(shè)備損壞或系統(tǒng)停機(jī)。因此，對(duì)輸煤控制系統(tǒng)的某些故障或信號(hào)誤報(bào)及時(shí)、準(zhǔn)確地采取措施加以保護(hù)，可以避免發(fā)生重大的設(shè)備損壞或系統(tǒng)停機(jī)。

本文通過對(duì)控制系統(tǒng)中的邏輯設(shè)計(jì)及電氣控制回路的簡(jiǎn)單修改來提高控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性。

1 輸煤控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境

輸煤控制系統(tǒng)的任務(wù)主要是控制卸煤、儲(chǔ)煤、上煤和配煤。要保證輸煤控制系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行，可靠的監(jiān)控設(shè)備與正確的控制邏輯是先決條件。目前，國(guó)內(nèi)輸煤控制系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境具備以下特點(diǎn)。

(1)輸煤系統(tǒng)設(shè)備多，保護(hù)繁雜且大部分為開關(guān)量，其中開關(guān)量的監(jiān)控占輸煤控制系統(tǒng)監(jiān)控量的90%以上。

(2)電廠建設(shè)之初往往從建設(shè)成本上考慮，各種保護(hù)開關(guān)基本上采用單點(diǎn)測(cè)量保護(hù)。

(3)受輸煤系統(tǒng)工藝要求影響，輸煤控制系統(tǒng)聯(lián)鎖復(fù)雜，運(yùn)行中發(fā)生的設(shè)備故障往往需要聯(lián)跳故障點(diǎn)至煤源方向的所有設(shè)備，跳停設(shè)備多，影響面大。

(4)輸煤系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境惡劣，粉塵大、振動(dòng)和沖擊強(qiáng)、電磁干擾嚴(yán)重、感性負(fù)載多、線間干擾嚴(yán)重，往往會(huì)導(dǎo)致保護(hù)開關(guān)誤動(dòng)或信號(hào)誤報(bào)。

(5)輸煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的科學(xué)性與可靠性、控制邏輯條件的合理性和系統(tǒng)的完善性、保護(hù)信號(hào)的取信方式和配置、保護(hù)信號(hào)定值和延時(shí)設(shè)置等都存在不盡人意之處。

(6)輸煤系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，為保證鍋爐用煤，輸煤系統(tǒng)日累計(jì)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12 h以上。

輸煤系統(tǒng)的上述運(yùn)行特點(diǎn)，造成其經(jīng)常由于開關(guān)的誤動(dòng)或信號(hào)誤報(bào)導(dǎo)致設(shè)備損壞或意外停機(jī)，嚴(yán)重影響輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行效率。若在設(shè)計(jì)輸煤控制系統(tǒng)時(shí)就考慮到設(shè)備的誤動(dòng)或信號(hào)誤報(bào)，就可大大減少輸煤系統(tǒng)設(shè)備損壞或故障停機(jī)，從而提高輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行效率。這就要求設(shè)計(jì)的輸煤控制系統(tǒng)對(duì)外界擾動(dòng)不敏感，在發(fā)生故障時(shí)仍能正常運(yùn)行并完成某些功能，即具有適當(dāng)?shù)娜蒎e(cuò)性。

2 輸煤控制系統(tǒng)的容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法

容錯(cuò)控制系統(tǒng)就是通過故障診斷(故障檢測(cè)、故障隔離、故障識(shí)別)，讓控制系統(tǒng)在某些部件或設(shè)備故障情況下，能按原定性能指標(biāo)或性能指標(biāo)略有降低(但可接受)的情況下安全地完成控制任務(wù)。容錯(cuò)控制系統(tǒng)主要應(yīng)解決故障診斷和容錯(cuò)控制兩個(gè)問題，容錯(cuò)控制系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 容錯(cuò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸煤控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性設(shè)計(jì)，就是盡可能多地考慮輸煤系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)較易出現(xiàn)的各種故障，通過有效利用技術(shù)和特定的容錯(cuò)控制技術(shù)，來降低或避免整個(gè)輸煤控制系統(tǒng)失效，并努力提高輸煤控制系統(tǒng)的可靠性、魯棒性。然而，目前的容錯(cuò)控制技術(shù)在電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，大多針對(duì)模擬量控制系統(tǒng)。輸煤控制系統(tǒng)以開關(guān)量為主，本文將特定的容錯(cuò)控制技術(shù)、控制系統(tǒng)資源的有效利用技術(shù)應(yīng)用于輸煤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，更廣泛地探討提高輸煤控制系統(tǒng)可靠性、魯棒性的方法和途徑。

2.1 開關(guān)量輸入信號(hào)軟件濾波

輸煤系統(tǒng)中存在大量的機(jī)械設(shè)備，這些機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)與沖擊會(huì)使處于工作狀態(tài)的傳感器觸點(diǎn)誤動(dòng)作或抖動(dòng)；另外，輸煤系統(tǒng)中大功率設(shè)備眾多，反饋信號(hào)線敷設(shè)比較長(zhǎng)，加之敷設(shè)不規(guī)范可能導(dǎo)致感應(yīng)電壓引起傳感器觸點(diǎn)誤動(dòng)作或抖動(dòng)，這些都可能導(dǎo)致開關(guān)量誤輸入或輸入不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)信息采集錯(cuò)誤。錯(cuò)誤的信息采集可能導(dǎo)致輸煤控制系統(tǒng)控制功能紊亂，使控制對(duì)象誤操作，甚至導(dǎo)致整個(gè)輸煤系統(tǒng)停機(jī)。為了避免和盡量降低輸煤系統(tǒng)惡劣工作環(huán)境對(duì)輸煤控制系統(tǒng)開關(guān)量輸入可靠性的影響，應(yīng)采用軟件濾波的方法來提高開關(guān)量輸入的可靠性。

保護(hù)開關(guān)或傳感器觸點(diǎn)誤動(dòng)作或抖動(dòng)時(shí)，輸入開關(guān)量信號(hào)是一個(gè)短暫存在的脈沖信號(hào)，因此，控制系統(tǒng)采樣時(shí)避開短暫的和不穩(wěn)定的脈沖輸入，即可避免控制系統(tǒng)采集到錯(cuò)誤的信息，從而保證控制系統(tǒng)開關(guān)量信息采集的可靠性。例如，拉繩保護(hù)信號(hào)采用開關(guān)量輸入信號(hào)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(shí)間故障檢測(cè)法

輸煤系統(tǒng)中一些設(shè)備運(yùn)行具有嚴(yán)格的時(shí)間規(guī)律，如帶位置檢測(cè)的雙向運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，可雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)到位后停止。位置開關(guān)準(zhǔn)確是該類設(shè)備可靠運(yùn)行的保證，而在實(shí)際運(yùn)行過程中位置開關(guān)往往由于安裝不穩(wěn)固，或是受到強(qiáng)烈沖擊偏離安裝位置，或是煤灰覆蓋等原因造成無法檢測(cè)到位置信號(hào)，致使電機(jī)在運(yùn)行過程中因無法檢測(cè)到位置信號(hào)而一直運(yùn)行，最終導(dǎo)致電機(jī)因過載運(yùn)行損壞。

該類設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)是：運(yùn)行時(shí)間短，運(yùn)行到位后一段時(shí)間內(nèi)不需再運(yùn)行改變其位置狀態(tài)。對(duì)于該類設(shè)備，遠(yuǎn)程控制運(yùn)行應(yīng)改為程控系統(tǒng)保持，保持至檢測(cè)到位置開關(guān)或固定時(shí)間，一般固定時(shí)間為該設(shè)備從一側(cè)運(yùn)行到另一側(cè)所需時(shí)間的1.25倍左右。超過其設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間后可發(fā)出故障信號(hào)，并切斷電機(jī)的主電源避免電機(jī)過載運(yùn)行而造成設(shè)備損壞。

犁煤器控制原理如圖3所示。犁煤器正常抬落犁運(yùn)行過程中，抬犁到位時(shí)由抬犁到位信號(hào)切斷推桿電機(jī)的主回路電源，落犁到位時(shí)由落犁到位信號(hào)切斷推桿電機(jī)的主回路電源。但是當(dāng)抬、落犁到位開關(guān)由于振動(dòng)偏離了原來的位置時(shí)，推桿電機(jī)就可能因無法檢測(cè)到到位信號(hào)而一直運(yùn)行，最終必然使電機(jī)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(lián)的KM1，KM2自保持節(jié)點(diǎn)，在程控操作時(shí)改由程控系統(tǒng)保持其運(yùn)行，則可在控制邏輯中加入時(shí)間保護(hù)，能有效避免電機(jī)由于無法檢測(cè)到位置開關(guān)而過載運(yùn)行。將犁煤器正反轉(zhuǎn)運(yùn)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(diǎn)測(cè)量信號(hào)引入相關(guān)性測(cè)量保護(hù)

在輸煤系統(tǒng)中，出于建設(shè)成本的考慮，大部分保護(hù)開關(guān)采用了單點(diǎn)測(cè)量保護(hù)，如輸煤系統(tǒng)中皮帶的打滑保護(hù)。在實(shí)際運(yùn)行中，打滑保護(hù)開關(guān)由于受到煤灰的覆蓋或振動(dòng)沖擊，造成打滑檢測(cè)開關(guān)靈敏性下降，這樣就會(huì)導(dǎo)致打滑信號(hào)的誤報(bào)(即使通過開關(guān)量的軟件濾波也不能判斷信號(hào)的準(zhǔn)確性)，從而導(dǎo)致輸煤系統(tǒng)停機(jī)。若在打滑檢測(cè)中引入皮帶電機(jī)電流的檢測(cè)，即打滑保護(hù)動(dòng)作時(shí)同時(shí)檢測(cè)皮帶電機(jī)電流，判斷其是否有下降跳變，若是，則可認(rèn)為打滑保護(hù)確實(shí)動(dòng)作；若否，則報(bào)警，由運(yùn)行維護(hù)人員檢查打滑保護(hù)裝置狀態(tài)。這樣就可大大降低由于打滑裝置誤報(bào)而導(dǎo)致的輸煤系統(tǒng)停機(jī)。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(hào)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(nèi)變化，當(dāng)超出范圍時(shí)可認(rèn)為故障已發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生。另外，還可通過測(cè)量輸入、輸出的變化率是否滿足要求來判別故障是否已發(fā)生。

在輸煤控制系統(tǒng)保護(hù)邏輯中，常采用軸承和電機(jī)線圈的溫度測(cè)量信號(hào)，當(dāng)測(cè)量信號(hào)超過定值時(shí)觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，但由于溫度測(cè)量回路中的熱電阻很容易發(fā)生接觸不良或斷線故障而使保護(hù)誤動(dòng)。這時(shí)，可引入壞信號(hào)剔除邏輯，利用特定的容錯(cuò)控制技術(shù)進(jìn)行容錯(cuò)邏輯設(shè)計(jì)。例如，在測(cè)量回路正常的情況下，當(dāng)軸承溫度高于70 ℃時(shí)將觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)熱電阻測(cè)量回路出現(xiàn)接觸不良或斷線故障時(shí)，溫度信號(hào)的變化速率將超過5 ℃/s，此時(shí)寄存器置1，軸承溫度保護(hù)自動(dòng)退出。當(dāng)故障消除后，可通過自動(dòng)或手動(dòng)方式復(fù)位，使保護(hù)重新投入。超溫保護(hù)控制邏輯如圖6所示。

圖6 超溫保護(hù)控制邏輯

壞信號(hào)剔除故障診斷方式，同樣可用于其他溫度保護(hù)的設(shè)備，如碎煤機(jī)軸承溫度、油溫等。當(dāng)對(duì)一些不可靠的單點(diǎn)信號(hào)保護(hù)進(jìn)行邏輯優(yōu)化時(shí)，新加入的任何條件(與原信號(hào)相與)都將改變?cè)瓉淼谋Ｗo(hù)機(jī)制，由于缺乏足夠的相關(guān)性論證，設(shè)備制造廠也不予支持。如果采用信號(hào)故障診斷、剔除壞信號(hào)的邏輯優(yōu)化方式，原來的保護(hù)機(jī)制未改變，也就不會(huì)增加保護(hù)系統(tǒng)拒動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.5 誤報(bào)信號(hào)人工鑒別診斷

還有一些單點(diǎn)測(cè)量保護(hù)信號(hào)是非常重要的保護(hù)信號(hào)，但沒有相關(guān)的測(cè)量信號(hào)可引入，如皮帶的縱向撕裂保護(hù)、皮帶重跑偏保護(hù)等。對(duì)該類保護(hù)開關(guān)信號(hào)，可采用誤報(bào)信號(hào)人工鑒別診斷方式來提高控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性。所謂誤報(bào)信號(hào)人工鑒別診斷，即保護(hù)開關(guān)可在程控系統(tǒng)中由人工操作投入保護(hù)或解除保護(hù)：在保護(hù)開關(guān)穩(wěn)定、可靠時(shí)，由運(yùn)行人員在程控系統(tǒng)操作投入保護(hù)；在保護(hù)開關(guān)可靠性降低后，由運(yùn)行人員解除該保護(hù)開關(guān)在程控系統(tǒng)的保護(hù)。皮帶縱向撕裂保護(hù)裝置的誤報(bào)信號(hào)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(tǒng)的邏輯由于不斷補(bǔ)充和修改，可能會(huì)變得過于復(fù)雜。邏輯控制的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循簡(jiǎn)單、可靠的原則，多一個(gè)不必要的元件或環(huán)節(jié)，就增加了一個(gè)故障的可能。剔除冗余邏輯就是刪除不必要的元件或環(huán)節(jié)，剔除冗余邏輯時(shí)應(yīng)將輸煤程控系統(tǒng)的邏輯和電氣控制系統(tǒng)的邏輯相結(jié)合，以厘清整個(gè)控制系統(tǒng)中的冗余邏輯。如皮帶電動(dòng)機(jī)的保護(hù)動(dòng)作、控制回路斷線、6 kV開關(guān)接地動(dòng)作等保護(hù)信號(hào)，由于在電氣控制回路中就已實(shí)現(xiàn)其保護(hù)，所以應(yīng)從程控系統(tǒng)中刪除其跳閘邏輯，改為報(bào)警信號(hào)。

如圖9所示，控制回路斷線CZJ繼電器為檢測(cè)控制電源(A,N)之間是否有220 V電源，若控制回路斷線動(dòng)作，即(A,N)電源消失，此時(shí)程控系統(tǒng)發(fā)跳閘指令，皮帶電動(dòng)機(jī)由于沒有控制電源，跳閘也會(huì)失敗；反之，若控制回路斷線誤動(dòng)或誤報(bào)，即(A,N)電源未消失，此時(shí)發(fā)跳閘指令，則會(huì)導(dǎo)致輸煤系統(tǒng)停機(jī)。

圖9 皮帶電動(dòng)機(jī)控制回路原理

2.7 有效利用控制系統(tǒng)資源

在不增加設(shè)備的情況下，通過對(duì)控制系統(tǒng)、電氣回路等資源進(jìn)行適當(dāng)?shù)貎?yōu)化，使控制系統(tǒng)可靠性得到提高。根據(jù)“不可靠的測(cè)量信號(hào)不用作重要保護(hù)，盡量避免單點(diǎn)信號(hào)用于保護(hù)。當(dāng)不得不采用單點(diǎn)信號(hào)作保護(hù)時(shí)，應(yīng)引入故障鑒別信號(hào)”的原則，輸煤控制系統(tǒng)中的縱向撕裂、重跑偏及打滑信號(hào)，都為單點(diǎn)測(cè)量而又不得不用作保護(hù)的信號(hào)。因此，這些信號(hào)用作保護(hù)時(shí)，應(yīng)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(yīng)從電氣保護(hù)回路中解除這些信號(hào)的跳閘保護(hù)。

3 結(jié)束語

火力發(fā)電廠輸煤控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性設(shè)計(jì)是非常復(fù)雜而繁瑣的，但是具有容錯(cuò)性的輸煤控制系統(tǒng)對(duì)提高輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行效率有著巨大的作用。本文提出的容錯(cuò)性設(shè)計(jì)方法經(jīng)實(shí)踐證明對(duì)提高輸煤控制系統(tǒng)的可靠性、魯棒性有一定的作用，希望能為輸煤控制系統(tǒng)的容錯(cuò)性設(shè)計(jì)提供新的思路。

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