GE三冗余PLC在680MW超超临界机组的应用
2022-06-09
摘要：对GE公司三重冗余PLC系统GMR的构造、性能特点、冗余容错特性、输入输出三重化表决方式和系统故障自我诊断功能等各方面特性进行了详细介绍，并重点介绍了湖北西塞山发电有限公司超超临界汽轮机组ETS跳闸保护系统采用的GMR系统的硬件配置、总体结构、系统组成和工作特点，最终说明了超超临界机组采用GMR系统后，跳闸保护系统的安全型和可靠性达到了很高的水平，从而保证了超超临界机组的安全稳定运行。
关键词：超超临界；容错；三冗余；保护；总线
引言
湖北西塞山发电有限公司#3、4号机组是湖北省境内首批超超临界机组，其汽轮机由东方汽轮机厂生产，锅炉由哈尔滨锅炉厂生产，机组控制系统采用上海FoxboroI/ASeriesDCS系统。机组整体效率高达45.4%，供电煤耗283.2克/千瓦时，具有国际先进的能耗和环保水平，企业经济效益和社会环境效益前景巨大。
随着高参数、大容量机组的发展，发电厂的安全、平稳运行对整个电网的安全运行影响越来越大，而机组跳闸保护系统自身的可靠性和稳定性，直接关系到机组运行的稳定性。机组跳闸保护系统主要由汽机ETS系统和锅炉FSSS系统组成，FSSS系统一般在DCS中一体化设计，而ETS多采用独立的PLC控制器，来自机组的各种紧急停机信号，经ETS系统进行逻辑判断后，输出汽轮机遮断信号，其运行稳定性和可靠性的高低对于机组安全至关重要。
伴随各种冗余、容错技术的长足发展，机组跳闸保护系统逐渐从普通的独立控制器，发展为控制器、网络、卡件和信号等多方面、多层次冗余和容错的安全型控制器。其中，尤以GE公司的三冗余GMR系统最具代表性。
1GE三冗余PLC系统在ETS系统中的应用
为了保证高可靠性，湖北西塞山电厂#3、4号机组ETS系统选用了GE公司的GMR系统，该系统的最大特点是从网络架构、控制器配置、I/O卡件设计以及现场输入信号和输出信号的三取二表决等各方面真正做到了高度冗余和智能容错。
个主机架包含1个IC697PWR711电源模块，1个IC697CPM790控制器以及三个总线控制模块。
1.1FanucGenius模块式冗余容错系统
GMR系统中的三个PLC控制器互相独立，分别通过有效的三冗余Genius网络总线从输入子系统获取现场信号，并通过各自独立的逻辑运算后，再通过有效的三冗余Genius网络总线将运算结果发送给相应的输出子系统进行表决输出。控制器、网络、I/O子系统之间构成相对独立的FanucGenius模块式冗余容错结构。Genius总线网络的存在，又将相对独立的几大模块有机融合为一个整体。总的来说，该系统具有如下特点：
（1）三个独立CPU机架之间由三条总线并行互连，保证通讯的安全。
（2）每组输入子系统有三个互为独立的输入卡件，保证不因单个卡件故障影响输入信号拒动或误动。
（3）输出子系统设计成类似于AST电磁阀油路结构的“H“型串并联电气结构，四个输出模块中，两个采用正逻辑输出，另外两个采用负逻辑输出模块，有效防止卡件故障引起保护误动和拒动。
1.2数字量输入子系统
GMR系统共有两组输入子系统，每组由三块32点开关量输入模块组成。同组内三块卡件分别挂接在三条不同的总线上，实现输入信号的表决和数据交换。所有的输入点均选用表决特性，三冗余输入信号中的每一个信号分别连至同组的三块I/O卡件的同一输入通道，单点输入信号通过端子并接的方式连至同组的三块I/O卡件的同一输入通道。输入信号的三取二表决在PLC中进行，每个CPU分别从三条总线获取输入信号的状态独立地进行三取二表决，表决结果经梯形逻辑程序运算后，送到输出模块中进行H型表决。
GMR系统设置了默认为2秒的滤波时间，以防止现场来的三冗余信号中某点误发或失真，如果某个信号在设定的滤波时间后还与另外两个信号有差异，CPU将生成故障信息并放入I/O故障表中，同时置位表征I/O故障的状态位，该状态位可以在应用程序中用作报警，以提醒用户及时检查处理。当故障发生一天（默认为1440分钟）后还未被处理时，CPU就认为该点已坏并停用此点（I/OShutdown），此点将不再参与逻辑运算，以达到剔除坏点的目的。
如果三冗余信号中某一路信号已被判为故障或者仅有两路输入有效时，系统将引入一路默认为1的“Duplex状态信号“与仅有的两路输入信号进行三取二表决。如果仅一路信号有效，则系统取默认状态输入，默认状态可根据现场情况组态为0或1。
1.3H型数字量输出子系统
输出子系统有两组，每组32点。每组由两块源模块（Source）和两块漏模块（Sink）组成。两组输出均采用“H”型结构，如图3所示，图中模块A和模块B为源模块，模块C和模块D为漏模块，负载一般为中间继电器。在与总线连接时，一块源模块和一块漏模块挂在同一总线上，另一块源模块和一块漏模块分别挂在剩余的两条总线上，三条总线中只要有两条总线通讯正常，输出子系统就能正常工作。所有输出模块都设有自动测试功能，以检测诸如短路、断路和开关功能丧失等故障，自动测试的周期可以组态，默认为1440分钟（一天）。
在H型输出电路结构中，每路输出需要四个不同的输出模块通道，分别是两块正逻辑输出模块（Source模块，输出+12V），两块负逻辑输出模块（Sink模块，输出-12V），其优点在于兼顾了模块、网络、模块供电等多方面的冗余，使得整个系统的控制输出部分安全性和可靠性得到空前的提高，作为保护系统，其防拒动和防误动的性能十分优良。如图3所示，A、B、C三条Genius网络，如果在C网因故障中断后，只有模块C无法接收到CPU指令，只要另两条Genius网络工作正常仍能保证指令的有效输出，同时系统将自动诊断故障并记录下来，提供故障解决的依据。
1.4Genius总线系统
GMR系统IO模块与CPU之间的通讯采用Genius总线，它由分别定义为α、β和X的三条总线组成。其中α总线和β总线同时要完成三个CPU之间的同步和IO模块之间的数据交换，而X总线只需完成IO模块之间的数据交换。冗余总线起始于地址站号最高的PLCA，以α总线为例，它的起点位于PLCA机架中第一块网络控制模块的输出端子，通过Beldon9182通讯电缆连接到PLCB机架中第一块网络控制模块的输入端子，再经PLCB的第一块网络控制模块的输出端子连接到PLCC机架第一块网络控制模块的输入端子，然后再依次连接到输入模块和输出模块，在总线的起点和终点都必须并接一只阻值为150Ω的电阻。用类似的方式连接好β总线和X总线，一个完整的GMR三冗余控制系统网络结构就形成了。
2结束语
GE三冗余安全型PLC控制系统，分别从控制器、I/O模件和总线几个方面实现了全面的冗余配置，通过三选二输入表决，H型输出表决以及智能的容错设计，为用户提供了高可靠性和无误差操作。在ETS系统中采用此类系统，机组保护的拒动率和误动率大幅降低，其安全性、可靠性都得到了空前的提高。
参考文献
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