華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠2機組鍋爐爐膛安全監視系統( FSSS)設置的目的為：由于各種原因，剛滅火的鍋爐燃料系統仍在向爐膛內供應燃料，在高溫爐膛內再次爆燃而損壞設備，故對鍋爐滅火要進行保護，即滅火保護動作后關閉燃油速斷閥和停止2臺排粉機運行。滅火保護的動作條件有：2臺送風機失去、2臺引風機失去、爐膛壓力高、爐膛壓力低、失去燃料、全爐膛失火、危急跳閘、發電機主保護動作、汽包水位高及汽包水位低。滅火保護系統由機柜部分、就地測量元件和操作按鈕組成。FSSS的機柜部分主要包括控制模件、繼電器搭接的控制回路及電源等部分。就地測量元件主要包括壓力開關等，富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料。
2、優化前的設備狀況
2.1系統組成
為確保鍋爐各項保護正常發揮作用，應監視鍋爐各項參數和設備當前狀態，及時發現異常情況，采取有效措施（如保護動作、緊急停爐、斷電及聯鎖等），保證設備和人身安全。華電能源哈爾濱第三發電廠2機組鍋爐滅火保護系統采用莫迪康984 -685E可編程控制系統作為下位機，其輸入模板接收來自現場各種設備的狀態信號，由中央處理器( CPU)處理用戶邏輯程序。
2.1.1 莫迪康984 - 685E可編程控制系統結構
莫迪康984 - 685E可編程控制系統結構包括4部分：
(1)存儲器部分。存儲用戶邏輯、當前狀態及系統固化程序。
(2) CPU部分。根據當前輸入信號及運行邏輯，更新隨機存儲器( RAM)中的輸出值。
( 3)110處理部分。讀取輸入模板B809的信號直接送到狀態RAM中，將CPU邏輯解答送至輸出模板B808的路徑。
(4)通信部分。提供MB - PORT1接口與筆記本電腦連接，用于日常修改邏輯、查看組態，MBUS -PLUS與分散控制系統(DCS)上位機通信。
2.1.2莫迪康984 - 685E可編程控制系統I/O模板分布及功能
莫迪康984 - 685E可編程控制系統的主可編程邏輯控制器( PLC)為H827 - 103，從PLC為H827 -100，包括程控柜和保護柜各1個。
程控柜內的模板包括：
(1) B1—B8模板負責#1一#8油角油槍、點火槍、三用閥的操作發令和接收來自就地的反饋信號。
(2)4塊B809輸入模板。16個通道分成2組，每8個通道共用1個N線，2組N線9和19環線連接。當就地終端壓上，220 V AC回來進通道與N線構成回路，模板燈亮，通信至DCS顯示。
(3)4塊B808輸出模板。操作令220 V AC電源A線接至模板每一通道的接點端，當DCS中操作令通信至984系統內部組態時，每一通道線圈帶電，接點導通，220V AC去就地啟動設備。
保護柜負責提供保護所需變量和輸出跳閘信號：
(1)3塊B809模板。分別接受給粉機投運證實信號、燃油速斷閥開關證實信號、探頭冷卻風機啟／停證實信號。
(2)2塊B825輸入模板。當火檢屏檢測有火時輸出24 V DC進入B825通道，通道燈亮。同時，該24V DC進入984的B825模板的19(N)和20(A)端子，前8個通道的N線9與19短接，相鄰的2個B825的20和19端子分別環上。
(3)4塊繼電器輸出模板B814。有熱工信號、SOE、擴展MFT出口繼電器、探頭冷卻風機的啟／停等4項用途。
H827 -100和H827 -103 2個主、從PLC中分別安裝2個熱備通信模板S911，它們之間通過AS -W911電纜連接，內部通信用可裝載軟件HSBY實現。該功能塊必須放在主控制器和后備控制器應用的邏輯程序第1網絡l中，該功能允許在系統狀態RAM中設置一個非傳送區，其實質是在后備控制中保持幾組寄存器不被主控制修改的區域，通過HS-BY指令能存取2個寄存器，1個命令、1個狀態，以監視和控制系統。
2.2系統功能
在保護回路異常情況下，984系統輸出模板顯示狀態的同時，繼電器輸出模板動作，保護出口發主燃料跳閘( MFf)，停排粉機、關燃油速斷閥，停止油和煤粉等繼續進入爐膛，終止燃燒。
由于華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠’2機組分散控制系統( DCS)采用的是MOORE公司APACS控制系統，故984系統不必外接上位機監視輸出，只需與DCS進行通信連接，以主站／從站方式9.6 kbit/s速度傳遞，經BM - 85多路橋以雙向信息采集和3個串行RS232 - 485轉換器實現通信方式的轉換，通過硬連連接于984系統的MOD - PLUS口和DCS的M-BUS之間，將984系統各種輸出信號及MOORE發出的各類指令信號共享；在ACM中加入讀寫塊，在APACS系統4- mation中進行狀態塊／功能塊組態，做數據庫組態和畫面組態，實現在CRT上手操各種就地設備，同時顯示鍋爐滅火保護各變量的狀態變化。
2.3系統存在的問題
2鍋爐滅火保護系統自投入運行以來已有12年，PLC的使用壽命為10 N15年，超過10年后其可靠性就有所下降，整個機組就存在著不穩定因素，如果不及時對#2鍋爐滅火保護系統的PLC控制系統進行改造，很可能由于控制器的突然失靈而引起滅火保護系統拒動或誤動事故的發生，嚴重影響’2機組的穩定運行。因此，對#2鍋爐滅火保護系統進行更新改造勢在必行。
經過調查分析，系統還存在以下問題：
(1) FSSS電源從切換裝置二取一路輸出，通過電源盤的UPS A相瓷座保險送至FSSS機柜，無雙路供電功能。
(2)機柜內的PLC電源及重要保護所帶設備均采用一路空氣開關，熱工和電氣設備取自一路電源，當就地設備發生短路時不便查找。
(3)油槍程控機柜和FSSS機柜風扇無獨立電源。
(4)油槍程控機柜電源取自FSSS機柜。
(5)24V DC的2個穩壓電源取自1個空氣開關，電源失去則24 V DC所帶設備無法工作。
( 6) FSSS爐膛壓力保護開關采用硬手動操作方式，保護投入時有保護誤動的可能性，并且無有跳閘條件無法投入保護的功能。
( 7) FSSS汽包水位保護為二選一，并且無有跳閘條件無法投入保護的功能。
(8)探頭冷卻風機程序中無探頭冷卻風壓力低聯鎖回路。
(9) FSSS的I/O配置不合理，模件故障造成保護動作的風險大。
(10)無熱工保護壓力開關故障顯示點。
(11)無探頭冷卻風壓力低熱工信號報警點。
( 12) FSSS機柜內部分電纜無屏蔽。
( 13) FSSS機柜無接地銅排。
3、系統優化
針對以上問題，為了提高保護可靠性，杜絕保護拒動和誤動，華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠相關技術人員進行了認真分析，制訂了解決方案，進行了系統優化。
3.1選用施耐德可編程控制系統
將原來的CPU模塊140CPU11303更換為UnityQuantum 140CPU67160，保留原有PLC與DCS通信方式( modbus plus)，采用CPU模塊上集成的熱備端口進行雙機熱備。通過CRP93200和CRA93200形成雙纜冗余的S908遠程I/O總線，更新所有I/O模塊。電源采用140CPS12420冗余電源進行冗余配置，替換原有的140CPS11420電源模塊。
3.1.1Unity Quantum PLC特點及性能
在該項目的升級改造方案中，采用施耐德電氣公司的Unity Quantum PLC產品，用于滿足控制系統的全部控制功能。Uruty Qutum PLC產品完全符合國際標準，該產品采用了國際上先進的控制器和模塊化的系統結構。
3.1.2雙機熱備系統
3.1.2.1系統組成
雙機熱備系統由安裝在2個不同機架上的“主機”和“備機”組成（如圖1所示）。“主機”和“備機”的硬件配置完全相同，即由電源、CPU、RIO通信適配器、以太網模塊等組成。雙機熱備系統最核心的模塊為CPU模塊，型號為140CPU67160。該模塊除了完成所有控制功能以外，同時利用光纖完成“主機”和“備機”之間的實時數據交換功能。光纖通信鏈路的通信速率可達100 Mbit/s。
雙機熱備系統正常工作時，由“主機”采集現場所有設備的實時數據，解算所有控制程序并將控制指令傳輸到所有輸出模塊中，完成對現場設備的控制。“備機”在“主機”運行的過程中，實時讀取“主機”中的全部數據，實時監測“主機”的運行狀態。當“主機”上的機架、電源、CPU、RIO通信適配器中的任一模塊或附件出現故障時，“備機”升級為“主機”，完成對現場設備的控制功能。當“主機”上的故障模塊或附件更換完畢后，則承擔“備機”的角色，繼續完成對“主機”狀態的實時監測。
雙機熱備系統中“主機”和“備機”之間是完全自動、平穩、無縫的切換。
3.1.2.2熱備系統性能
3.1.2.2.1通信速率
傳統的雙機熱備系統一般都采用獨立的熱備模塊或同步模塊用于完成熱備系統的數據交換，因此，導致了雙機熱備的數據交換速率較低、實時性差。
施耐德電氣公司的Unity Quantum PLC雙機熱備系統為了避免上述缺點，采用了集成熱備端口的140CPU67160。該產品集成了光纖的熱備端口用于完成“主機”和“備機”間的數據交換，由于可以直接從“主機”CPU中讀取實時數據并傳輸至“備機”，因此，實時性較好。同時，該端口的通信速率可達100Mbit/s，與傳統的熱備模塊或同步模塊的熱備端口相比，通信速率提高了10倍甚至幾十倍。
3.1.2.2.2掃描時間和切換時間
由于傳統的雙機熱備系統采用熱備模塊或同步模塊用于完成熱備系統的數據交換，因此，CPU在完成所有控制程序的解算功能外，同時還承擔著將數據通過熱備模塊或同步模塊傳輸到“備機”的任務。所以，傳統的雙機熱備系統的CPU掃描時間為解算程序的時間與熱備模塊或同步模塊間數據傳輸時間的疊加，一般為100 ms以上，導致雙機熱備系統的切換時間較長。
施耐德電氣公司的140CPU67160集成了熱備端口，可利用CPU本身完成所有控制程序的解算；同時可利用CPU上的協處理器完成“主機”和“備機”間的數據傳輸功能，這2種功能互不影響。因此，采用Unity Quantum PLC的雙機熱備系統的掃描時間大大縮短，只有20 ms左右，系統切換時間也為20 ms左右。
3.1.2.2.3地址自動切換
雙機熱備系統還提供了多種通信方式，如Mod-bus，Modbus Plus和Ethernet方式，用于完成外部設備、監控計算機、PLC之間的數據交換。施耐德電氣公司的雙機熱備系統為了避免雙機熱備系統在自動切換過程中導致通信中斷，還支持Modbus，ModbusPlus和Ethernet地址的自動切換。即雙機熱備系統在切換過程中，永遠保持設定的地址與“主機”的對應通信端口地址一致，這樣，可保證雙機熱備系統在切換過程中始終可以從“主機”中讀取全部實時數據，保證了控制系統可靠、穩定運行以及實時的數據交換。
3.1.3工業現場總線
在該系統中，Quantum控制站同I/O之間采用S908專用現場總線網絡，通過140CRP93200和140CRA93200專用模塊實現連接，使得分散的控制點能夠可靠地傳送到CPU，進行快速的處理和反應。
3.1.3.1總線特點
圖2為Unity Quantum雙機熱備系統通過S908工業現場總線連接方式。
3.1.3.2總線性能
無中繼器的最遠傳輸距離，同軸電纜4 500 m；分支電纜的最大長度，30 m；訪問方式，生產者／消費者；傳輸速度，1.544 Mbit/s；傳輸介質，75Q同軸電纜；主干電纜類型，剛性、半剛性或柔性電纜，根據距離的需要選擇（采用RGI1，RG6等）；分支電纜類型，柔性電纜( RG6)；遠程站數，31個；使用協議，可靠自有協議（曼徹斯特編碼，HDLC）。
3.1.4模塊技術指標
3.1. 4.1 CPU模塊
解決方案中采用的140CPU67160模塊的性能如下：
(1)采用Pentium II型、32位高速工業處理器芯片，主頻可達266 MHz；
(2) CPU集成2個內存卡插槽，用于擴展內存，滿足大型控制系統的控制要求，內存最多可擴展至17 M：
(3)集成Modbus．Modbus Plus，TCP/IP（熱備端口），USB等多種通信端口和內存卡插槽，便于與其他設備實現數據交換；
(4)集成液晶顯示屏幕，用于顯示系統的運行、故障、通信等狀態信息和設置系統的相關參數；
(5)支持鑰匙開關和多種口令保護，保證系統可靠、穩定運行；
(6)支持實時的多任務操作系統，支持多種控制方式，如快速任務、事件任務、輔助任務、主任務等方式，每條指令處理時間不超過0.045 Fcs；
(7)系統控制能力：開關量可達64 K點，模擬量可達57 K點，支持大量的定點和浮點運算，具有多種PID調節和其他過程控制功能，能夠滿足各種控制工藝要求；
(8)無需編程即可提供多種系統、模塊甚至通道級（模塊的所有通道）的診斷功能。
3.1.4.2電源模塊
Quantum電源模塊有2種作用：向系統底板提供電源，保護系統免遭雜波和額定電壓擺動的影響。所有電源都具有抗過流和過壓保護，它們可以在大多數電氣雜波環境中正常使用，而無需外部隔離變壓器。在發生意外失電時，電源可確保系統有充分時間安全有序地關閉。電源模塊將進入的電能轉換成穩定的+5 V直流，供給CPU、本地I/O和安裝在底板上的任何通信選件模塊使用。
3.1.4.3 110模塊
數字量I/O模塊使用可拆卸的螺釘端子接線。另外，用戶可以使用CableFast完成I/O模塊與現場端子間的接線，節省大量的接線時間和人工費用，并且減少接線錯誤。
(1)工作溫度，0—60℃；濕度，0—95qo（無冷凝）。
(2)所有模板包括電源、CPU和I/O模塊均可在工作狀態下帶電熱插拔，不會影響系統的運行，增強了系統的可維護性。另外，每個模塊都提供了一種機械鍵，用于I/O模塊和相應端子的連接，確保現場接線與模塊類型相匹配，每種模塊都有自己唯一的鍵碼。
(3)所有輸出模塊的每點均可設置為關斷、保持上次值及預定義值3種狀態之一，以確保工藝系統及設備有安全的控制輸出。
(4) PLC的I/O模塊滿足現場監控元件、設備等的輸出信號接收及控制的要求。
( 5)1/0處理系統智能化，可減輕控制系統的處理負荷。I/O處理系統能完成掃描、數據整定、數字化輸入和輸出、線性化、熱電偶冷端補償、過程點質量判斷、設施單位換算等功能。
(6)所有的I/O模塊都標明I/O狀態的LED指示和其他診斷顯示，如模塊電源指示等。
(7)所有I/O模塊均滿足ANSI/IEEE 472《沖擊電壓承受試驗能力導則(SWC)》的規定，在誤加250V直流電壓或交流峰一峰電壓時，不會損壞系統。
(8)所有接點輸入模塊都有防抖動濾波處理。如果輸入接點信號在2 ms之后仍抖動，模塊不應接受該接點信號。
(9)所有的模塊都有自己的連接端子和隔離門，面板的顯示單元提供了模塊和I/O點的信息，有些模塊還有現場接線和保險絲斷的顯示。
(10)上電后，處理器會檢查每個模塊的識別碼是否與軟件配置相吻合，然后激活模塊，防止模塊因為插錯而損壞。
(11)每個模塊都有自己的診斷和狀態位，用于程序的編制。
(12)根據模塊類型配置每個通道，可以配置成電流、電壓、熱電阻，熱電偶輸入，具有線路斷線和顯示超限報警功能。
(13)模擬量I/O模塊使用可拆卸的螺釘端子接線。另外，用戶可以使用CableFast完成I/O模塊和現場端子間的接線，節省大量的接線時間和人工費用，并且減少接線錯誤。
(14)另外，上電后，處理器會檢查每個模塊的身份號是否與軟件配置相吻合，然后再激活模塊。防止模塊因為插錯而損壞。
3.1.5軟件升級部分
原有程序在984環境下編譯而成，隨著CPU的升級換代，編程環境也隨之升級到Uruty編程平臺下。
3.2 測量信號通道重新配置
將同一保護的信號分布在不同模件上，包括汽包水位高、汽包水位低、爐膛壓力高、爐膛壓力低，降低保護誤動作的風險。
3.3對電源系統進行完善
(1)將電源電纜直接從切換裝置敷設到FSSS機柜，并將火檢柜與FSSS機柜電源環到一起，實現雙路供電功能。
(2) FSSS機柜內PLC電源采用雙路電源，分別控制PLC 1和PLC 2，2個重要電源檢測開關將熱工和電氣保護設備分開。
(3)2個一般檢測電源將熱工和電氣就地設備分開。
(4)增加空氣開關單獨取電源。
(5)從熱控電源盤直接給油槍程控柜供電；采用2路空氣開關分別給2個穩壓電源供電，以達到雙路供電的目的。
3.4對控制邏輯進行完善
(1)爐膛壓力保護投切采用軟手操方式：在DCS加投切保護軟開關，并增加有跳閘條件無法投入保護邏輯。
(2)從DCS機柜拉電纜引汽包水位高3和汽包水位低3信號到FSSS機柜內，程序中做三取二邏輯并增加有跳閘條件無法投入保護邏輯。
(3)在探頭冷卻風出口母管上增加1個測點，加裝探頭冷卻風壓力低聯鎖開關。
(4)增加有保護壓力開關故障顯示邏輯，送熱工立盤顯示。
(5)將原探頭冷卻風壓力低開關信號直接送到熱工信號立盤，做熱工信號報警(定值3 500 Pa)。
3.5對電纜進行完善
(1)原控制柜電纜老化且多無屏蔽層，已不能滿足現代控制系統要求，全部更換為屏蔽電纜。
(2)安裝接地銅排，從電氣接地銅排處重新敷設接地電纜。
4、結束語
整個系統改造完畢后，華電能源股份有限公司哈爾濱第三發電廠技術人員進行了系統的在線功能測試，包括從輸入信號到輸出信號的通道測試、跳閘功能測試、首出記憶功能等的測試。測試結果如下：
(1)新的控制系統可操作性強，在線更改組態方便；
(2)具有在線監視輸入、輸出信號功能，有在線強制信號值功能，便于系統調試；
(3)具有雙路電源切換的功能，當一路電源故障時系統仍能正常擔負機組的保護功能；
(4)鍋爐跳閘信號首出記憶功能正確，正確率達到了100%；
(5)通過對電源設備的完善，為滅火保護系統的穩定運行提供了可靠保障；
(6)通過對控制邏輯的完善，可防止保護拒動和誤動事故情況的發生；
(7)通過更換屏蔽電纜、加裝接地銅排，保證了滅火保護系統的抗干擾性。
通過優化，成功地提高了滅火保護系統的可靠性，減小了日常維護量，實現了設計目標，富通新能源不但生產銷售生物質鍋爐，而且還銷售生物質鍋爐燃燒專用的生物質顆粒燃料。
