电站顺序控制系统SCS方案设计与分析.docx
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电站顺序控制系统SCS方案设计与分析
电站顺序控制系统（SCS）方案设计与分析
1.基本介绍：
单元机组分散控制系统DCS按照功能分散和物理分散相结合的原则设计，DCS的功能包括数据采集系统（DAS），模拟量控制系统（MCS），顺序控制系统（SCS），和锅炉炉膛安全监控系统（FSSS）.为了便于DCS的物理分散原则的具体实施，DAS系统，MCS系统和SCS系统的简单回路统一考虑控制器和I/O配置。
顺序控制系统（SCS）包括锅炉、汽机的主要辅机设备及系统的控制、联锁、保护功能，SCS设计为功能组级，功能子组级和驱动级三级控制的层次性结构。
其对锅炉、汽轮机和发电机三大主机及其相关辅助设备进行控制,其核心作用是安全可靠地启动、停止、联锁保护三大主机及其辅助设备,保证安全运行。
2.顺序控制系统的设计原则：
顺序控制系统是以顺序控制为主的一类控制系统，按顺序切换的条件可分为时间顺序、逻辑顺序和条件顺序等三类。
时间顺序控制系统以时间作为顺序的切换条件，如交通信号灯的控制。
逻辑顺序控制系统以逻辑先后次序作为顺序切换的条件，如流体输送系统中，开车时先开后级设备再开前级设备，停车时先停前级设备再停后级设备。
条件顺序控制系统以生产过程的条件为依据，当某条件满足时执行某命令和动作．该条件不满足时执行其他相关的命令或动作。
顺序控制系统与连续生产过程中常规控制系统有所不同．在设计时应根据顺序控制和过程的特点遵循有关的原则。
下面给出了一些主要的设计原则。
2．1物料输进设备的开停车顺序控制设计原则：
为了使物料输送正常，在设计时必须满足开车时先开后级设备，在顺序控制系统接收到后级设备运行的反馈信号后才能开前级设备，直到整个生产过程运行。
在停车时应先停前级设备．在接收到前级设备停运的反馈信号后才能停运后级设备。
此外，在物料输送过程中由于传送过程的时间滞后，应在设计时考虑相应的滞后时间，以保证不发生物料堆积等事故。
2．2机泵开停车顺序控制设计原则：
为了使机泵正常运行，在机泵运行前应使泵体充满流体，为此设计泵的出口管是垂直向上的。
在顺序控制设计时，应遵循泵运行前先关泵下游的控制阀，等泵运行后再开泵下游阀的顺序设计。
停泵后是否关闭泵的下游阀，则应当根据生产过程的要求确定。
2．3紧急停车设计原则：
顺序控制系统的紧急停车是指在顺序控制系统运行过程中，由于某些原因需要紧急停止系统的运行而设置的停车系统。
顺序控制系统紧急停车是安全生产所必须的，在顺序控制系统设计时必须考虑。
由于这类系统通常由一些过程步组成．因此根据顺序功能表圈的设计思想，在每个过程步都有可能发生紧急停车的要求。
为此，紧急停车的设计原则如下。
1）在每个过程步中都需设置紧急停车的判别条件，以识别是否有紧急停车的操作要求：
这表明在每个过程步的转换条件中都应设置紧急停车的信号按钮，当需紧急停车时能满足转换条件而进入紧急停车子程序。
2）设计的紧急停车子程序应能使生产过程处于安全的操作条件：
通常设计的紧急停车子程序是与顺序控制系统停止运行的操作条件相一致的。
如紧急停车子程序的操作容包括：
关闭进料和出料的控制阀，打开安全放空阀等。
3）对紧急停车按钮应设计二次确认，以防止误操作：
对紧急停车和重要的设备运行和停止，设置二次确认是安全生产所必须的。
它也是容错设计的重要容。
4）为了保证安全，在一些重要的操作过程中，设计独立于Dcs的紧急停车系统是必要的：
从安全角度出发，设置独立的紧急停车系统就是设计与原顺序控制系统并行的硬件紧急停车系统。
在顺序控制系统的紧急停车系统失效时，能通过该系统来停止系统的运行，防止事故的发生。
2．4再启动系统的设计原则：
为使顺序控制系统能在紧急停车后直接从紧急停车时的过程步重新开始执行，设计再启动系统是必要的，它与紧急停车系统是相互关联的。
如在反应过程中，由于某一阀门故障实施了紧急停车，但在故障排除后生产过程不应从头开始，通过再启动系统就可方便进入所需的操作状态。
因此，在顺序控制系统的每个过程步设计从初始步转到该步的转换条件是必要的。
有时也可设计各过程步问的转换条件，使顺序控制系统经各自的前导步进入该步。
所设计的转换条件可以是软按钮或开关，也可以用硬按钮或开关输入。
在设计中应考虑转换条件的正确性和合理性，如转换条件应包含手动开关，以保证再启动系统能在手动状态进行。
2．5顺序控制系统画面的设计原则：
顺序控制系统的操作画面应能反映顺序控制执行过程的状态变化，因此与一般的过程流程画面设计有所不同。
顺序控制系统画面通常采用流程表图的形式，以生产过程的流程为主线，把整个生产过程分为若干过程步，每步包含一些控制阀、电机等设备的开停等操作。
它的各步与设计顺序控制系统所采用的功能表图中的各步一一对应，因此可清楚地了解过程中各设备运行的状态．有利于设计人员、操作人员和管理人员的思想沟通。
2．6顺序控制系统中联锁系统的设计原则：
一般的联锁系统是指在联锁状态系统在达到某一条件时自动执行某一命令或动作；在非联锁状态则不执行有关的命令或动作。
如在压缩机润滑油系统油压低的持续时间达到3s时，联锁状态能停压缩机，而非联锁状态则压缩机不停。
在顺序控制系统中的联锁系统则是指过程步的转换是自动进行还是手动进行。
如当液位低到某极限值时．在联锁状态则自动进入下一个过程步骤，而非联锁状态则停在原过程步骤。
因此为了使生产过程正常运行，设置相应的联锁系统是必要的。
应与工艺技术人员共同确定联锁的条件，设计相应的联锁、非联锁开关信号和联锁、非联锁输出信号，必要时还应有硬件的联锁系统以保证联锁的正常动作。
联锁的先后次序、联锁的状态及它对顺序控制系统的影响等，均应在操作画面上显示；重要的信号要有预警和报警；重要的操作要有双重确认等。
3.顺序控制的PLC梯形图程序设计
使用起保停电路的编程方法
（一）单序列的编程方法
图1所示小车在初始位置时中间的限位开关x1为“l”状态，按下启动按钮X4（见图2），小车按图1所示的顺序运动，最后返回并停在初始位置。
该控制的SFC和用起保停电路设计的梯形图见图2。
图2中梯形图设计的关键是确定起保停电路的起动和停止信号。
以M20为例，步M20变为活动步的前提是前步M23为活动步与转换条件X1满足，即将M23和xl的动合触点串联作为M20的起动电路，并且PLC开始运行时应将M20置为ON，否则系统无法工作，故将M8002的动合触点起动电路并联，同时应并联M20的自保持触点。
后一步M21的动断触点与M20的线圈串联，M21为ON时M20的线圈断电。
按上述方法和SFC，很容易画出梯形图。
在此应注意某一输出量仅在某一步中为ON（如Y1），可将它的线圈与对应步的辅助继电器并联。
如某一输出继电器在几步中均为ON（如Y2），应将各有关步的辅助继电器的动合触点并联后，驱动该输出继电器的线圈，这样避免了双线圈输出。
图1小车运动示意图
图2小车运动的SFC和梯形图
（二）选择序列的编程方法
自动门控制系统，当人靠近自动门时，感应器X0为ON，Y0驱动电动机高速开门，碰到开门减速开关X1时，变为减速开门；碰到开门极限开关X2时电动机停转，开始延时，若在0．5秒感应器检测到无人，Y2启动电动机高速关门。
碰到关门减速开关X4时改为减速关门，碰到关门极限开关X5时电动机停转。
在关门期间若感应器检测到有人，停止关门，T1延时0．5秒后自动转为高速开门。
该控制的SFC和梯形图如图3所示。
图3自动门控制系统的SFC和梯形图
对于上述选择序列编程的关键在于对它们的分支和合并的处理，转换实现的基本规则是设计复杂梯形图的基本规则。
图3中，M24之后有一个选择序列的分支，设M24是活动步，当它的后续步M25或M26变为活动步时，M24都应变为不活动步，所以应将M25和M26的动断触点与M24的线圈相串联。
如果某一步后有N个后续步，则应将各后续步对应的辅助继电器的动断触点与该步的线圈相串联，作为结束该步的条件。
M21之前有一个选择序列的合并，当M20为活动步且转换条件X0满足，或M26为活动步并且转换条件T1满足，M21都将变为活动步，即代表该步的辅助继电器M21的起动条件应为M20·X0+M26·T1，对应的起动电路由两条并联支路组成，每条支路分别由M20、X0和M26、T1的常开触点串联而成。
一般来说，对于选择序列的合并，如果有N条有向连线进入某一步，则代表该步的辅助继电器的起动电路由N条支路并联而成，各支路由某一前级步对应的辅助继电器的常开触点和与相应转换条件对应的触点或电路串联而成。
（三）并行序列的编程方法
按钮式人行横道的交通信号灯示意图如图4所示，与图4相对应的SFC和梯形图如图5所示。
图4人行横道的交通信号灯示意图
图5人行横道交通信号灯控制系统的SFC和梯形图
图5中M20后有一个并行序列的分支，当M38为活动步且转换条件M10满足，或M20为活动步且转换条件X0满足，M31和M35应同时为活动步，因此31和M35的起保停电路使用同样的起动电路。
在图5中虚拟步M38之前有一个并行序列的合并，该转换实现的条件是M38所有的前级步M34和M37均为活动步和转换条件T5满足，因此，将M34、M37和T5的动合触点相串联，作为控制M38的起保停电路的起动电路。
（四）意义：
起保停电路的编程方法借鉴了电气控制中电动机长动的起动、停止电路的设计方法。
以转换为中心的编程方法中代表步的辅助继电器的置位、复位。
设计方法相同，而且编程中思路清楚、容易掌握。
起保停电路仅由触点和线圈组成，各种系列、型号PLC的指令系统都有与触点和线圈有关的指令，因此使用起保停电路编程方式的通用性最强，可以用于任意一种型号的PLC；以转换为中心的编程方式和仿STL指令的编程方式使用置位、复位指令，各种PLC都有置位和复位指令，这两种编程方式的应用围很广。
4.举例局变电站
4.1局变电站的监控系统现状
供电局现有500kV变电站1座，220kV变电站10座，110kV变电站58座。
按自动化程度可分为常规变电站、综合自动化变电站和基于IEC61850框架的数字化变电站三类。
4.1.1常规变电站
常规变电站的信息需要由操作人员监视、分析、判断、管理，并手动进行控制、操作。
常规变电站必须有人工参与才能完成操作，不具备实现变电操作顺序控制的条件，已逐渐被综合自动化变电站所替代。
4.1.2综合自动化变电站
综合自动化变电站系统多采用分层分布式结构，划分为变电站层、间隔层和过程层。
系统按照变电站间隔进行设计，将间隔所需要的全部数据采集、保护和控制等功能集中由一个或几个智能化测控单元完成，测控单元之间通过网络连接。
综合自动化变电站的测控系统具备简单的与或逻辑闭锁功能，甚至集成了可编程逻辑模块，也有应用在变电站测控和保护的PLC产品，具备实现顺序控制的基础。
4.1.3基于IEC61850框架的数字化变电站
数字化变电站由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在IEC61850通信标准基础之上，能够实现变电站智能电气设备间信息共享和互操作。
其信息采集、传输、处理、输出过程完全数字化，其基本特征为设备智能化、通信网络化、运行管理自动化。
与综合自动化变电站相比较，数字化变电站将保护、测控、计量、监控、远动、VQC等融为一体，成了系统间隔层，取消了独立的保护回路，变电站二次回路中常规的继电器及其保护逻辑回路被可编程程序代替。
数字化变电站的变电站层和间隔层的IEC61850网络结构与大型PLC系统非常相似，并集成了符合IEC61131-3规的PLC编程工具，变电站设备保护和操作闭锁逻辑都可编程实现，因此，可以实现变电操作顺序控制。
4.2倒闸操作顺序控制实现方法
数字化变电站可以方便地实现顺序控制，但改造数字化变电站的成本很高，且数字化变电站应用实例不多，数字化保护时延和可靠性等方面都有待检验。
在此提出综合自动化变电站实现顺序控制的方法，既不需太高成本，又不改变系统结构。
倒闸操作不需要严格的瞬时性，因此可在间隔层中增加硬件的方式来实现。
这种方式下利用PLC的通信功能及其在顺序控制方面的优势，采用成熟的PLC产品，选择分布式或集中式的结构，通过网络访问系统中间隔测控装置，获取电流、电压断路器、隔离开关分合位置等状态信息，并将这些信息在PLC的静态存当中建立映射数据库，PLC对其进行周期性扫描更新。
分布式结构以间隔为单位，在间隔配套1个PLC与该间隔的测控装置进行独立通信。
该PLC需要建立的映射数据库比较小，对存的要求不高。
其特点是每个顺序控制都有独立的PLC控制器，即使其中一个控制器出现问题，也不会导致全部顺序控制功能失效。
缺点是间隔数量增多时，需要的控制器数量也会增多，成本和网络地址消耗也会增大。
集中式结构是指利用网络数据共享，在整个综合自动化变电站采用1个或2个PLC控制器作为整个变电站的顺序控制器。
这要求PLC控制器有较高的运算处理能力和较大的静态存容量。
与分布式结构相比，集中式结构的控制器一旦出现问题便会影响到整个顺序控制功能的实现。
PLC控制器退出运行不会影响到原系统的运行，顺控功能与站测控、保护具有硬件独立性，系统可靠性得以保障。
用PLC控制器来实现顺序控制面临的主要问题是网络互连问题。
当前综合自动化变电站的通信广泛采用DL/T667－1999传输规约，与PLC采用的工业通信规约（Modbus、Profitbus等）不兼容，需要使用规约转换器进行互连。
目前部分测控装置已简化网络结构，整合了PLC功能。
也有部分PLC控制器采用了多规约通信，以实现PLC在变电站的应用。
4.3PLC实现倒闸操作顺序控制
倒闸操作有：
运行转热备用、运行转冷备用、运行转检修、热备用转冷备用、热备用转检修、冷备用转检修等操作及其反向操作。
操作中的每一步都有严格的逻辑顺序，区别在于操作的步数和每一步判断条件不同。
首先需要在测控装置存建立间隔状态信息数据库，包括间隔电压、电流、断路器、隔离开关状态和与顺序控制程序人机交互的变量等。
测控装置需要增加操作指令变量、停止指令变量、信息确认变量，程序状态变量、步序状态变量、步序执行超时告警变量等，用于对顺序控制程序监控和上位机画面组态。
PLC从测控装置中读取与倒闸操作有关数据，保存在静态存区中，按周期扫描测控装置数据库变量，对PLC数据库进行同步，并将相关状态变量写入到测控装置数据库，系统数据流如下图所示。
操作人员从上位机置位操作指令变量，PLC扫描到变量变位后便执行顺序控制程序，顺控程序的流程图如下图所示。
操作人员通过置位停止指令变量来中途停止顺序控制。
每完成一步操作，PLC就会依据典型操作票的检查项目进行逻辑与判断，只有这些项目都满足了才能进入下一步操作，特殊步序，如负荷分配情况等可以经操作员手动确认。
检查的项目可以冗余，以提高判断的准确性。
程序执行过程中如果遇到反馈条件不满足状态判断条件的情况时，程序经延时置位执行超时告警信号，提示操作人员核对状态，然后再进行继续操作或跳出顺序控制的选择。
PLC不设置输入输出（I/O），断路器和隔离开关的操作指令经网络置位测控装置的相应指令变量，驱动出口继电器，继电器触点经压板并入手动操作回路。
顺序控制操作仍然接受五防逻辑闭锁，与原系统保持一致性。
5.总结
顺序控制在工业自动化中应用广泛，技术很成熟，随着技术发展，顺序控制也可以应用到变电站的操作之中，实现变电站操作自动化。
顺序控制通过冗余状态判断提高了操作后判断的正确率，采用固化逻辑判断，降低人为误判的可能，设备状态在线判断减少操作人员来回检查设备状态时间，降低了操作人员的劳动强度和操作时间，缩短停电时间，从而提高供电的可靠性。
PLC实现的顺序控制经测控出口，不改变变电站综合自动化系统的结构，保护依然独立工作，系统的可靠性得以保证。
6.参考文献
【1】杜凤叶东北电力技术2010年8期
【2】计算机控制技术与系统，大中主编，：
中国电力2009.
【3】俞光昀等计算机控制技术电子工业
【4】奇逊.变电站综合自动化技术发展趋势.电力系统自动化，1995.19（10）
【5】王海猷，贺仁睦变电站综合自动化监控主站的系统资源平衡.电网技术，1999.23（3）
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