一种工业控制系统单点保护优化方法

一种工业控制系统单点保护优化方法

曾旭升

(国电肇庆热电有限公司广东肇庆526000)

摘要：本文以发电厂设备为例介绍了单测点保护优化方法，在无法增加冗余测点的情况下，尽可能提高单测点保护的可靠性。优化后的逻辑具备较强的防误动能力，同时不增加拒动风险。

关键字：单点保护可靠性DCS

前言

安全、稳定、经济运行是各发电厂追求的目标。发电厂里有许多设备在设计上只有单独的测点，没有考虑测点冗余。例如前置泵前后轴承温度、磨煤机轴承温度等，甚至一些老旧汽轮机的轴位移、胀差都是只有一个测点。这些重要设备一旦保护误动将会导致发电机组甩负荷或者停机。热工技术监督要求具备条件的保护需要改造成三取二或者二取二，由于设计上不能增加冗余测点的需要有防误动措施。因此，针对单测点的保护逻辑进行优化既是技术要求，也具有很现实的意义。

根据测点类型，可以分为模拟量测点和开关量测点。常见的模拟量测点有温度、物位、压力、振动、位移等。常见的开关量测点有阀位全开或全关信号、设备的运行或停运信号等。

1模拟量单测点优化

模拟量测点优化主要从测量值变化速率、测点品质考虑。一是元件物理特性决定了它最大的变化速率，二是测量目标介质的工艺特性决定了其变化率在一定范围，三是测量卡件对于该测点品质的判断。下面以Pt100热电阻测点为例。在温度出现阶跃变化时，热电阻的输出变化至相当于该阶跃变化的50%所需要的时间为热响应时间，是工业热电阻主要技术指标之一，用τ0.5表示。其热响应时间受感温元件，保护管材质和直径的影响较大。资料显示，当不锈钢保护套管直径为φ12mm时，τ0.5﹤45秒，实际响应时间需要通过实验得出。若以5秒计算，正常情况下测点环境温度由25℃在突然变化至125℃时，变化100℃，那么测量值由25℃到达75℃需要5秒，即极限输出值变化率为10℃/秒。不同规格型号的热电阻这个极限值不一样，但一定存在极限值。测量目标介质的工艺特性决定了介质的温度变化速率范围。例如，轴承金属温度，当轴瓦摩擦时，发热升温后通过金属传导给热电阻，这个过程也有个极限值。又如润滑油温度，1秒内变化基本不会大于10℃。不同测量目标介质有不同的极限速率值。关于极限速率值的取得，需要做实验和研究查证，另文研究，在此不再敖述。除非确有必要，否则建议不修改原有速率定值。

1.1原有逻辑

图1模拟量测点原有逻辑

1.2原有隐患

该逻辑可以实现信号第一次突变时，保护输出为“0”。但是当信号反复波动跳变时，会“欺骗”HP模块，保护输出为“1”，引起误动。许多电厂多次发生过此类事件。

1.3优化方法

下面以国电智深DCS系统作说明。

测点品质异常。使用品质QCA模块判断（可以判断超时、断线、信号越限等），当测点为“非好点”时，切除保护并发出声光报警。在异常消除后方可手动投入保护。

测点速率异常。使用速率V模块判断，当测点速率超过设定值时，输出速率超限的开关量。同时切除保护并发出声光报警。在异常消除后方可手动投入保护。

1.4优化后逻辑

图2模拟量测点优化后逻辑

除了做上述逻辑外，还必须注意以下细节，否则将不能实现预期功能。

品质判断QCA模块设置为监视“非好点”。

留意该逻辑页的扫描周期。以500mS为例，假如速率限制模块设定值为6/秒，那么逻辑判断上实际上是以500mS内前后变化值的绝对值不大于3作为判断标准。例如，前值为100，经过一个扫描周期500mS后变为103.1，再经过一个扫描周期500mS后变为103.2。如此，因为第一个扫描周期变化率大于3，速率模块是会判断为速率超限的，即使1S内只变化了3.2，小于设定值6/秒。

SR触发器设置为“RESET复位优先”。这是防止在异常未消除时误投入保护的技术措施。

必须确保算法扫描顺序符合信号流程，否则将出现测点异常时保护未切除直接动作的情况。图2中#1-#9是一个正确的算法扫描顺序：#1品质判断模块→#2速率判断模块→#3键盘模块→#4“或”模块→#5取非模块→#6SR触发器模块→#7取非模块→#8高限带速率保护判断模块→#9“与”模块。

2开关量单点优化

开关量优化主要从信号的可靠性考虑。互斥的信号可以相互增强可靠性。例如，设备的运行和停运信号必定互斥。阀门的开位和关位在阀门正常开关时间之外的时间也必定是互斥。此外，设备的开关量可靠性还可以采用电流、电压等进行辅助判断。

下面以国电智深DCS系统作说明。

2.1原有逻辑

图3开关量测点原有逻辑

2.2优化方法

设备运行与停运信号同时存在，认为设备状态异常，切除保护并发出声光报警。在异常消除后方可手动投入保护。

阀门全关和全开信号同时存在或者同时消失超过阀门开关行程动作时间t秒，认为阀门开关位信号异常，切除保护并发出声光报警。在异常消除后方可手动投入保护。

2.3优化后逻辑

图4开关量测点优化后逻辑

此逻辑中SR触发器设置为“RESET复位优先”。必须确保算法扫描顺序符合信号流程，否则将出现测点异常时保护未切除而直接动作的情况。图4中#1-#10是一个正确的算法扫描顺序。阀位如果有具体的开度信号也可以加入逻辑作为一个参考。在保护输出前增加的延时模块，延时时间需要研讨，避免信号抖动引起误动，同时又不会造成设备损坏。

3结论

本文借鉴了同行业关于单点保护误动问题的解决思路，介绍的两种单点保护优化方法。在无法增加冗余测点的情况下，能有效降低单测点保护误动的风险，通过设定合适的参数，也不会增加拒动的风险。在实际应用中，需要特别留意正确的算法扫描顺序，否则将不能实现降低误动风险的目标，甚至增加误动和拒动的风险。

参考文献：

王大为. 火力发电厂分散控制系统应用基础[M]. 北京: 中国电力出版社, 2007

火电厂温度保护信号可靠性分析与改进[J].高建军,张凯.电力科学与工程.2012(12)