程控保护

第十章热力设备顺序控制与保护系统
现代大型发电机组的特点是大容量、高参数、单元制运行。

与此相对应的控制系统发展成为集中式控制。

在集中式控制中，炉、机、电的控制盘设置在同一个集中控制室内，机组的全部控制指令都从集中控制室里发出，形成了远方控制的形式。

当机组主设备容量增大时，辅机的数量和容量也在增大，随着热力系统的复杂化，出现了新的问题：即远方操作的数量急剧增加。

致使控制台盘上的操作按钮和显示设备也急剧增加。

这种情况既增加了运行人员的劳动强度，也使误操作的可能增加了，影响了机组的安全经济运行。

另外，伴随着主辅机容量的增大，主辅机的价格也趋于昂贵，发生事故后所造成的经济损失也会增大。

为了避免事故、特别是恶性事故的发生，所以当前发电机组的控制系统都配备了顺序控制和热工保护设备，以满足大型机组所必须具有的高自动操作水平和高可靠性的需要。

第一节顺序控制和热工保护的基本知识
一、顺序控制的概念
电厂中很多任务是多个设备协作共同完成的。

而且某个设备的工作状态，又和其他设备的状态及系统中各部分的参数有着密切关系，对于相互之间较简单的关系，可以采用联动控制技术，但是对于较复杂的联系，各个控制对象之间的操作顺序既严格又有很多变化的情况，采用简单的联动技术就不能实现控制目的。

此外，生产过程中并不是每项控制动作的结果都能用直接方法检测到的，有时就用发出控制命令后的时间来间接表示控制动作的结果。

因此，被控设备的动作有时就不仅只按条件进行，还要按照前一个动作的持续时间进行。

顺序控制系统就能解决上述问题，顺序控制就是根据生产工艺的要求，对开关量进行有规律的控制。

即按生产过程的要求预先规定好动作顺序，在各种输入信息的作用下，使各被控对象有步骤地自动工作。

在顺控系统中，操作条件的检测部件和回报信号的检测部件发出开关量信号，经信号单元处理后送到顺序控制装置，控制装置的输出送到执行部件。

顺序控制有下列特点：
1、为了完成某一特定任务，常常需要进行多个被控对象的多步动作控制。

2、动作有一定的先后顺序，而且不随意改变。

3、控制动作有时不仅根据条件进行，还要根据前一个动作的持续时间去进行。

4、有专用的控制装置来完成控制任务。

顺序控制也称为程序控制，是一种开关量信号控制技术。

在火电厂中主要用于主辅机的自动启停过程及局部工艺系统的运行操作。

火电厂中主要的顺序控制系统有：水化学处理、输煤系统、锅炉吹灰、锅炉的燃烧系统、锅炉的排污系统、机组的自动启停等等。

（一）、程序控制技术中的基本概念
1、步：对于一个过程循环，可以将其分解成若干个明确的阶段，称为“步”，步和步
之间由“转换”分隔，当转换条件满足时，进行转换，表示上一步的结束和下一步的开始。

2、活动步与非活动步：当一个步处于活动状态时，相应的命令或动作即被执行，对控制器来说，一个活动步能导致一个或数个命令，而对被控器，一个活动步则导致一个或数个动作。

步的状态可用逻辑值“0”和“1”来表示，“1”表示活动步。

3、转换条件：是指与每个转换相关的逻辑命题。

如果存在一个相应的逻辑变量，则当转换条件为真时其值为“1”。

转换条件可用三种方式表示：文字语句、逻辑表达式和图形符号。

4、操作条件：也称一次判据，是转换条件之一，为某一步活动之前所应具备的先决条件。

当转换条件满足才允许控制器发出操作命令。

5、回报信号：也称为二次判据，也是转换条件之一，当某一步为活动步时，被控器完成该项目后，反馈给控制器的信号，用以反映操作命令的执行情况。

在步的转换过程中，回报信号也可能作为下一步的转换条件，用以决定步的进展。

6、联锁条件：被控制器的控制电路中可以接入联锁条件，它是使被控对象启动的条件，当联锁条件出现时，应立即起动被控对象。

7、闭锁条件：被控制器的控制电路中可以接入闭锁条件，它是使被控对象停止的条件，当闭锁条件出现时，应禁止起动被控对象。

或者说，只有当闭锁条件不存在时，才有启动被控对象的可能。

8、联动控制：也称为联锁控制或简单程控，它是根据被控对象之间的简单逻辑关系，利用联锁条件和闭锁条件将被控对象的控制电路按要求互相联系在一起，从而实现自动操作。

9、顺序控制系统：用以完成顺序控制过程的所有装置和部件。

（二）、顺控系统的分类
1、按系统工作方式分类
①、开环方式：控制器发出操作命令后，不要求有回报信号的反馈，控制器仍能继续发出下步命令，下步命令通常是按时间顺序发出的。

②、闭环方式：控制器在发出下步命令之前，要求将前步的回报信号反馈回来，控制器依据操作条件和回报信号这两类输入信号控制程序的进行。

2、按程序步转换条件分类：
①、按时间转换：根据时间进行程序步的转换，控制器主要由计时部件构成，并按时间顺序发出操作命令，程序步的转换完全依据时间确定，通常是开环工作方式。

②、按条件转换：在条件满足的情况下，才能够执行着该步的操作，上步的回报信号是本步操作的条件之一，因此在程序进展中，步的转换是依据条件而定的。

按条件转换方式的控制系统是闭环工作方式。

③、混合式转换：在这种控制系统中，有的程序步是按条件转换的，有的程序步是按时间进行转换的，有的程序步是两者均为转换条件的。

3、按逻辑控制原理分类：
①、时间程序式：每一程序步按事先确定的时间顺序进行。

②、基本逻辑式：采用基本的逻辑电路构成具有一定逻辑控制关系的控制器，当输入信号符合预定的逻辑运算关系时，相应的控制命令就发出。

③、步进式：整个控制过程分为若干个程序步，在任一时刻只有一个程序步电路在工作。

程序步的进展有明确的顺序关系，控制器根据条件信号或设定的时间发出程序步的转换信号。

4、按控制器的逻辑可变性分类：
①、固定程序式：控制器的逻辑是不能改变的，若要改变控制逻辑，只能用更换元器件和接线来实现（更换控制器）。

②、矩阵式：控制器具有一定通用性，它利用改变二极管在矩阵上的插焊位置，可以较灵活地变更控制逻辑，以满足不同程序的要求。

③、软件编程式：利用微机或可编程控制器组成控制器。

可用软件来改变控制程序，这种方式更改控制逻辑更加方便。

5、按使用的逻辑器件分类
①、继电器控制：继电器控制逻辑始于40年代，是一种最早的逻辑控制器件。

②、晶体管控制：以晶体管和分立元件构成的逻辑控制器。

③、集成电路控制：以集成数字电路为主构成的逻辑控制器。

④、可编程控制逻辑：由微机或可编程控制器加软件构成逻辑控制器。

目前在火电厂中应用比较广泛的程序控制装置和系统的情况是，正在由继电器等等的控制装置向可编程控制器发展，控制原理主要是基本逻辑式的和步进式的。

某个顺控系统所达到的水平，主要取决于以下三方面：主设备的可控性；执行机构所具备的功能；顺控装置的功能。

必须对这三方面进行全面考虑，才能实际提高系统的控制水平。

二、热工保护的概念
热工保护系统是通过对机组的工作状态和运行参数进行监视和控制来起保护作用的。

热工保护系统也属于开关量控制系统。

在机组正常工作时，保护系统不起任何作用。

当机组发生异常时，保护系统应能及时发出报警信号，必要时能自动启动或切除某些设备或系统，使机组仍然维持运行。

若发生了重大故障而危及机组设备的安全时，保护系统能自动停止机组运行，以避免事故的进一步扩大。

热工保护有时是通过联锁控制实现的。

联锁就是将被控对象通过简单的逻辑关系连结起来，使这些被控对象发生联锁反应。

因此热工保护系统有时也称为联锁保护系统。

（一）、热工保护动作的分类
热工保护的动作可分为两大类，即工况保护和危机保护（参数已达危险的极限）。

它们的区别是：当主、辅机发生故障，运行参数超出允许范围时，工况保护回路首先动作，投入备用设备或限制机组的负荷，它的动作目的是维持机组继续运行。

但是，当工况保护回路或其他自动控制系统处理事故无效，致使机组设备处于危险工况时，就只能被迫进行危机保护，即跳闸处理，使机组的局部或整套机组停止运行。

跳闸处理的目的是防止机组产生机毁人亡的恶性事故，所以危机保护是热工保护中最极端的保护手段。

两类保护的共同
点是当机组运行参数正常时都不动作。

对上述两种保护的不同点归纳如下：
①、两类保护保证安全的程度不同。

工况保护的目的是维持运行，危机保护的目的是防止事故扩大。

②、两类保护动作的结果不同。

工况保护动作后机组能维持运行，危机保护动作后机组的局部或整套机组停止运行。

③、动作后的经济损失不同。

发电厂停产后的损失当然要比机组维持运行时大。

显然，根据两类保护动作的特点，我们知道对两类保护的可靠性要求也不同，对危机保护的可靠性要求更高。

三、开关量变送器的特性
在顺控和保护一类的开关量控制系统中，系统的输入和输出都是开关量。

开关量信号的获取或是由模拟量变送器的输出经鉴幅后得到，或是由开关量变送器直接取得。

开关量
变送器的结构简单、体积较小、中间转换环节少、可靠
性高，因此被广泛地应用在开关量系统中。

开关量变送器的基本原理是，将被测参数的设定值
转换为触点信号。

实际上开关量变送器就是一种受控于
被测量的开关，因此也称为开关。

由于开关量变送器的
触点是跳跃变化的，具有继电器特性，因此也称为继电
器。

当被测参数上升（或下降）到达某一规定值时，开关量变送器发出相应信号，这个规定值称为它的动作值。

当参数重又下降（或上升）到达原动作值或比原动作值稍小（或稍大）的另一个数值时变送器发出的信号复原，这个值称为复原值。

动作值和复原值之差称为差值。

变送器的动作值和差值一般可根据需要调整，但有些变送器的参数是固定的，不能由用户调整了。

开关量变送器的特性如图10-1所示。

开关量变送器的主要品种有：位置开关、压力开关、差压开关、流量开关、液位开关、温度开关、光线开关等等。

在开关量控制系统中设定一个差值通常是必要的，可以防止被测参数在规定值附近波动时引起执行器的频繁跳跃。

总之，程序控制和热工保护均是开关量控制系统，系统的输入和输出都是开关量。

保护是一种自动控制手段，在机组正常运行时它不动作。

而当主、辅设备或电网发生故障时，热工保护装置能使机组自动进行减负荷、改变运行方式或停止运行，在安全运行的前提下，尽量缩小故障的影响范围。

而顺序控制可以自动完成有严格操作顺序和复杂联系的多步操作，减轻运行人员的劳动强度及可能发生的误操作，提高机组的自动化水平。

第二节顺控装置的基本原理
顺序控制装置作为控制器的核心，一般来说应具有如下功能：
①、存储控制程序；
②、在条件满足时，执行程序；
③、除按程序自动操作外，还可手动操作，提供跳步和选步功能；
④、提供良好的人机联系；
⑤、具有自检功能；
⑥、与保护系统连动，在故障时可以中断或复位程序。

下面分别对目前较常用的继电器式、固态逻辑式、二极管矩阵式程控装置及可编程控制器的基本工作原理进行介绍。

一、三种基本逻辑电路
（一）、继电器构成的逻辑电路
由继电器构成的“与”、“或”、“非”基本逻辑电路如图10-2 a）、b）、c）所示。

这三种逻辑电路，可以实现逻辑代数的主要运算，能组成各种控制电路的基本环节。

继电器式的基本逻辑电路，它们的工作原理一目了然，不再赘述。

但用继电器构成的顺序控制装置，它的控制逻辑不容易变更。

（二）、二极管矩阵电路的基本工作原理
为了增加顺控装置的通用性和灵活性，人们又研制出了可以比较方便地改变控制程序的开关量控制器，它的主要部件是矩阵板，改变二极管在矩阵板上的位置，就能改变控制程序。

1、矩阵板的结构：矩阵板一般是由双面印刷电路板构成。

其一面分布着多条水平导线，另一面分布着多条垂直导线。

在这两组导线上的非交叉点处打孔留作插二极管用。

矩阵式程序的编制，就是按照控制逻辑的要求，在矩阵板的相应位置插上二极管，若改变二极管的位置，就改变了控制的逻辑。

因此这种装置具有一定的灵活性。

2、旁路原理：在继电器电路中，对继电器的控制方法有两种，若控制触点与继电器是
串联的，则继电器的动作是根据控制触点的动作直接实现的，这种控制方式称为直接控制或接通原理。

若控制接点与继电器是并联的，则继电器的动作是根据控制触点的打开或关闭实现的，这种控制方式称为旁路控制或旁路原理。

接通原理和旁路原理继电器动作时触点的状态是相反的。

二极管矩阵电路是按旁路原理工作的。

3、基本逻辑电路：二极管矩阵的基本逻辑电路如图10-2 d）、e）、f）所示。

我们分析图中的“与”逻辑工作原理：
当只有K1闭合时，表示K1输入条件不具备，正电源经R1、V1、流向负极，V1导通，忽略其正向饱和压降，此时电阻R1下面的垂直导线为“0”电位，没有电流通过V3和J，输出继电器J不能吸合。

当只有K2闭合或K1、K2均闭合时，情况与此相同。

当K1、K2同时打开时，表示K1、K2输入条件均满足，此时V1、V2的负极开路，没有电流通过，正电源经R1、V3、J流向负极，输出继电器J吸合。

J的动作与K1、K2之间正好满足逻辑“与”的关系。

“或”、“非”的工作原理请读者自行分析。

（二）、固态逻辑式顺序控制装置
使用分立元件和集成电路可以构成具有一定控制功能的逻辑电路，完成所需的顺序控制功能。

固态逻辑式顺序控制器也被称为电子程序控制器，属于弱电控制电路，因此它的输入输出部分要求能隔离现场的各种干扰，以保证控制器的正常工作。

在逻辑控制电路中，信号之间存在着大量的与、或、非及其综合运算，还需要有定时、记忆、同步、反馈等很多环节，这些常用环节通常已经造出了单元电路。

固态逻辑程序控制装置的电路，就是用这些单元电路组合而成。

对其具体电路的分析，通常可采用直接分析法、列真值表法、逐级电平推导法、列逻辑表达式法和波形图分析法。

（三）、可编程式顺序控制装置
可编程式顺序控制装置通常称为可编程控制器，简称PC。

是60年代末随着计算机技术的发展而发展起来的一种通用控制器，主要用于各种不同用途的开关量控制系统。

它的控制程序是采用软件编程方法编制的，它可以用工程技术人员熟悉的继电器梯形图进行程序设计，也可用符号语言、专用语句进行程序编制，因此更改程序很方便，能够使控制系统具有极大的柔性和通用性。

PC机的硬件设计上注意了工业生产的特殊环境，输入输出接口都采用了光电隔离，使干扰信号不易进入PC内部。

输入接口可以与开关直接连接，输出接口具有一定的驱动能力。

还具有较强的自诊断功能，高档PC具有多个CPU并行操作，使可靠性增强。

二、步进式控制电路
在某些复杂的顺序控制逻辑中，我们用步的概念来将其分解成若干个明确的阶段，以利于分析问题和解决问题。

这时所用的控制方式即步进式控制。

在发出起动命令后，步输出继电器自动按顺序输出操作命令，步的转换取决于上一步动作完成的回报信号和当前步的条件是否具备。

控制装置中除主控制电路外，还应设有辅助控制电路，这部分电路的主要作用是提供人机联系，发出程序起动、停止、复位信号，状态显示及报警，是完善的控制设备功能中
必不可少的管理部分。

（一）、继电器步进控制电路
用继电器构成的步进控制电路如
图10-3所示，其工作过程说明如下：
当启动条件满足，K5触点闭合，
若此后发出启动命令K8，则K1的触
点发出第一步命令（图中略），同时自
保持触点使K1维持闭合的状态，另
一触点闭合为K2动作提供条件。

步
的转换是上一步完成后的回报信号和
当前步的条件准备好信号。

第一步完
成后，回报信号S1闭合，若条件2
已满足（K6闭合），则继电器2闭合，
发出第二步命令（图中略），同时自保
持触点使K2维持闭合的状态，另一
触点闭合为K3动作提供条件。

K2的
常闭触点打开切断K1的自保持电路，
使K1释放，停止第一步的输出命令。

K4为复归继电器，用于使控制电路复归。

图中各继电器的逻辑表达式为：
上述的表达式当然也可以用固态逻辑
电路来实现，具体电路由读者设计。

（二）、矩阵式步进控制装置
二极管矩阵步进控制器主要部件有步
进器、输入矩阵、输出矩阵、联锁矩阵和
输入输出部分。

其中联锁矩阵的作用是将
本步的输入条件与输出关联起来。

如图
10-4所示，由步进器来的高电平步信号
A1经二极管V1送到输出矩阵，然后经电
阻R3、二极管V2送到联锁矩阵，联锁矩
阵的水平导线经二极管V3与输入触点K1
相连，当本步操作条件满足时，K1触点处
于闭合状态，步进信号经二极管V1、R3
、
3
344
3)227(34
32)116(2;
4321)85(1K S K K K K S K K K K K K S K K K K K K K K K ⋅=⋅+⋅⋅=⋅⋅+⋅⋅=⋅⋅⋅+⋅
=
V2、V3、K1到地，继电器J不能动作。

当本步条件不满足时，K1触点断开，上述回路不通，J动作使执行机构进行本步操作。

本步操作完成后，回报信号触点S1断开，A1的高电平经电阻R1、二极管V5送到步进信号线上，去使步进器换步，于是A1转为低电平，A2成为高电平，程序进入第二步。

“与”、“或”逻辑联锁矩阵控制电路如图10-5所示，可由读者自行分析它们的工作过程。

下面举一个控制大型水泵起动的二极管矩阵步进控制电路，以给读者一个较完整的概念。

见图10-6。

该控制电路共有6步，所以步进器有6个输出端。

这6 个输出端每个时刻只有一个输出高电平步信号，当步进信号（正脉冲）到来时，步进器的输出增步，这步的输出回零，下步的步信号变高电平。

每一步的动作和条件分别介绍如下：
第一步，启动润滑油泵，条件是油葙油位正常。

系统启动后，步进器1脚发出高电平步信号，该信号经二极管、输出矩阵水平线上电阻、二极管送到联锁矩阵的垂直线上，这条垂直线上还有一个二极管与输入矩阵的水平线相通，输入矩阵的这条水平线上接有油位传感器的触点，检查润滑油箱油位是否正常，如油位正常则触点打开，这样从步信号到地的回路开路，满足起动润滑油泵条件，发出起动润滑油泵的信号。

油泵起动后，润滑泵已起动的触点打开，使步信号经垂直电阻、二极管发出步进信号，使步进器增步。

第二步，是打开水泵的入口门，条件是润滑油压、油量正常，并且该水泵不作为备用泵或是该水泵为备用泵，润滑油压、油量正常，联锁起动信号到来。

当上面的条件不具备时，控制器停留在该步处于等待状态。

从联锁矩阵来看，这步涉及两根垂直线，在输出矩阵上为“或”的关系；而每根垂线上分别有四行和三行水平线，这些信号在联锁矩阵上是
“与”的关系，相与的条件分别是（油压正常、油量正常、投备用、联锁起动信号到）和（油压正常、油量正常、不投备用）。

任一组信号满足，就可发出开水泵入口门信号。

入口门已开信号使步进器增步。

以下几步请读者自行分析。

第三步，起动水泵。

水泵起动的回报信号使步进器增步。

第四步，触发延时电路，等待水压的建立。

延时时间到的信号使步进器增步。

第五步，开启水泵出口门，条件是水压正常。

出口门已开启信号使步进器增步。

第六步，发出水泵运行信号。

控制过程结束。

图10-6所画出的电路未涉及人机接口及跳步、防重步输出的辅助电路。

由于使用了步进器和二极管矩阵板，步进控制电路的输入输出信号的逻辑关系比较明确，只要按需要在矩阵的适当位置设置二极管，即可实现预定的控制功能。

第三节热工保护系统的组成和特点
一、热工保护系统的组成
热工保护系统一般由信号输入单元、逻辑处理
单元（或专用保护装置）以及执行机构组成。

如图
10-7所示。

保护系统所需的信号由传感器经信号单元送
来，逻辑处理单元对其进行运算处理，当输入信号
显示工况异常时，工况保护回路动作或危机保护回
路动作，发出输出信号给保护系统的执行机构使其
动作控制被保护对象。

二、热工保护系统的特点
因为热工保护系统的作用是当机组运行处于不正常状态时保障安全的，所以要求它必须有很高的可靠性，不能产生拒动和误动。

为达上述目的，通常采用如下技术措施：
①、为保证输入信号可靠，一般采用独立传感器。

不仅不与其他系统共用传感器，必
要时对传感器还采取冗余措施。

②、保护系统动作时发出报警信号。

③、保护命令一般是长信号，要求能满足被控对象对控制信号的要求。

④、保护动作是单方向的，即动作后需由运行人员手动复位。

⑤、保护系统能进行在线试验，试验时应不影响机组的正常运行。

⑥、当有多级保护同时存在时，各级保护系统应有确定的优先级。

⑦、保护系统有可靠的电源。

⑧、保护系统可进行自动—手动切换。

⑨、保护系统能进行事故追忆和自检。

⑩、保护系统具有独立性。

不受其他自动控制系统投入与否的影响。

三、热工保护信号的摄取
热工保护系统运行统计表明，测量仪表和信号单元是保护系统中可靠性相对较低的部分。

某些重要的热工保护，不能正常地投入运行的主要原因，就在于测量仪表和信号单元的可靠性不高，即摄取的保护信号可靠性不高。

可靠性的定义可理解为：在一定的使用条件和规定的使用时间内，系统持续完成设计功能的概率。

从热工保护系统发生故障的效果看，故障可分为拒动作和误动作两类。

误动作率：Ｐ＝误动作次数／实际动作次数。