1、20T/h 蒸汽锅炉安全联锁保护改造摘要：锅炉的“安全联锁保护”是锅炉控制系统中最重要的组成部分，直接关系到锅炉能否在日常生产中保持安全稳定运行，旧有设备组成的安全联锁保护系统在技术上已经落后，并存在着一些安全隐患问题，通过 PLC 技术以及型仪器仪表的使用，通过合理的构造组合测量检测、运算比较、输出控制、报警联锁、自控停炉等环节，以及合理的PLC 编程，构造起一个新的安全联锁保护系统，排除旧设备系统中存在的各种危及运行和安全的隐患问题，以提高锅炉运行的稳定性和安全性。关键词：安全联锁保护、PLC 技术、型仪器仪表前言：我公司的百吨锅炉房是全厂的重点站房，承担着全公司日常生产、生活用蒸汽的生产
2、工作。百吨锅炉房现在安装使用着 5 台 20T/h 燃煤蒸汽锅炉。运行的稳定和安全是锅炉蒸汽生产中最需要关注的焦点问题。在现代电气技术的指引下，锅炉的运行已经可以构建起比较高的电器控制系统平台，使得锅炉运行生产和安全有了比较可靠的保证，在系统中尤以“安全联锁保护”是核心部分。当今社会，科学技术日新月异，电力电子行业的一些成型技术手段已经迈向普及，PLC 技术已经普遍的应用到我们的日常生产、生活中，已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置。PLC 不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强，在恶劣环境下长时间、不间断的运行，且编程简单
3、，维护方便 。随着微电子技术的发展，微处理器的速度越来越快，价格越来越低，已被广泛应用于仪器仪表中，数字信号处理技术的发展和高速数字信号处理器的广泛采用，极大地增强了仪器的信号处理能力。数字信号处理器通过硬件完成乘、加运算，大大提高了仪器性能。通过选择适合蒸汽锅炉工况的型仪器仪表配合 PLC 构造一个“安全联锁保护”的系统将会为蒸汽锅炉的稳定和安全运行提供可靠的保证。实践过程：原来我们站房内使用的锅炉“安全联锁保护”系统设备主要是型仪表，其内部还使用的是印刷电路板和分立电器元件，工作原理也很落后，这种设备在市场上基本已经淘汰了，对日常的维护、维修造成了非常不力的影响。用来实现锅炉安全联锁保护的
4、设备核心是一台 DDZ闪光报警器和一块由我们自己的技术人员开发并制作的以差分电路控制的模拟量电路板（参见图 1.联锁报警装置电路图） 。报警器接收来自二次仪表的开关量并对应发出报警声光信息，同时为电路板提供工作电源，电路板也接收来自二次仪表的开关报警信号及串行电流信号实现比较控制相关的继电器，由继电器控制变频器，来实现停炉保护的目的。这种设备构成中存在的问题很多：首先分立电器元件老化及受环境温度影响带来的性能不稳定情况很多，变送器、二次计量仪表、报警器到电路板都存在，长期运行使晶体管电路故障率很高，从而导致整个安全联锁保护系统的瘫痪。由于电路板的工作电源是由报警器提供的，因此如果报警器出现了故
5、障，就会造成自动联锁停炉也不能实现工作，使锅炉处于无报警也无保护的可怕状态下。最后，由于电器元件老化所带来的校验不准确，校验值漂移也对安全运行提出了挑战。我们选择需要的新设备来设计一套系统来实现“安全联锁保护” 。在测量阶段我们选择市场已经普遍在使用的OPS-3051C 及 KLP-902MKG 系列压力、差压变送器作为测量传感器（参见表格 1） 。序号 用 途 名 称 规格型号 备 注1 汽包水位 智能差压变送器 OPS-3051C（-4.40Kpa）2 汽包水位 智能差压变送器 OPS-3051C（-4.40Kpa）3 蒸汽压力 智能压力变送器 OPS-3051C（02.5Mpa）4 蒸汽
6、压力 智能压力变送器 KLP-902MKG（02.5Mpa）变送器选用表 1.序号 用 途 名 称 规格型号 备 注1 汽包水位 数字显示仪 XST/A-S3IT2A1BV0N2 汽包水位 数字显示仪 XST/A-S3IT2A1BV0N3 蒸汽压力 数字显示仪 XST/C-H1VS2V0N4 蒸汽压力 无纸记录仪 JLY-C28L045 声光报警 闪光报警器 XSSG-S2V0N6 联锁报警 可编程控制器 FX2N-32MR二次仪表选用表 2.在计量、监控、报警部分选择新型模块化数字仪表及PLC（参见表格 2） 。两台 OPS-3051C 差压变送器分别通过平衡容器压差测量法检测汽包的当前水位
7、，并将水位的当前情况转化为线性的 420mA 电流信号，两台差压变送器分别将电流信号送到两台数字显示仪，数字显示仪都具有显示当前水位的功能，以供运行人员观察、记录，并且数字显示仪可以根据当前水位与设定值的比较发出报警信号，一旦当前水位出现高过或低于设定范围的情况，仪表就会以开关量的形式输出对应的报警信号；报警值根据锅炉安全工程的需要分别设定在低报警-40高报警+40mm 和危低报警-50超高报警+50mm，其中设定值为-40+40mm 的仪表只参与报警，不参与停炉保护，所以这块仪表的高、低限报警信号都直接送到闪光报警器，同时它的变送输出值送到无纸记录仪用于运行记录；而设定值为危低报警的-50+
8、50mm 的仪表要参与停炉保护，这是由于根据锅炉安全工程规定，水位变动到-40+40mm 时只报警，而水位变动到-50mm 时出现危低报警就要启动停炉保护，水位超高+50mm 只报警不停炉，这个高报警也直接送到闪光报警器，而危低水位报警参与停炉保护，所以此报警要送到联锁保护 PLC，PLC 如何工作我们下面将会讲到。两台压力变送器同样将测量汽包当前压力的情况转化为 420mA 的电流信号，其中精度等级高的 OPS-3051C 压力变送器（0.1 级）将信号送到无纸记录仪表，参与运行记录，同时利用无纸记录仪的报警功能实现报警，由于锅炉安全工程规定需停炉保护的超压动作点要低于安全阀超压起跳点 1.
9、12Mpa，所以我们将它的报警值设定在 1.10Mpa，保证其在安全阀起跳前动作，这个超压报警信号自然要送到 PLC 参与停炉保护，超低压报警信号意义是对工作人员的提醒，我们将其直接送到闪光报警器参与报警，而精度等级低的 KLP 压力变送器（0.5 级）的高、低压报警信号都直接送到闪光报警器参与报警。锅炉安全工程规定 20T/h 锅炉必须有双重测量、双重报警以保证起运行安全。所以被送到 PLC 的报警信号在完成其启动联锁保护停炉的任务后，还要被反馈回闪光报警器进行报警。这样闪光报警已经实现了 8 位、4 路高、低限报警的工程需要（参见图 2.报警联锁回路原理图，图 3.联锁报警仪表接线图）下面
10、我们来看一下 PLC 是如何编程和完成停炉保护工作的。明确一点，锅炉的安全工程中规定，只有当汽包水位超低或者汽包压力超高的时候才要进行自动停炉保护。所以，前边我们只选择了两个报警信号参与到停炉保护中来。首先，我们确定 PLC 的输入都有那些信号：（1）汽包水位超低报警输入；（2）汽包压力高报警输入；由于锅炉安全工程规定联锁保护装置要定期校验，所以我们还需要设计一套模拟报警信号来代替真实的报警，用于定期校验时使用， （3）汽包水位超低报警实验输入；（4）汽包压力高报警实验输入；为了避免停炉后运行人员没有处理清问题就再次起炉的情况，我在程序中设计了长延时电路，一旦炉停，5 分钟内不能启动，为了维修
11、人员在维修或校验时能在 5 分钟内能启动就需要一个（5）复位输入；为了使维修、校验人员能够在未停炉时取消声光提示，从而方便维修、校验，还需要一个（6）消音输入。接下来是输出：根据锅炉安全工程的规定，低水位报警后延时一分钟鼓风电动机掉闸停止送风，鼓风电动机停止后一分钟引风电动机掉闸停止抽风，同时炉排停止送煤，所以程序中要加入延时的设计，这样就有输出（1）鼓风停止输出；（2）引风、炉排停止输出；为了将二次仪表送到PLC 的两个报警信号反馈回闪光报警器实现同步报警，就有输出：（3）超低水报警反馈输出；（4）超压报警反馈输出；为了提示运行人员停炉情况，我选择在系统加装一个蜂鸣器来提高报警的声音效果，所
12、以有输出（5）蜂鸣器动作输出。综合上面的这些输入、输出的需要，编辑 PLC 程序（参见图 4.PLC 程序图） 。为了避免不同电压等级可能出现的问题，我们在 PLC输出端加装小型继电器进行过度性控制，PLC 的 5 个输出分别控制一个小型继电器，使输入输出隔离，以达到更好的控制效果（参见图 5.PLC 及继电器接线图） 。PLC 程序解析如下：1.超低水报警信号和超低水报警实验信号定义为 X0，当有报警出现时 X0 吸合时，内部继电器 MO 吸合，同时启动计时器 T0 计时一分钟。2.定义消除报警声光提示为 X2，一旦已经掉闸，为了安全需要不能解除报警声光提示，所以当 X2 吸合，且 Y1没有
13、动作，M0 已经吸合时，启动内部继电器 M1 并自保持（此消除为维修、校验使用人员使用） 。3.当 MO 吸合时或 Y1 吸合，既低水报警延时并且 M1 没有动作时，Y0 输出，控制继电器 1 动作，反馈低水位报警信号到闪光报警器。4.当 T0 计时满一分钟动作或 M2 吸合，并且 M3 总复位没有动作时，Y1 输出并自保持，控制继电器 2 动作，控制鼓风变频器停止，同时启动计时器 T1 计时一分钟。5.当 T1 计时满一分钟动作，并且 M3 没有动作时，Y2输出并自保持，控制继电器 3 动作，控制引风、炉排变频器停止，同时启动计时器 T3 计时 5 分钟。6.超压报警信号和超压报警实验信号定
14、义为 X3，当 X3吸合，并且 M3 没有动作时，内部继电器 M2 吸合并自保持。7.当 M2 吸合，并且 Y1 吸合时，Y3 输出控制继电器4，反馈超压报警信号到闪光报警器。8.总复位定义为 X4，当 T2 计时满 5 分钟或 X4 吸合时，内部继电器 M3 动作，释放 Y1、Y2、M2 的自保持，系统恢复。9.当 Y1 吸合，M0 吸合，既已经开始停炉，并且 M4 没有动作时，Y4 输出控制继电器 5 动作，控制蜂鸣器得电，同时启动计时器 T3 计时 1.5 秒。10.当 T3 计时满 1.5 秒吸合，并且 T4 没有未动作时，启动内部继电器 M4 自保持，并且启动 T4 计时 1.5 秒
15、，9与 10 实现蜂鸣器间歇鸣叫功能。结论：首先，剥离了报警器与联锁设备的电源相互依赖问题，解决了报警信号串连于设备间的问题，参与停炉保护的一组（一个超低水位报警信号和一个超压力报警信号）报警信号先作用到联锁保护 PLC 上，在 PLC 通过内部程序设定再输出同步信号控制继电器转送报警信号到报警器来实现报警功能，这样做就使信号不再串连于两部分设备之间。同时另一部分报警信号直接进入报警器，不经过 PLC。这样就实现了当报警器出现故障的时候，联锁保护设备仍在工作中，仍能起到联锁保护的目的；同理，如果联锁保护设备故障，既 PLC 故障，报警器不受影响依旧可以实现报警的功能，起到双重并行安全保护的目的
16、。这种并行的思路就解决了由于一种设备故障造成整个系统瘫痪的情况出现。从而改变系统中的盲点，提高整个系统在安全联锁保护上的可靠性。其次，PLC 技术具有的特点决定了，在控制延时动作的时间上具有极高的精确性，这将为运行工作人员处理紧急情况提供方便，使锅炉在为了安全运行而急停与运行保生产这个问题上的矛盾得到一定的缓解，其高可靠性的动作特点也会为紧急停炉效果提供可靠保证。第三，扩展空间大，合理的选择 PLC 型号种类，既输入输出位数，可以实现多台锅炉共同控制的目的，一台锅炉的安全联锁可以通过 PLC 来实现，同样 5 台并行的锅炉也可以通过一台 PLC 来实现（具体 PLC 编程情况在这里就不详细说明了） ，这样可以提高资源的利用率，使整个蒸汽生产的安全提高一个档次。并且 PLC 还可以为今后的系统提升提供铺垫，比如：当需要增加给水泵综合控制时，增加大屏幕综合显示时。
