智慧电厂干货｜燃煤电厂APS智能构件本安型操作开关-北极星火力发电网

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APS（Automatic Procedure Start-up／Shut-down）是火力发电厂燃煤机组一种程序启停热工自动控制功能，具有“一键启停”自动化水平的顺序控制（SCS）和模拟量调节（MCS）系统是APS高度自动化的基础，其中顺序控制系统“一键启停”成功的关键因素是应用了智能化开关量控制模块，充分利用DCS（Distributed Control System）的软实力，站在电子计算机的立场控制机组启停，完成人的工作。智能化的逻辑让冗余设备的选择和联锁投、切在顺序控制自动步进过程中再也不需要人工手动参与。

一、常规控制的现状

1 、软逻辑硬开关

与APS系统的顺序控制相比，常规设备开关逻辑设计仅为简单的模仿人工操作，通常只给单台设备（开关量）操作开关设计“手动”一种工作方式，即便应用了DCS，但在控制策略上还是延用BTG盘（炉、机、电分立开关控制盘）硬开关的操作，软逻辑硬开关，实际上是电子版的“手动操作”，与BTG盘硬开关相比功能并未提升。当设备单元或系统转为“顺序控制”时，顺控逻辑相当于整体投入“自动”。顺序控制自动执行进程中，设备自身的“手动”操作仍然具有控制权，或启或停，人工随时可以对设备进行操作，顺序控制指令和人工操作指令逻辑上形成 “或”的关系，而且人工“手操”较之顺控时序和进程有优先权，这就等于被控设备处在顺序控制自动与人工操作手动的混合操作状态，手动优先的二元化控制指令也就丧失了自动控制的确定性，已经构成安全隐患。

2 、自动联锁人工投、切

通常情况下，火力发电厂控制对象按特性划分有两种类型。其中一种是如电动机启、停，风门挡板开、关或电磁阀通、断等的开关量控制，把单纯开关量设备按动作先后串联起来，制定出符合工艺条件的控制策略，就形成了工艺系统的启、停顺序自动控制（SEQUENCE CONTROL SYSTEM—SCS）。出于运行安全需求，部分工艺按相同容量设备双重或多重配置，正常工作时至少有1台设备运行，余者处于备用状态，应急时采用“自动联锁”启动备份。联锁启动备用设备原因有两种，一是在运设备故障跳闸，二是工艺系统欠出力，前者称为“电气联锁”，后者叫做“热工联锁”。运行设备启、停和备用设备联锁投、切过程以及备用设备联锁启动是一种受时间和状态双重制约的 “条件控制”。即备用设备若要投入联锁，运行设备必须先行启动，备用设备自动联锁启动则须在运设备已跳闸或欠出力，在运设备停运必须先解除备用设备联锁。联锁设备运行、备用以及联锁开关投、切，状态监测、判断等相互关联的一系列操作都由人工完成。

顺序控制进程中，联锁设备的投入过程：顺序控制自动启动第一台设备，待工艺参数稳定，由人工手动合闸联锁开关，则第二台设备投入联锁备用。切除过程：顺序控制自动停止在运设备前，人工先行手动断开联锁开关，解除备用设备联锁，尔后顺序控制自动停止在运设备。这种人工手动投、切设备联锁的操作存在于顺序控制自动进程中，突出的问题是顺序控制自动功能并没有覆盖到全部被控对象，顺序控制自动进程中的设备联锁投、切仍然需要人工手动完成，是一种带有安全和技术缺陷的“手动伴随”式顺序控制。

3 、自动、手动 “混搭”

为了完成机组特定的控制功能，火力发电厂分别设计有相应的顺序控制、自动联锁和模拟量自动调节，尤其在机组启动、停止阶段以及正常运行中需要经常启停的控制单元（如锅炉的制粉系统），这些控制功能会同时出现在机炉控制过程中。开关量与模拟量控制各具特性，常规的顺序控制、自动联锁和自动调节参与自动控制有特定的切入时机，工作方式从静止到运行都有一个转换过程，转换起始时刻与工艺系统运行状态直接相关。如果把顺序控制自动工作开始时刻定为起点，自动联锁投入时刻就在相互联锁的首台设备启动且工艺参数正常后。模拟量自动调节投入时刻既要单元设备或系统已经正常运行又要工艺参数也符合自动投入条件。由常规控制逻辑构建的顺序控制、自动联锁和自动调节共处同一工艺系统时，在顺序自动控制进程中，自动联锁和自动调节的投、切时机要依靠操作人员来观察、判定，并只能伴随着顺序控制的自动步序人工伺机手动操作，把自动联锁和自动调节工作方式由“手动”转向“自动”，手动操作与自动顺序控制形成了“混搭”现象。常规模拟量调节回路的手动调整、手／自动切换以及设备联锁的投／切间或穿插在顺序控制自动进程中，使这种多功能控制组合不能“全自动”运行，既降低了工艺系统的自动化水准，又给系统控制安全带来不确定的风险。

二、 APS本安型开关和智能化联锁

以提高工作效率为目的的过程自动化是自动控制所追求的目标，但前提是自动化必须建立在控制安全的基础上，先有了控制的安全，人们才能放心去使用控制装置。APS从设备控制开始，就以实现安全控制为目标设计了运算逻辑确保全自动的APS有坚实的运行安全基础。APS拥有两种高可靠性的宏逻辑模块用于开关量设备控制，分别是本安型操作开关和智能化自动选择器。

自动控制系统的最大优点不完全在于节省人工，通过合理的设计把设备控制规则化，力求本质性安全，就能从根源上防止误操作，这也许更重要。如果APS是一台机器，基础零部件的性能决定了工作安全以及自动控制的水平。600MW等级的燃煤机组拥有开关量控制设备400余台，冗余设备联锁超过20套，机组启动过程中若真的让“手动伴随式顺序控制”出现在APS中，APS的“全程自动”也就无从谈起，也很难确保运行安全。显然，实现APS的全程自动首先要从改换单台设备操控方式入手。

APS所用的单台设备本质安全型操作开关逻辑（本安型操作开关），设计方案采取功能分类、控制集中的技术原则，实现的功能有手动操作（MANUAL COMMAND）、自动控制（AUTOMATIC COMMAND）、热工保护（PROTECTION COMMAND）、条件许可（PERMISSIVE CONDITIONS），把多种功能集中在一起形成宏逻辑模块，方便应对不同控制需求。“自动”、“手动”工作方式控制权相互独立，从根本上堵塞了顺序控制自动指令执行过程中可能受到人工操作干预的漏洞，命令控制权限由高到低依次为保护、手动、自动。

图1 本安型操作开关逻辑原理框图

本安型操作开关工作方式利用AUOT/MAN按键选择，自动指令从AUTOMATIC COMMAND端口进入，手动操作指令在操作面板上键入MANUAL COMMAND端口，经操作开关逻辑运算后形成电动机合闸（ON COMMAND）或分闸（OFF COMMAND）指令，输出到电动机就地控制柜，驱动现场设备。输出控制方式有全开全关型或全开全关带中间停顿型，输出功能有自保持单路输出或自动复位双路输出，输出负载有电动机或电磁阀，可以根据具体用途进行逻辑组合。图1例举的是自动复位双路输出、全开全关、电动机负载型的操作开关。自带两路报警输出，电动机已跳闸（TRIPPED）和操作开关控制故障（DRIVE ABNOMAL）。DRIVE ABNOMAL是操作宏模块的自检功能，一旦检测到逻辑模块内部错误，立即报警并闭锁电动机启动指令。操作开关的SGT端口专门用来监视MCC故障（MCC TROUBLE）或PC开关机构的异常（SWITCH GEAR TROUBLE）。操作开关设有许可条件（PERMISSIVE CONDITIONS）逻辑，允许启动（ON）和允许停止（OFF）信号分别从PEON、PEOF端口输入，操作许可条件的设置使设备运行更加可靠，条件不满足相应控制指令将被禁止，以此进一步提高设备安全。

利用这种宏逻辑模块可以让设备执行自动联锁、顺序控制和自动联动以及保护跳（合）闸等操作。设备之间的自动联动类似于“多米诺骨牌”效应，前序设备有动作关联设备紧随其后作出反应。而保护命令输入端口接收工艺系统或控制装置发出的异常报警，起到“控制可能未达目的，安全却要绝对保证”的作用，根据保护命令既可以立即跳闸在运设备，也可以即刻启动事故备份（如汽轮机事故油泵）。

本安型操作开关的逻辑功能，可以为APS全部控制层级建立稳固的安全基础，有了安全保障在制定控制策略时将更加灵活、多样。对一台独立设备可以根据运行工况决定单一控制或重叠多种控制，例如在APS导引的系统中，过热器喷水减温截止阀、再热器事故喷水截止阀、送引风机出口挡板、锅炉空气预热器二次风出口挡板、烟气入口挡板、锅炉炉水泵等，同时受到顺序控制、联锁自动、热工保护的多重叠加控制，由于这些逻辑都构建在单台设备操作开关上，在组成单元控制、系统控制时同样具备了操作开关的安全性能，APS控制自然也获得了同样的安全性。可见，通过设备操作开关逻辑夯实了APS的安全基础。

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