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1、SIMATIC S7-400FH 在 锅 炉 安 全 监 控 系 统 上 的 应 用Application of SIMATIC S7-400FH in FSSS作 者 ： 天 津 大 学 管 理 学 院 邮 编 ： 300072 沈 洪 亮 School of Management Tianjin University Post Code:300072 摘 要 ： FSSS(Furnace Safeguard Supervisory System)锅 炉 炉 膛 安 全 监 控 系统 在 防 止 锅 炉 爆 炸 方 面 起 着 及 其 重 要 的 作 用 ， 目 前 在 电 站 、 钢 铁
2、、 化 工 及石 化 等 行 业 的 多 种 锅 炉 均 设 计 了 FSSS 系 统 。 本 文 介 绍 了 以 SIEMENS 公 司 的故 障 安 全 型 系 统 S7-400FH 为 平 台 ， 设 计 实 现 的 FSSS 系 统 的 功 能 及 特 点 。Abstract: FSSS(Furnace Safeguard Supervisory System)is very important in preventing explosion of furnace, which is always designed in various furnaces in the industry
3、 of power station, iron and steel, chemical and petrochemical. The article introduces functions and features of FSSS based on Exception Safety System S7-400FH of SIEMENS Company.主 题 词 ： FSSS 系 统 S7-400FH 安 全 冗 余Key words： FSSS S7400FH Safety Redundancy一 、 引 言内 蒙 古 某 化 工 厂 油 改 气 联 产 甲 醇 项 目 动 力 站 设 计
4、 一 台 220t/h 蒸 汽 锅 炉 ， 该 项目 锅 炉 是 无 锡 锅 炉 厂 生 产 的 四 角 切 圆 气 煤 混 烧 锅 炉 ， 分 别 布 置 4 层 共 16 只 天 然 气燃 烧 器 和 2 层 8 只 煤 粉 燃 烧 器 。 由 于 气 煤 混 烧 锅 炉 既 需 要 考 虑 天 然 气 防 爆 问 题 ， 又要 充 分 考 虑 防 止 锅 炉 炉 膛 爆 炸 问 题 ， 因 此 对 FSSS 系 统 的 要 求 非 常 高 。 该 项 目 设 计单 位 是 中 国 五 环 科 技 股 份 有 限 公 司 ， 北 京 远 东 仪 表 有 限 公 司 负 责 FSSS 系 统
5、 、 锅 炉火 焰 检 测 系 统 的 设 计 组 态 和 现 场 调 试 工 作 。本 项 目 FSSS 系 统 采 用 SIEMENS 公 司 SIMATIC S7-400FH 故 障 安 全 型 冗 余 容 错控 制 系 统 ， 火 焰 检 测 系 统 采 用 美 国 Fireye 公 司 智 能 一 体 化 系 列 火 焰 检 测 产 品 ， 整个 系 统 较 好 地 实 现 了 锅 炉 安 全 保 护 。二 、 S7-400FH 系 统 的 主 要 特 点SIMATIC S7-400FH 是 一 种 安 全 及 容 错 型 自 动 化 控 制 系 统 ， 适 用 于 安 全 性 要
6、求较 高 的 工 厂 ， 它 是在 S7-400H冗余容错技术基础上，进一步将故障安全功能通过相应软件及硬件的冗余组合，在控制系统中加以实现的。 如 果 在 控 制 系 统 中 发 生 故 障 ， 冗 余的 控 制 内 容 可 以 继 续 执 行 过 程 控 制 步 骤 。S7-400F/FH 的 安 全 要 求 级 别 符 合 AK1 至 AK6 或 安 全 要 求 级 别 符 合 SIL 1 至SIL 3 至 IEC 61508。 S7-400F/FH 的 工 作 原 理 是 ， 它 的 安 全 性 功 能 已 包 含 在 CPU的 F 程 序 中 ， 以 及 安 全 型 的 信 号 模
7、板 中 。 信 号 模 板 利 用 偏 差 分 析 和 测 试 信 号 注 入 的方 法 来 监 视 输 出 和 输 入 的 信 号 。 CPU 通 过 常 规 自 检 ， 结 构 检 查 以 及 逻 辑 和 顺 序 程 序流 程 控 制 来 检 查 PLC 的 相 关 操 作 。 另 外 ， 通 过 实 际 使 用 中 的 相 关 符 号 检 查 I/O 模板 的 功 能 。该项目 FSSS系统 PLC控制站的 CPU、IO 卡件、电源、通讯卡等所有硬件为二重化容错冗余结构，保证了系统的整体高可靠性。系统所有卡件可以在线更换并具有自诊断的功能。针对 FSSS系统一部分重要的连锁 I/O点需要
8、安全控制，而其它普通 I/O点又需要一般性控制的特点，设计中分别采用了故障安全型卡件和标准卡件与 S7-400F/FH控制器连接使用,从而实现了较高的性价比。系统组态软件采用 STEP7 V5.3，上位画面组态软件采用WINCC V6.0，系统还包括 SIMATICS7-400F/FH组态冗余软件包。三 、 本 项 目 系 统 构 成 ：1 硬 件 构 成本 项 目 FSSS 系 统 硬 件 配 置 包 括 2 个 互 为 冗 余 的 控 制 器 CPU414-2HDP， 2 块 电源 模 块 ， 4 块 以 太 网 通 讯 卡 ， 6 组 冗 余 Profibuss DP I/O 通 讯 接
9、 口 卡 IM153-2，14 块故障安全型 I/O卡 SM326，以及 14块普通型 I/O卡 SM321/SM322。上 位 机 部 分 设 置 1 台 ES 站 和 1 台 OS 站 ， ES 站 与 OS 站 配 置 Dell 公 司 计 算 机 ，ES 站 配 置 为 ： P4 2.5GHz， 512M 内 存 ， 21Dell 液 晶 显 示 器 ， OS 占 配 置 为 ： P4 2.5GHz， 256M 内 存 ， 21Dell 液 晶 显 示 器 。 系 统 硬 件 配 置 及 网 络 结 构 示 意 图 见 图1。2软件构成工 程 师 站 ES 和 操 作 员 站 OS 均
10、 采 用 微 软 英 文 版 Windows 2000 作 为 操 作 系 统 ，操 作 员 站 另 加 载 了 上 位 监 控 组 态 软 件 WINCC 6.0，逻辑编程组态 STEP7 V5.3,SIMATICS7-400F/FH编程工具带功能块程序库,用于不完全用户程序编程,CFC 授权软件包,SIMATICS7-400F/FH 组态冗余软件包,SCL 语言软件包和 SOE 事件记录功能软件。系 统 工 程 师 ES 站 与 操 作 员 站 OS 互 为 冗 余 ， 任 一 监 控 站 出 现 故 障 另 一 台 冗 余 的监 控 站 可 实 现 全 部 系 统 监 控 功 能 ， 因
11、 此 ， 无 论 是 上 位 监 控 系 统 还 是 PLC 控 制 系 统均 实 现 1:1 冗 余 容 错 配 置 ， 加 以 选 用 故 障 安 全 型 控 制 器 和 部 分 故 障 安 全 型 I/O 卡 ，使 得 整 个 系 统 具 有 较 高 的 可 靠 性 。四 、 FSSS 系 统 功 能FSSS 炉 膛 安 全 监 控 系 统 是 专 有 安 全 系 统 之 一 ， 它 的 又 称 名 称 为 BMS(Burners Management System)燃 烧 器 管 理 系 统 。 锅 炉 炉 膛 安 全 监 控 系 统 FSSS 是 一 个 负 责锅 炉 炉 膛 燃 料
12、 安 全 及 燃 烧 器 管 理 的 控 制 系 统 .它 能 在 锅 炉 各 工 况 内 ， 连 续 监 视 炉 侧各 相 关 附 机 设 备 的 运 行 状 态 及 相 关 参 数 ， 并 且 进 行 逻 辑 运 算 和 判 断 ， 使 附 机 设 备 按照 即 定 的 合 理 程 序 完 成 必 要 的 操 作 或 处 理 未 遂 性 事 故 ， 保 证 锅 炉 炉 膛 及 燃 烧 系 统 的安 全 ， 它 在 防 止 运 行 人 员 误 操 作 及 设 备 故 障 下 引 起 锅 炉 炉 膛 爆 炸 方 面 起 着 重 要 作 用 。本 项 目 的 FSSS 系 统 主 要 包 括 以
13、 下 功 能1.炉膛吹扫功能该功能的主要目的是在主燃料跳闸 MFT（Main Fuel Trip） 以后，在重新启动锅炉之前，用风彻底吹扫炉膛，以保证把任何可能引起爆燃的未燃尽燃料吹出炉膛。2.预点火功能该功能主要是在吹扫完成后，通过逻辑判断检查并证明点火前的准备工作均已完成，只有具备了全部点火条件，系统则发出允许点火信息，从而进入锅炉启动程序。3. MFT及首出原因显示的功能MFT（Main Fuel Trip）即主燃料跳闸功能，该功能在锅炉整个运行过程中监视那些影响锅炉安全正常运行的工况是否出现。当发现某设备的工作状态或某参数值超出了规定范围时，该功能负责切除进入炉膛的全部燃料，并使相关设
14、备处于 MFT状态。当发生 MFT动作后，首出原因显示功能将显示第一个 MFT引起动作的原因。同时本项目 FSSS系统提供事故记录追忆功能（SOE）,其分辨率可以达到 1毫秒，能够对系统中关键设备的运行情况进行记录、追忆，便于分析事故原因。4. GFT 及首出原因显示功能GFT（Gas Fuel Trip）即气燃料跳闸，该功能负责在锅炉整个运行过程中，当有气燃料投入时监视与气燃料相关设备的工况及相关参数值是否超出了规定范围，则该功能负责切除气燃料，即关闭主气阀和全部支路气阀。当 GFT动作后首出原因显示将显示第一个引起GFT的原因。系统同样能够对 GFT进行(SOE)功能。5. 火检冷却风机控
15、制功能火焰检测系统配置 2台互为备用的冷却风，FSSS 系统负责根据冷却风的压力参数控制 2台风机的自动切换。6. 启动/切除气燃烧器功能系统为每个气燃烧器设计一个该启动/切除气燃料功能，该逻辑功能负责判断启动/切除该层该角气燃烧器的允许条件是否满足，只有满足工艺运行条件的情况下才允许进行气燃烧器启动/切除的控制。7. FSSS事故切除制粉系统功能 当以下任一情况发生时： 任一磨煤机运行且一次风机全停； 该给煤机在启动周期失去点火源； 当该制粉系统正常运行时，但该煤层失去两个以上的区域火焰； 出现 MFT工况；FSSS系统将发出事故切除制粉系统命令。系 统 现 场 调 试 完 成 后 ， 实
16、现 了 以 上 全 部 功 能 及 其 他 辅 助 功 能 ， 且 整 个 系 统 运行 非 常 稳 定 ， 得 到 了 用 户 的 高 度 认 可 。五 、 S7-400FH 系 统 应 用 心 得SIMATIC S7-400FH 系 统 可 以 说 是 西 门 子 公 司 的 最 高 级 别 产 品 ， 整 个 系 统 软 硬件 冗 余 度 都 较 好 地 达 到 了 安 全 控 制 系 统 的 要 求 ， 而 将 该 系 统 应 用 在 FSSS 系 统 上 目前 在 国 内 还 较 少 ， 本 次 项 目 的 成 功 对 于 今 后 继 续 深 入 了 解 和 应 用 该 系 统 平 台 有 较 大的 帮 助 。 由 于 系 统 较 为 复 杂 ， 且 需 要 几 项 关 于 安 全 和 冗 余 的 软 件 授 权 ， 项 目 设 计 过程 中 西 门 子 技 术 支 持 工 程 师 及 设 计 院 都 给 予 了 较 大 的 帮 助
