西门子S7-400FH故障安全型控制系统在锅炉安全监控系统上的应用

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、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 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、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、I／O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，21\液晶显示器，OS占配置为：P4 2.5GHz，256M内存，21\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，使得项目进展非常顺利并且取得了圆满成功！

作者简介：沈洪亮，性别：男，1976年出生，2000年毕业于吉林化工学院，自动

化系工业自动化专业，当前就读于天津大学管理学院，工业工程专业在职工程硕士研究生。 联系地址：北京市东城区和平里北街6号，北京远东仪表有限公司安全控制工程事业部。邮编：100013

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