PLC在发电厂输煤程控系统改造中的应用

　　1、前言
　　
　　输煤系统是火力发电厂中较为宠大的一个公用系统。随着我国电力工业的迅速发展，火电厂的装机容量和单机容量都日益增大，输煤系统的规模也大幅度的上升。对其控制方式、运行水平的要求也越来越高。输煤程控系统主要是以可编程控制器为主，实现输煤系统的自动化控制。与强电集中的控制相比，在技术上具有控制功能强，编程简单，实现工艺联锁方便，可省去大量的硬接线，维护方便，可在线修改等特点。PLC不仅能完成复杂的继电器控制逻辑，而且也能实现模拟量的控制，甚至智能控制；并能实现远程通讯，联网及上位机监控等。可为全厂实现计算机控制和管理创造条件。对地域分布较广的实现计算机控制和管理创造条件。对地域分布较广的系统还可以增加远程控制站及闭路电视监视系统。
　　
　　近十几年来，国外PLC技术取得了飞跃，其容量成倍扩大、体积不断缩小、功能不断增强，不但具有逻辑运算、计时、计数、顺控等功能，还具有PID等特殊控制功能，可直接进行A/D、D/A转换，还开发管控一体化。使操作、使用和项目开发变得简单、方便。与此同时，PLC技术在电厂输煤设备中亦得到了广泛的应用，除翻车机、斗轮机、胶带机系统等大型工矿设备，实现了PLC控制外，环式给煤机、入厂煤采样机等中型设备亦实现了PLC控制，另外PLC还被应用于实物校验装置、入炉煤采样机等小型设备上。
　　
　　目前，PLC在输煤系统中的应用基本上限于设备级，各设备或系统处于各自的PLC控制之下，相互间基本独立。与当初输煤设备的控制从就地走向集中一样，输煤系统的PLC控制也将从设备级发展到车间级，甚至工厂级，这是输煤系统降耗、增效的需要，也是生产管理和监控的需要。国内个别电厂已在这方面做了一些探索，如元宝山发电厂一期输送机系统PLC与二期输送机系统PLC在清华大学的指导下已成功联机。
　　
　　2、输煤程控系统的控制方式及其功能特点
　　
　　随着大容量、高参数火力发电机组的迅速发展，为满足大规模火力发电企业的要求，大型火电厂燃料输送系统也发生了质的变化，从过去抓斗机+推煤机+胶带输送机制模式发展为大型翻卸设备、堆取料设备和胶带机系统有机结合、密切协作的燃料输送系统。燃料输送系统的功能主要包括卸煤和贮煤、配煤、上煤、煤的粗处理等几个方面。卸煤和贮煤设备主要包括翻车机、斗轮机和相应的胶带机系统，配煤设备主要为环式给煤机和筒仓，上煤设备主要为犁煤器和相应的胶带机系统，煤的粗处理设备主要包括除铁器、滚轴筛和碎煤机等。由于大型火电厂在一定时间内煤量相差很大。用煤量亦相差很大，煤质差别也可能较大，同时为满足配煤和煤的粗处理的要求，燃料输送系统必须具有多种多样、十分灵活的运行方式，才能满足机组稳发满发的要求。
　　
　　输煤控制系统的控制方式有计算机控制方式、操作台控制方式和就地控制方式。3种控制方式可能通过选择开关选择。计算机控制方式就是操作人员通过计算机键盘选择和启动输煤系统，将指令传送到PLC系统，PLC系统按照梯形图程序启动有关设备，并将相关信息传送给计算机。操作台控制方式就是操作人员通过操作台上的开关和按钮进行选择和控制，同时相关信息通过模拟屏进行显示。就地控制方式是通过位于电机旁的控制箱进行现场控制。对输煤控制系统的要求主要是根据生产工艺注意输煤顺序之间的连锁和输煤系统各电机启动和停止的顺序，遇有紧急情况时能紧急停车。
　　
　　下面我们以阳逻电厂的输煤程控系统为例来说明。
　　
　　3、逻辑电厂的现有的输煤程控系统简介
　　
　　本控制系统对象为：皮带机25条（其中两条为双向运行），皮带给煤机4台，电机振动给料机4台，带式除铁器2台，盘式除铁器4台，环式给煤机6台，斗轮堆取料机2台，滚轴筛2台，振动防闭塞装置35台，翻车机2台，共计102台设备。
　　
　　圆筒仓共6个（其中一、二期各3个），每个仓下面各对应1台环式给煤机，每个圆筒仓设一个低煤位传感器及四个高煤位传感器，每个圆筒仓有4台犁煤器（尾仓只有2台），每台犁有抬到位及落到位位置信号，原煤仓共有16个（其中一、二期各8个），一、二期各有两条（双侧）皮带供煤，每个煤仓有一个低煤位和二个高煤位传感器，每个煤仓有2台犁煤器（除尾仓外），每台犁煤器有抬到位及落到位置开关。
　　
　　皮带机设有速度、现场急停、轻跑偏、重跑偏、重打滑、撕裂、DL跳闸、跳合闸回路断线、运行、煤流信号、除煤流信号外其它信号均输入到PC内，其中轻跑偏和跳合闸回路断线分别为每条皮带的信号并联后输入PC，启动打滑信号是通过速度信号经PC程序判别后进行处理的。
　　
　　程控系统采用了西门子公司的S5、15U（CPU942）型PC为控制主机，PC全部开关量信号，所有现场的输入、输出信号均通过继电器隔离，以提高系统的抗*力并保护PC模块使其具有更高的可靠性，同时控制室内、外自成系统以便维护检修，现场信号全部用DC110V传送，进入控制室经110V直流继电器后，其触点将DC24V电压接通，进入PC进行处理；PC输出模块输出的DC24号驱动DC24V继电器，其触点将DC110号送至现场，以启停各类控制设备。
　　
　　本系统可分为两个相对独立的分系统，一是上煤系统，指圆筒仓以前的设备；一为配煤系统，指圆筒仓以后的设备，每个分系统均包括皮带系统和配仓系统，除程序选择和试灯外，均可独立控制，系统有两条短路皮带（12PA/B），配煤系统的煤源可以不来自圆筒仓而直接来自上煤系统的煤源。
　　
　　上煤系统与配煤系统的控制方式相同，根据上面所列的具体情况，每个系统的皮带系统的控制方式分为“程控”和“解除保护”两种；每个系统的配仓系统分为“程配”和“手配”两种方式。其中，前三种方式都可以通过PC编制的程序进行控制，而“手配”方式系统不参与控制，而通过操作台上的按钮开关进行一对一的操作，该方式不作为正常运行方式，只在调试或应急情况下使用。
　　
　　4、对阳逻电厂的现有的输煤程控系统改造方案设计与实施
　　
　　首先整个输煤程控系统改进后应具备以下的新特点：
　　
　　1、改进后形成一个车间级的PLC控制网络
　　
　　阳逻电厂原输煤程控系统的控制对象仅仅为胶带输送机系统及其附属设备，只能算是一个设备级的PLC控制系统，而其它大型设备如斗轮机、翻车机等并没有纳入该系统控制范围，改造后新系统的首要任务是建立一个车间级的PLC控制系统，将所有输煤系统设备纳入该系统的监控范围，这就需要建立一个PLC控制器网络。该网络包括二台翻车机PLC控制器，两台斗轮机的PLC控制器、6台环式给煤机的PLC控制器等。该网络还应该具备和厂Mis系统联网的能力。
　　
　　2、改造后的新系统应该有强大的监控功能
　　
　　新系统不仅有开关量控制，还有模拟量控制，同时为操作人员提供大量的适时信息，系统本身也综合有关信息对部分设备实施自动调节控制，如环式给煤机比例调节等。
　　
　　3、改造后的系统应该有丰富的运行信息管理功能
　　
　　这包括各种报表管理、缺陷管理，工作票管理和设备定期轮换管理，圆筒仓的煤量及煤质查询等。
　　
　　4、新系统应该有很高的运行可靠性
　　
　　输煤设备的运行环境十分恶劣，大多数电气控制柜置于地平线以下，其湿热、高粉尘环境大大增加了电气接线和继电器吸合方面的故障，控制电缆接地也是经常发生的故障，同时，由于控制电缆与高压动力电缆在一个电缆沟内远距离传输产生较高的感应电压，造成偶然性的误信号。新系统应尽可能地缩短电缆敷设距离和尽量少地使用电缆。
　　
　　下面就具体的实现做详细的介绍。
　　
　　一、硬件组态
　　
　　综合分析OMRON、MODICON、SIMENS三种品牌PLC组件及其软件功能后，从开发简单、使用方便、组态灵活、功能强大几方面考虑本系统选用了SIMENSSIMATICS7系列PLC组件。
　　
　　1、上位机监控系统
　　
　　本系统采用上位机监控方式取代原来的模拟盘控制方式，整个输煤系统的运行操作和监视全部在上位机上实现。在上位机上不仅应显示系统设备的运行状态、过程参数、故障报警等，还应能进行与运行有关的各种相关信息的收集、整理与存档管理。上位机还应具备与Mis系统联网的能力。
　　
　　本系统配置二台上位机，一台作为工程师站，一台作为操作员站，且二台互为备用，上位机通过PROFIBUS-DP网与主PLC联接。上位机选用两台PG760工控机，监控软件选用SIMENS公司的WinccV4.02。
　　
　　2、可编程控制器系统
　　
　　本系统主PLC采用二台SIMATICS7-400系列机，二台主机互为热备用，负责下级PLC控制器的控制和皮带机输送系统的控制。另外还有5台PLC选用SIMATICS7-300，分别负责翻车机系统、环式给煤机系统、#1斗轮机系统、#2斗轮机系统和皮带机系统的控制。
　　
　　3、远程I/O站
　　
　　本系统设置两个远程I/O站，一个负责圆筒仓的犁煤器配煤I/O控制。另一外负责原煤仓的犁煤器配煤I/O控制。远程站的通信电缆采用光缆。设置远程站极大地减少了控制电缆的数量和长度。将大大地减少因电缆接地或接线不良引起的故障，采用光缆作为通信电缆将消除电压、电流信号的干扰。
　　
　　4、一次仪表
　　
　　本系统取消所有一次仪表，现场测量信号经变送器后，直接送主PLC，在上位机上显示，当超过定值时，提示报警信息或直接控制停机。
　　
　　二、软件配置
　　
　　1、上位机监控系统
　　
　　本系统上位监控软件选用SIMENS公司的WinccV4.02作为开发平台。利用该软件的变量存档编辑器和报表设计器，可以很方便地为运行用户过程数据生成用户档案库，并组态成报表。
　　
　　2、PLC控制软件
　　
　　PLC控制软件选用SIMATICSTEP7作为控制软件开发平台。STEP7编程软件是一个全集成的、标准统一的，采用全局关系型数据库的组态工具。它采用了现代化的软件体系结构，对项目进行管理、处理、归档和建立文件。
　　
　　三、PLC网络的组建
　　
　　为提高控制性能，往往要把在地理上处于不同位置的PLC与PLC，或PLC与计算机，或PLC与智能装置通过传送介质连接起来，实现通讯，以构成功能更强、性能更好的控制系统。PLC联网之后，还可进行网与网相联，以组成更为复杂的系统。PLC网还可与计算机相联，成为它的一个子网。
　　
　　PLC联网的目的有：
　　
　　1.提高控制范围及控制规模
　　
　　PLC多安装于工业现场，用于当地控制。但如果进行联网，则可实现远程控制。距离近的可以为几十、几百米，几千米，或更远，可大大提高PLC的控制范围。联网后还可增加PLC可控制的I/O点数。
　　
　　2.实现综合及协调控制
　　
　　用PLC实现对单个设备的控制是很方便的。但若有若干个设备要协调工作，用PLC控制。较好的办法是联网，即每个设备各用一个PLC控制，而这些PLC再进行联网。设备的单独工作各由各的PLC控制，而设备间的工作协调，则靠联网后PLC间的数据交换解决，以达到协调控制的目的。
　　
　　若要对若干设备及装置组成的生产线，PLC联网后则可进行综合控制，把对设备级的控制提高到对生产线的控制。
　　
　　3.实现计算机监控及管理
　　
　　由于计算机具有强大的信息处理及信息显示功能，工业控制系统已越来越多地利用计算机对系统进行监控与管理，而要计算机实现这个功能，则必须使PLC与计算机联网。
　　
　　PLC与计算机联网，可以实现以下功能：
　　
　　①读取PLC工作状态及PLC所控制的I/O点状态，并显示在计算机的屏幕上，以便于人们了解PLC及其控制的设备的工作状态。
　　
　　②改变PLC工作状态，以及向PLC写数据。这可改变PLC所控制的设备的工作状况，或改变PLC的工作模式，起到人们干预控制的作用。
　　
　　③读取由PLC所采集的数据，并进行处理、存储显示及打印。
　　
　　4.实现计算机联网编程
　　
　　若用计算机与PLC联网，再使用相应的编程软件，可使用梯形图或流程图编程，以至于还可用其它语言编程，比较方便。
　　
　　5.可简化系统布线、维修，并提高其工作的可靠性。
　　
　　6.可对现场智能装置（包括智能设备、智能仪表、智能传感器等）进行管理，充分发挥这些装置的效益，推进生产自动化、智能化。
　　
　　7.大大提高了资源的共享率，并可通过相应的配置实现可靠的容余。
　　
　　8.易实现自项赂下分层分级的联网控制。
　　
　　二、SiemensPLC网络的复合型网络拓扑结构
　　
　　PLC网络的分层与生产金字塔结构中的层不是一一对应的关系，几层功能可以合并由一层子网去实现，只要这几层功能中传送的信息对通信的要求基本一致就行。采用复合型结构不仅使通信具有适应性，而且具有良好的可扩展性。
　　
　　下图是一个典型的工厂自动化系统的三维网络结构。基于现场总线PROFIBUS-DP/PA控制系统位于工厂自动化系统中的底层，即现场级与车间级。现场总线PROFIBUS是面向现场级与车间级的数字化通信网络。
　　
　　1）现场设备层：主要功能是连接现场设备，如分散式I/O、传感器、执行机构、开关设备等，完成现场设备控制及设备间连琐；如一台加工设备控制、一条装配送线或一条生产线上现场设备之间的连锁控制。主站（PLC、PC机或其它控制器）负责总线通信管理及所有从站的通信。总线上所有设备生产工艺控制程序存储在主站中，并由主站执行。
　　
　　2）车间监控层：车间级监控用来完成车间主生产设备之间的连接，如一个车间三条生产线主控制器之间的连接，完成车间级设备监控。车间级监控包括生产设备状态在线监控、设备故障报警及维护等。通常还具有诸如生产统计、生产调试等车间级生产管理功能。车间级监控通常要设立车间监控室，有操作员工作站及打印设备。车间级监控网络可采用PROFIBUS-FMS，它是一个多主网，这一级数据传输速度不是zui重要的，而是要能够传送大量信息。
　　
　　3）工厂管理层：车间操作员工作站可通过集线器与车间办公管理网连接，将车间生产数据送到车间管理层。车间管理网作为工厂主网的一个子网。子网通过交换要机、网桥或路由等连接到厂区骨干网，将车间数据集成到工厂管理层。车间管理层采用通常所说的以太网，即IEC802.3、TCP/IP的通信协议标准。
　　
　　厂区骨干网可根据工厂实际情况，采用如FDDI或ATM等网络。
　　
　　整个输煤程控网络的配置如上图：
　　
　　Ⅰ.整套网络全部采用SIEMENS的设备，这样可以使用现场总线技术，实现*的分布式结构，可充分获得这一*技术所带来的利益；
　　
　　Ⅱ.网络zui上层为以太网，两台PLC直接挂接在网上，实现双机热备，以便可靠地将输煤系统的状态和参数传送到全厂MIS。同时通过以太网将化验站、分炉计量和皮带称来的信息也送到MIS；
　　
　　Ⅲ.网络第二层为PROFIBUS-DP网，五台PLC分别为输送机子系统、翻车机子系统、斗轮机子系统1、环给子系统、斗轮机子系统2，它们在运行本子系统的同时通过PROFIBUS-DP网络与PLC1和PLC2进行通信，以便接收参数或发送状态。操作员站和工程师站连接在PROFIBUS总线上作为监控站，可完成远程编程、修改参数及在线监控功能；
　　
　　Ⅳ.网络第三层为远程I/O链路：AS-i接口层，远方现场的一些执行器、传感器或小型模块（LOGO！）通过DP/AS-I链接器和PROFIBUS-DP网络进行通信，以便接收参数或发送状态；
　　
　　Ⅴ.具体配置如下：
　　
　　PLC1、PLC2：采用S7-400系列CPU415-2DP，外加以太网通信模块CP342-1；
　　
　　PLC3、PLC4、PLC5、PLC6、PLC7：采用S7-300系列CPU315。
　　
　　操作员站和工程师站：采用PG760。PG760是一种功能强大的台式计算机，与通常的AT/MicroDOS/WindowsPC机兼容。PG760有集成的MPI接口。选择CP5411网卡可连接到PROFIBUS-DP上。配置STEP7编程软件包可作为编程设备使用。使用PG760通常不要配置WINCC等软件包作为监控操作站使用。
　　
　　5、小结
　　
　　该方案尽管还末正式投入使用，但按照方案在实践中初步调试的运行情况证明：整个系统安全可靠，稳定性高，将原来相对落后的输煤程控系统提高到了一个新的台阶。随着计算机控制设备的进步，目前火力发电机组大多采用分布式控制系统（DCS）或现场总线控制系统，如输煤配煤控制系统、化学水处理控制系统、除灰控制系统等，由于其独立分散，且距离主厂房较远，大多数尚未纳入DCS控制系统，仍以可编程控制器（PLC）为主，外加一些操作、显示、连琐和报警组成一套独立的控制系统。再加上微机监控系统和工业电视监控系统，使之与主设备的控制水平相协调，大大提高了全厂运行的可靠性和自动化水平。相信随着我国电力工业的发展，程序控制作为输煤系统的主要控制方式，在火力发电厂将得到更加广泛的应用。