基于雙機(jī)熱備氣力輸送系統(tǒng)的開發(fā)

范劍紅

（莆田學(xué)院 電子信息工程系，福建 莆田 351100）

氣力輸送是以壓縮空氣為動(dòng)力，將粉狀物料在一定混合比的情況下在密閉管道內(nèi)由一處送往另一處的輸送方式.氣力輸送技術(shù)以其自身的特性很好地適應(yīng)了對(duì)粉料進(jìn)行環(huán)保、高效輸送的需求.隨著我國(guó)環(huán)保節(jié)能技術(shù)的推進(jìn)，氣力輸送系統(tǒng)日益完善，對(duì)其控制系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高.單機(jī)控制系統(tǒng)由于沒有后備保障，缺點(diǎn)越來(lái)越突出，經(jīng)常會(huì)發(fā)生堵管、停爐等故障，已不能滿足氣力輸送系統(tǒng)的要求.PLC雙機(jī)熱備控制系統(tǒng)能夠完成瞬間切換，改善控制系統(tǒng)品質(zhì)，對(duì)氣力輸送系統(tǒng)有重要意義[1-3].

1 氣力輸送系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 工藝過程

圖1是氣力輸送系統(tǒng)工藝過程圖，系統(tǒng)共有2臺(tái)爐，6個(gè)電場(chǎng)，每個(gè)電場(chǎng)各對(duì)應(yīng)一個(gè)灰斗.氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)料閥和平衡閥都采用氣動(dòng)圓頂閥，無(wú)出料閥.

通過互不干擾的兩條管線輸送粉煤灰入庫(kù)，輸送能力約12 t/h，輸送距離約600 m.

輸送方式采用3倉(cāng)泵同時(shí)輸送和分別輸送兩種方式，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生堵管時(shí)，啟動(dòng)吹堵閥進(jìn)行吹堵，當(dāng)某倉(cāng)泵發(fā)生故障時(shí)，可以用下插板門關(guān)閉該倉(cāng)泵，實(shí)現(xiàn)邊維修邊輸送.

1.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

雙機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)有兩個(gè)電源和兩個(gè)CPU，一個(gè)為運(yùn)行CPU、另一個(gè)是熱備CPU：主CPU單元，運(yùn)行用戶程序并與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)；熱備CPU與主CPU單元同時(shí)運(yùn)行于用戶程序，但只作為備用不輸出，當(dāng)主CPU單元出現(xiàn)故障時(shí)，實(shí)時(shí)切換成活動(dòng)狀態(tài)，它長(zhǎng)期從主CPU單元接收刷新的數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)穩(wěn)定性上較好.而單機(jī)系統(tǒng)只有一個(gè)CPU運(yùn)行單元和一個(gè)電源[4-6]，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差.

通過對(duì)被控對(duì)象和工藝流程系統(tǒng)的了解，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域自動(dòng)控制水平的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)方面的因素.在對(duì)雙機(jī)熱備氣力輸送控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)時(shí)，我們采用上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)形式[7-9].PLC作為下位機(jī)控制氣力輸送倉(cāng)泵設(shè)備，上位機(jī)采用工控機(jī)對(duì)工藝流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，其監(jiān)控組態(tài)畫面可以實(shí)現(xiàn)在線控制、過程監(jiān)控、實(shí)時(shí)曲線和越限報(bào)警等[10-12]，如圖2所示.

圖1 工藝過程

1.3 開發(fā)的氣力輸送系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）本系統(tǒng)采用6個(gè)相同的P泵，3個(gè)一串.每個(gè)倉(cāng)泵既可以同時(shí)運(yùn)行，也可以單獨(dú)運(yùn)行，提高了氣力輸送系統(tǒng)的可靠性和可維護(hù)性.

（2）無(wú)出料閥，因兩條管線各司其職，互不干擾，輸灰管道間無(wú)需切換，無(wú)需出料閥，增加了系統(tǒng)的可靠性，不易堵管.

（3）每條管線有吹堵閥，結(jié)合PLC程序和測(cè)壓管的壓力可完成自動(dòng)吹堵功能.

（4）控制系統(tǒng)下位機(jī)采用雙機(jī)熱備PLC，當(dāng)一個(gè)CPU出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)CPU會(huì)在幾個(gè)微秒時(shí)間內(nèi)替代工作，保障控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

（5）控制系統(tǒng)配有上位機(jī)監(jiān)控，可以根據(jù)畫面判斷工作狀態(tài)，方便修改下位機(jī)時(shí)間、地址等參數(shù)，記錄歷史輸送壓力曲線和故障報(bào)警情況.

圖2 系統(tǒng)構(gòu)成原理框圖

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制點(diǎn)數(shù)

輸入點(diǎn)DI的數(shù)量取決于以下幾個(gè)方面：料位計(jì)、密封壓力開關(guān)、輸送壓力開關(guān)、電磁閥箱手動(dòng)自動(dòng)切換開關(guān)等；AI：壓力變送器.輸出點(diǎn)DO的數(shù)量取決于以下幾個(gè)方面：進(jìn)料閥、進(jìn)料密封氣閥、進(jìn)氣閥、電磁閥箱運(yùn)行燈顯示等.系統(tǒng)總的DI、AI、DO如表1所示.

表1 點(diǎn)數(shù)確定

2.2 PLC選擇

下位機(jī)PLC選用OMRON公司CS1雙機(jī)熱備系統(tǒng)[13-14].根據(jù)系統(tǒng)要求，點(diǎn)數(shù)冗余如表1所示的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能.為了操作維護(hù)的方便，輸入輸出統(tǒng)一選用16點(diǎn)模塊，且一個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一條管線，模擬量選用8通道可能遠(yuǎn)傳的4-20 mA電流輸入.

2.3 控制線路

程控系統(tǒng)主要由一臺(tái)主控柜和6臺(tái)就地柜組成.主控柜內(nèi)含有可編程控制器，組態(tài)有控制按鈕、報(bào)警燈等.就地柜是控制現(xiàn)場(chǎng)閥門的關(guān)鍵設(shè)備，內(nèi)含電磁閥和壓力開關(guān).此外，還有一些料位設(shè)備和壓力檢測(cè)設(shè)備，如灰斗料位、灰?guī)炝衔缓洼斔蛪毫ψ兯推鞯?

2.4 就地柜端子接線

采用6臺(tái)就地柜，分別控制兩條管線.輸入輸出端子接線位置相對(duì)應(yīng)，既便于互為備用，又方便檢修記住端子號(hào)和對(duì)不同系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)計(jì).

表2 主控柜端子排對(duì)應(yīng)的輸出控制點(diǎn)位地址

2.5 主控柜端子接線

2.5.1 主控柜到就地柜端子排的輸出

主控柜到一、二、三電場(chǎng)就地柜端子排的輸出分別設(shè)定為：JX00、JX02，就地柜分別為Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23，其對(duì)應(yīng)的輸出控制點(diǎn)的位地址見表2.

由于二、三電場(chǎng)和四電場(chǎng)共用一個(gè)進(jìn)氣閥、氣化閥、吹堵閥和報(bào)警燈，因此，一、二電場(chǎng)端子排少了吹堵閥，二、三電場(chǎng)端子排少了進(jìn)氣閥，一、三電場(chǎng)端子排少了氣化閥.

2.5.2 主控柜到就地柜端子排的輸入

主控柜到一、二、三電場(chǎng)就地柜端子排的輸入分別設(shè)定為：JX01、JX03，主控柜端子排對(duì)應(yīng)的輸入控制點(diǎn)的位地址見表3.

2.5.3 主控柜到壓力變送器、料位計(jì)的輸入

主控柜到一、二管線端子排的輸入分別設(shè)定為：PA11、PA12、P11、P12，主控柜到壓力變送器輸入控制點(diǎn)的位地址見表4.

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制水平及要求

程控系統(tǒng)由安裝在集控室內(nèi)的CRT站、PLC機(jī)柜及安裝在就地柜的電磁閥箱組成.運(yùn)行人員在集控室內(nèi)的CRT站完成對(duì)整個(gè)飛灰、灰?guī)煜到y(tǒng)工藝參數(shù)及設(shè)備的集中監(jiān)控，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)欠壓、堵管及灰?guī)煲绯龅裙收蠒r(shí)，在CRT的系統(tǒng)畫面上自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并指出報(bào)警的地點(diǎn)和類別.系統(tǒng)的在線控制功能可以實(shí)現(xiàn)在CRT上強(qiáng)制啟、停系統(tǒng).

系統(tǒng)控制方式分為自動(dòng)、手動(dòng)兩種方式.自動(dòng)方式：系統(tǒng)根據(jù)灰斗料位計(jì)數(shù)器和時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器自動(dòng)運(yùn)行.間隔時(shí)間可通過CRT設(shè)定.除灰程序運(yùn)行時(shí)，當(dāng)料位高或間隔時(shí)間到時(shí)，程序?qū)?duì)粗灰?guī)炝衔弧⒓?xì)灰?guī)炝衔?、輸送氣源壓力和儀器用氣源壓力做出判斷；如細(xì)灰?guī)炝衔桓叨只規(guī)炝衔吹礁呶粫r(shí)，細(xì)灰?guī)炝衔桓邎?bào)警，程序?qū)鸦規(guī)祉旊姶砰y切換至粗灰?guī)?

表3 主控柜端子排對(duì)應(yīng)的輸入控制點(diǎn)的位地址

3.2 PLC軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 輸送系統(tǒng)邏輯過程

接通電源、合上空開，啟動(dòng)電源，電源燈亮，輸送氣源和儀器用氣源壓力達(dá)到0.5 MPa后，氣源電接點(diǎn)壓力燈亮，啟動(dòng)一號(hào)或者二號(hào)爐的一、二、三號(hào)發(fā)送器，如果運(yùn)行燈未閃爍，表明程控系統(tǒng)正常，一、二號(hào)爐的發(fā)送器可以投入運(yùn)行，程控系統(tǒng)投入正常運(yùn)行.如圖3所示.

除灰程序運(yùn)行時(shí)，當(dāng)料位超出高值時(shí)，超高料位報(bào)警并發(fā)出停止系統(tǒng)提示.否則當(dāng)料位計(jì)數(shù)或時(shí)間間隔計(jì)數(shù)到時(shí)，關(guān)進(jìn)料閥→密封圈加壓→檢測(cè)氣源壓力是否符合要求，若不符合要求，發(fā)出停止系統(tǒng)提示；若符合要求，開出料閥→開進(jìn)氣閥→檢測(cè)管道壓力是否偏低，若不是，報(bào)警并提示關(guān)進(jìn)氣閥；若是，關(guān)進(jìn)氣閥→延時(shí)3秒→關(guān)出料閥，密封泄壓→是否停止系統(tǒng)，若是，按停止按鈕；若不是，進(jìn)入下一循環(huán).

自動(dòng)控制流程為：開進(jìn)料閥→灰斗料位到或時(shí)間間隔到位，關(guān)進(jìn)料閥→密封加壓→開出料閥→開進(jìn)氣閥→關(guān)進(jìn)氣閥→關(guān)出料閥，密封泄壓→系統(tǒng)循環(huán).

3.2.2 手動(dòng)控制

手動(dòng)控制程序：接通電源→合上空開→啟動(dòng)電源，電源燈亮→就地柜轉(zhuǎn)鈕轉(zhuǎn)向手動(dòng)位置，用改錐逐個(gè)調(diào)試閥門，直至滿意為止.

手動(dòng)控制必須以自動(dòng)控制流程為操作順序：開進(jìn)料閥→關(guān)進(jìn)料閥→密封加壓→開出料閥→開進(jìn)氣閥→關(guān)進(jìn)氣閥→關(guān)出料閥，密封泄壓.

手動(dòng)方式為軟件操作方式，通過控制單個(gè)閥門實(shí)現(xiàn)上述過程.

3.2.3 梯形編程

如圖4所示，是CS1雙機(jī)熱備PLC編程界面，共分為2個(gè)程序，每個(gè)程序分別有一電場(chǎng)、二電場(chǎng)、三電場(chǎng)；IO表示主機(jī)架00通道16點(diǎn)輸出、01通道16點(diǎn)輸入、02通道16點(diǎn)輸出、03通道16點(diǎn)輸入和04通道AI輸入等.

表4 主控柜到壓力變送器輸入控制點(diǎn)的位地址

圖3 編程邏輯過程圖

在PLC通電后，進(jìn)行程序初始化，所有的軟繼電器都復(fù)位到最初設(shè)置的狀態(tài).系統(tǒng)開始運(yùn)行，在每一次輸灰過程中，系統(tǒng)都可以置位在運(yùn)行狀態(tài)，以確保一次輸灰過程的順利完成.如果在系統(tǒng)運(yùn)行中需要中止，按下停止按鈕，系統(tǒng)將在下一次循環(huán)中止，所以當(dāng)前系統(tǒng)還將繼續(xù)運(yùn)行，直到把管道中的灰送入灰?guī)?這樣設(shè)計(jì)可以確保輸灰系統(tǒng)的安全，如果系統(tǒng)在輸灰過程中快速響應(yīng)中止程序，管道中的灰栓停止運(yùn)動(dòng)就會(huì)堵塞在管道中，造成堵管現(xiàn)象，這樣在實(shí)際工廠中是不允許的.所以我們?cè)诔绦蛑写罅坑玫街梦恢噶?，從而避免出現(xiàn)堵管現(xiàn)象.

圖4 梯形圖

3.3 系統(tǒng)組態(tài)設(shè)計(jì)

3.3.1 繪制氣力輸送系統(tǒng)的主畫面

圖5所示為氣力輸送系統(tǒng)主畫面，畫面中的圓頂閥、倉(cāng)泵、壓力變送器等采用擬人化設(shè)計(jì)，畫面內(nèi)容基本上與系統(tǒng)圖對(duì)應(yīng).圖中包含了系統(tǒng)所需的部件，如泵、圓頂閥、平衡閥、料位計(jì)、手動(dòng)閥、自動(dòng)閥、壓力表、灰?guī)?、管線等.

3.3.2 動(dòng)畫連接

以圓頂閥為例，可在主畫面中雙擊鼠標(biāo)彈出對(duì)話柜，如圖6所示，點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)，輸入變量確定.必須說(shuō)明的是，在連接前必須把所要的開關(guān)量或模擬量設(shè)定好，否則在動(dòng)畫連接時(shí)將找不到所需的開關(guān)量或模擬量.其他的元件也可以按此步驟進(jìn)行動(dòng)畫連接.

圖5 氣力輸送系統(tǒng)編輯主畫面

3.3.3 運(yùn)行主畫面.

當(dāng)動(dòng)畫連接完成后，就可以運(yùn)行主畫面組態(tài)，如圖7所示.本畫面的特點(diǎn)是：動(dòng)畫過程與真實(shí)的進(jìn)料閥工作過程相同；落料過程是根據(jù)落料時(shí)間設(shè)計(jì)變量的，所以落料過程也是動(dòng)畫過程，與真實(shí)的落料過程相同；輸送過程是根據(jù)輸送時(shí)間設(shè)計(jì)變量的，與真實(shí)的輸送過程相同；另外輸送氣源壓力表用小方框表示，如果氣源不足則顯示綠色，否則顯示紅色.

圖6 動(dòng)畫連接

圖7 運(yùn)行的組態(tài)

4 結(jié)論

在對(duì)粉煤灰氣力輸送的設(shè)計(jì)原理、工藝過程分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行 PLC雙機(jī)熱備控制、組態(tài)監(jiān)控的開發(fā).

（1）雙機(jī)熱備控制系統(tǒng)非常適合粉煤灰氣力輸送的特點(diǎn)，因?yàn)闅饬斔腿绻麊螜C(jī)發(fā)生瞬間故障就會(huì)引起堵管，造成嚴(yán)重事故.因此，開發(fā)雙機(jī)熱備氣力輸送系統(tǒng)是必要的.

（2）開發(fā)的雙機(jī)熱備氣力輸送系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試和半年的運(yùn)行表明，雙機(jī)熱備控制系統(tǒng)可以在粉煤灰氣力輸送系統(tǒng)中推廣應(yīng)用.

（3）組態(tài)監(jiān)控技術(shù)能實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)情況，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度.雙機(jī)熱備PLC的應(yīng)用也使得系統(tǒng)功能易于擴(kuò)展，增加了系統(tǒng)的可靠性和靈活性.

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