火電廠輸煤程控系統(tǒng)的研究與設(shè)計

譚寶成，葉國印

（西安工業(yè)大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

目前我國火電廠大部分還是以燃煤為主，加工、運輸、貯備足夠的燃煤是火電廠最基本、最主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一[1]。國外大型燃煤電廠多為基于可編程序控制器（Programmable Logic Controller即PLC），智能測量控制儀表，通用計算機等構(gòu)成的集散控制系統(tǒng)。本文采用了國際目前最先進的3C（Control，Communication，Computer）技術(shù)，控制系統(tǒng)為典型的DCS系統(tǒng)，分為生產(chǎn)管理層、現(xiàn)場控制層、就地控制層。該系統(tǒng)可大大減少運行和維護人員的工作量，減少事故的發(fā)生，對電廠的安全高效運行有很大的幫助。隨著電力工業(yè)的大力發(fā)展以及電力企業(yè)之間的競爭的加劇，在“廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)”的大背景下，電力生產(chǎn)企業(yè)面臨著前所未有的考驗，如何降低成本，提高企業(yè)的市場競爭力便成了電力企業(yè)的共同議題。該系統(tǒng)必將會受到越來越多的關(guān)注。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸煤程控系統(tǒng)主要由四部份組成，分別為卸煤部分、堆煤部分、上煤部分、配煤部分組成，一般各個電廠的卸煤部分和堆煤部分是對外來煤進行整理，以供上煤部分使用。由于各個電廠的歷史背景條件不同，所以這部分是相對獨立自由的。本系統(tǒng)重點研究上煤部分和配煤部分。輸煤系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 輸煤系統(tǒng)框圖Fig.1 Temperature control system structure

上煤部分是輸煤皮帶機完成將原煤從煤場輸送到原煤倉的過程；配煤部分是將從上煤系統(tǒng)輸送來的煤按照一定的要求、規(guī)律、順序地分配到煤倉中的過程。輸煤系統(tǒng)所有受控設(shè)備包括各級送料皮帶，一、二級碎煤機室中等主要設(shè)備。本設(shè)計所需要受控對象包括：碎煤機4臺，帶式輸送機8條，雙側(cè)犁式卸料器6臺，原煤倉4座，電動三通擋板2臺，振動給料機4臺，震動篩2臺，電動緩沖滾筒2臺，帶式除鐵器2臺，盤式除鐵器2臺，電子皮帶秤2臺等。由于火電廠在一定時間內(nèi)煤質(zhì)量相差很大，因而用煤量亦相差很大，輸煤系統(tǒng)必須具有靈活多樣的運行方式，只有這樣機組才能達到穩(wěn)發(fā)電滿發(fā)電的目的[2]。

2 輸煤程控設(shè)計控制方式

輸煤程控系統(tǒng)分為上煤和配煤兩部分。為了使系統(tǒng)便于操作及安全可靠運行，對于上煤部分要求可分為程控自動、集控方式和手動方式。

1）程控自動：整個系統(tǒng)通過上位機進行鍵盤鼠標控制，首先在上位機預(yù)先流程菜單上選擇流程路徑，然后系統(tǒng)自動檢查是否正確，當犁煤器、盤式除鐵器、三通擋板到位，而且落煤管、篩煤機的堵煤檢測設(shè)備無報警后。這時系統(tǒng)提示準備就緒，運行操作人員這時可以在上位機發(fā)出指令，系統(tǒng)自動完成相關(guān)設(shè)備的順序啟動。每條皮帶啟動前報警器發(fā)出20 s報警，皮帶啟動后警鈴停止。程序停機時按順煤流逐一按預(yù)定的延時停機。

2）集控方式：在上位機上通過鼠標鍵盤完成操作，分為遠程聯(lián)鎖手動和解鎖手動，解鎖手動可對任何一臺設(shè)備隨意啟停，要求是在不帶負載方式下運行，主要是在設(shè)備調(diào)試時使用。聯(lián)鎖手動是按逆煤流方向?qū)υO(shè)備進行一對一的啟動，停機時按順煤流方向一對一停止。當手動關(guān)停運行的任何一臺設(shè)備時，這臺設(shè)備逆煤流方向上的所有設(shè)備聯(lián)鎖停機。

3）就地手動：在設(shè)備檢修調(diào)試或發(fā)生緊急情況下，直接在設(shè)備現(xiàn)場控制箱上進行。

上煤部分的輸煤設(shè)備以逆煤流方向啟動；按順煤流方向從煤源開始每一臺設(shè)備延時停車，并且延時時間可以設(shè)定使其上余煤正好走空，這樣保證下次再次啟動時設(shè)備處于空載狀態(tài)。在運行中，當任一臺設(shè)備發(fā)生重大事故，如皮帶的拉線動作和持續(xù)2S的皮帶打滑、重跑偏（≥35°）、落煤管堵煤等，PLC主機立即向此設(shè)備發(fā)停車信號，并因此設(shè)備停車而聯(lián)跳故障點以上（逆煤流方向）的設(shè)備，并且故障點設(shè)備急閃燈，顯示故障點發(fā)生的地點、及故障發(fā)生類型。但由于碎煤機的特殊性，除自身事故采取延時（破碎聲音消失1～2分鐘后）聯(lián)跳，不允許在給煤過程中停機。當按緊急停機時，運行設(shè)備立即全線停機，僅碎煤機延時停機。順序啟動和停車流程如圖2所示。

圖2 順序啟動和停車流程圖Fig.2 The flow chart of the order to start and stop

配煤控制分為程控配煤、手動配煤和就地配煤。配煤系統(tǒng)具有分爐計量及分場計量功能，為電廠的平衡計算創(chuàng)作條件。程控配煤根據(jù)鍋爐對不同煤種的加倉要求，加倉起始，先依次對出現(xiàn)低煤位的倉進行優(yōu)先配煤，待所有煤倉低煤位信號消失后，再進行順序配煤，可以設(shè)置時間兼顧高料位信號順序轉(zhuǎn)到下一個煤倉進行順序配煤。如果又出現(xiàn)低煤位倉則停止原順序，優(yōu)先為低煤位倉配煤并保持原配煤時間 （可設(shè)置），配至一定數(shù)量后再轉(zhuǎn)入順序配煤程序，當達到高料位設(shè)置后再按照上位機設(shè)定的順序為下一煤倉配煤。當所有煤倉出現(xiàn)煤位上限信號后，上煤部分停機并將皮帶上的煤配給各原煤倉，其中要自動跳過滿倉、高煤位倉和檢修倉。手動配煤是在上位機上手動操作控制犁煤器的抬落，就地配煤是就地值班員將犁煤器控制箱控制開關(guān)（三位自鎖開關(guān)）打到就地位置，實現(xiàn)就地操作配煤，這時該犁煤器不受上位機的控制。程序配煤流程圖如圖3所示。

圖3 程序配煤流程圖Fig.3 The program flow chart of coal blending

3 系統(tǒng)設(shè)計

輸煤程控采用雙主機 （雙機熱備用）配置的SIMATIC PLC S7系列S7-300完成上煤部分及配煤部分控制等功能，PLC置于輸煤程控綜合室。S7系列PLC是德國西門子公司傳統(tǒng)意義的PLC產(chǎn)品，其中S7-300是針對中等性能要求的模塊式中小型PLC，最多可擴展32個模塊，豐富的數(shù)字量和模擬量I/O，并可用STEP7對所有SIMATIC部件進行硬件組態(tài)和通信連接組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和編程。高性能、高可靠性的可編程邏輯控制器，可以為不同工業(yè)領(lǐng)域提供個性化解決方案，廣泛用于各種機械設(shè)備和生產(chǎn)過程的自動控制系統(tǒng)中。

整個系統(tǒng)共分為三層，包括生產(chǎn)管理層（輸煤程控室）、現(xiàn)場控制層（PLC控制站）及就地控制層（遠程I/O）。現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過PLC系統(tǒng)進行采集，并通過主干通信網(wǎng)絡(luò)—環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)傳送到中心控制室監(jiān)控計算機進行集中監(jiān)控和管理。由于火電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)備的特殊性：聯(lián)鎖性強、設(shè)備分散、干擾性強等，系統(tǒng)設(shè)有一個主站和若干個遠程I/O分站，主站為S7-300系列。遠程I/O口站分別是輸煤綜合樓站、粗碎機室站、1#轉(zhuǎn)運站、2#轉(zhuǎn)運站、細碎機室站、煤倉層遠程站，由ET200分布式I/O構(gòu)成[3]?，F(xiàn)場設(shè)備（傳動設(shè)備、執(zhí)行器、傳感器）等信號就進接入附近的遠程I/O分站，通過設(shè)置冗余的PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)于系統(tǒng)主站的通訊，這樣減少了大量的I/O接線。這樣以系統(tǒng)主站為控制中心,將上煤、配煤等過程構(gòu)成了一個龐大的、聯(lián)鎖的、冗余熱備的監(jiān)控網(wǎng)，完成對系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備集中管理和分散控制。輸煤程控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control structure chart

圖2 中，為了保證輸煤系統(tǒng)的穩(wěn)定安性，系統(tǒng)主站S7-300系列PLC，采用互為熱備用的機架通過光纖實時更新保存數(shù)據(jù)同步[4]。其中CPU319-3PN/DP位操作指令的執(zhí)行時間為0.01μs。數(shù)字量的輸入和輸出最多均為65536點，模擬量輸入和輸出均為4096個，西門子輸入輸出可由輸入輸出模塊配置，簡稱信號模塊，可分為數(shù)字量輸入模塊（DI），如SM 321；數(shù)字量輸出模塊（DO），如 SM 322；數(shù)字量輸入（DI）/輸出（DO）模塊，如 SM 323；模擬量輸入模塊（AI），如 SM 331，；模擬量輸出模塊（AO），如 SM 332；模擬量輸入/輸出模塊，如SM 334和SM 335。接口模塊采用6ES7-153-1AA01-0XBO。在本系統(tǒng)中I/O點配置表如表1所示。

表1 系統(tǒng)I/O點配置統(tǒng)計表Tab.1 The system I/O point configuration TAB

其中數(shù)字量I/O點數(shù)負載率和模擬量I/O負載率都很低，所以I/O點數(shù)不是考慮的重點。使用S7-300系列只需考慮RAM存儲容量的問題，整個系統(tǒng)內(nèi)存使用量統(tǒng)計如表2所示。

表2 內(nèi)存使用情況統(tǒng)計Tab.2 Statistics for used memory

S7-300系列CPU其RAM存儲量為1 400 kB，并可以插入8 MB的微存儲卡（MMC），上表可得系統(tǒng)所需要的內(nèi)存量為784.8 kB，所占總內(nèi)存量比例比較小，這樣可以保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定可靠性。根據(jù)系統(tǒng)的控制對象，本著先進、經(jīng)濟、通用的原則，選擇主站采用S7-300系列，遠程站采用STMTICET200 I/O系統(tǒng)。S7-300系列屬于模板式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需求配置不同的擴展模板，其中包括：電源模板（PS）、中央處理器（CPU）、各種信號模板（SM），通信模板（CP），功能模板（FM）。開關(guān)量輸入、輸出模塊均用繼電器隔離，模擬量輸入輸出使用隔離器隔離。

管理層為的上位機監(jiān)控軟件采用西門子公司的WinCC（Windows Control Center）， 連 接 到 冗 余 的 工 業(yè) 以 太 網(wǎng)（Industrial Ethernet）實現(xiàn)對設(shè)備可靠的實時監(jiān)控。WINCC不僅有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 （SCADA）功能，還有組態(tài)、腳本（Script）語言和OPC等先進技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)是專為工業(yè)應(yīng)用專業(yè)設(shè)計的，可用24 V冗余供電，抗干擾能力強，采用標準導軌，方便組成各種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，通訊介質(zhì)根據(jù)通訊距離可以選擇光纖或屏蔽雙絞線，具有10Mbps/100Mbps自適應(yīng)傳輸速率。該網(wǎng)絡(luò)還具有良好的擴充性，還可以通過交換機及必要的網(wǎng)關(guān)設(shè)置連接到MIS或SIS網(wǎng)實現(xiàn)信息的集中監(jiān)控和管理。控制層網(wǎng)路采用雙網(wǎng)雙纜冗余的PROFIBUSDP現(xiàn)場總線與主機通信，該網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點最遠傳輸距離1 000 m，最多可接32個節(jié)點，是專門為工業(yè)控制現(xiàn)場層的分散之間通信設(shè)計的[5]。主要滿足大容量信息傳送的要求，其最大傳輸速率為12 000 kbit/s，遠大于上表統(tǒng)計的傳輸載荷（784.8 kB）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

輸煤程控系統(tǒng)軟件設(shè)計包括控制程序組態(tài)設(shè)計及上位機畫面組態(tài)設(shè)計。

4.1 控制程序組態(tài)設(shè)計

輸煤程控劃分為輸煤和配煤兩部分來實現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備和電廠實際的需求，將各個設(shè)備合理詳盡的劃分，合理的配置到就近遠端I/O站，并將輸煤線路分為若干個流程以便于上位機的操作。為了滿足集控運行，需要設(shè)置連鎖位來控制設(shè)備間的連鎖，這在PLC程序中需要設(shè)置中間變量以滿足各種控制方式的實現(xiàn)。對以配煤部分，通過控制犁煤器的抬落來控制煤流的走向，這些可以按照原煤倉料位計和高料位開關(guān)提供的反饋以及對煤倉、犁煤器等的設(shè)置來實現(xiàn)配煤的自動化。這樣系統(tǒng)各控制站共同實現(xiàn)生產(chǎn)過程的控制和操作管理，包括系統(tǒng)設(shè)備正常啟動關(guān)閉，可以進行急停、故障停止，設(shè)備間安全互鎖，報警信息的采集和報警以及與上位機數(shù)據(jù)通信、備份。系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 Control flow chart

4.2 上位機畫面組態(tài)設(shè)計

在輸煤程控室內(nèi)，通過兩臺上位機監(jiān)控計算機進行輸煤系統(tǒng)的集中監(jiān)測和控制，分為操作員站和工程師站[6]。上位機主畫面主要為：控制方式選擇、流程路徑的選取、緊急情況停車和連鎖等選擇按鈕。不僅能顯示電機、三通等系統(tǒng)的運行狀態(tài)、過程參數(shù)、報警等，還可以進行各種運行方式的選擇和切換，進行自動、手動程控操作。該系統(tǒng)人機界面設(shè)計是應(yīng)用西門子公司的WinCC來完成，人機界面的設(shè)計首先要創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫文件，本設(shè)計采用”Sybase SQL Anywhere”數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)中的開關(guān)量、模擬量越限等存入到歷史數(shù)據(jù)庫中，然后再通過編寫程序查詢歷史報警。然后再繪制靜態(tài)工藝畫面，最后通過數(shù)據(jù)鏈接建立動態(tài)鏈接，使數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)與靜態(tài)工藝畫面動態(tài)地連接起來。通過先導可以實現(xiàn)按時間段或是按照某一設(shè)備或是某一類數(shù)據(jù)來查詢歷史數(shù)據(jù)庫?？紤]到煤量的統(tǒng)計和對各個煤倉煤位的監(jiān)控，我們對以上模擬量做歷史趨勢表，可以實時的顯示、查詢以上數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

火力發(fā)電廠的燃煤輸送系統(tǒng)是電廠生產(chǎn)系統(tǒng)重要組成部分，隨之我國火電廠裝機容量的提高，對輸煤程控系統(tǒng)等共用自動化控制系統(tǒng)提高了更高的要求。本文在對其組成進行分析的基礎(chǔ)上。充分利用了西門子公司S7系列PLC可靠性、擴展性好、易于使用等方面的優(yōu)勢。將原來相對落后的輸煤系統(tǒng)提高到了一個嶄新的水平。通過PLC雙主機冗余熱備，PROFIBUS-DP的雙網(wǎng)雙纜冗余和工業(yè)以太網(wǎng)的雙冗余實際以及上位機的雙機配置，實現(xiàn)了系統(tǒng)的全冗余設(shè)計。另外該系統(tǒng)具有很好的開放性，為將來擴容提供了便利條件。

[1]于慶廣，閔勇，丁仁杰，等.大型火電廠輸煤程控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001（2）:44-45.YU Qing-guang，MIN Yong，DING Ren-jie，et al.Large coalfired power plant coal SPC system of network control system design[J].The Grid Technology，2001（2）:44-45.

[2]趙新華.火力發(fā)電廠燃煤輸送系統(tǒng)的運行與維護[J].煤礦機械，2011（2）：201-202.ZHAO Xin-hua.Thermal power plant coal conveying system running and maintenance of[J].Coal mining machinery，2011（2）:201-202.

[3]廖常初.S7-300/[M].400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[4]殷興龍.PLC應(yīng)用與實踐[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2009.

[5]劉國海.集散控制與現(xiàn)場總線[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[6]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCCV6[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.