基于工業(yè)以太網(wǎng)的煤礦坑口電廠過程裝備集控系統(tǒng)

王 攀 韓 進 王啟立 薛 江 何 敏

(1.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇恒久機械集團，江蘇 徐州 221000；3.徐州工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

隨著電力工業(yè)迅速發(fā)展，電廠過程裝備逐漸趨于復(fù)雜化和大型化，因此對廠內(nèi)過程設(shè)備的監(jiān)測與控制成為保障正常生產(chǎn)過程的一大重要環(huán)節(jié)[1～3]。電廠DCS系統(tǒng)主要以各生產(chǎn)系統(tǒng)為單位進行接入，核心系統(tǒng)有鍋爐系統(tǒng)和汽機系統(tǒng)。目前，大多數(shù)電廠僅從生產(chǎn)管理角度進行垂直監(jiān)控，而忽略了一些輔助系統(tǒng)的監(jiān)控與管理，如鼓風(fēng)機、水泵房及壓縮機等較為分散的輔助設(shè)備，大多沒有接入DCS系統(tǒng)。因此，管理技術(shù)人員需要定期到各車間進行巡檢，或者就地值班人員通過電話方式向主管部門匯報運行情況，效率不高，且不符合現(xiàn)代化火電廠管理要求[4～6]。為此，筆者以某坑口電廠的典型過程裝備為例，基于工業(yè)以太網(wǎng)，結(jié)合PLC和組態(tài)軟件，將分散在各地的壓縮機、水泵和鼓風(fēng)機整合到一個系統(tǒng)中，實現(xiàn)對典型過程設(shè)備的遠(yuǎn)程集中控制。

電廠主要過程裝備的性能參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)是設(shè)備運行工況的重要表征，對其進行實時監(jiān)測與控制是電廠過程裝備監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能。以某電廠為例，其主要設(shè)備有5臺水泵、3臺壓縮機和3臺鼓風(fēng)機，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

監(jiān)控系統(tǒng)擬實現(xiàn)以下主要功能：

a. 對水泵運行參數(shù)進行監(jiān)測，包括水泵轉(zhuǎn)速、軸承溫度及軸承振動等。

b. 對壓縮機運行參數(shù)進行監(jiān)測，包括排氣壓力、排氣溫度、排氣量、冷卻介質(zhì)溫度、油分離器溫度、電機三相繞組溫度、電機軸承溫度及軸承振動等。

圖1 過程裝備監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架

c. 對鼓風(fēng)機運行參數(shù)進行監(jiān)測，包括定子溫度、軸承溫度、負(fù)壓、全壓及軸承振動等。

d. 對水泵、壓縮機和鼓風(fēng)機電氣回路的電量參數(shù)進行監(jiān)測，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率及功率因數(shù)等。

e. 對水泵、壓縮機和鼓風(fēng)機的運行狀態(tài)和故障狀態(tài)進行監(jiān)測與報警，包括啟停狀態(tài)、故障狀態(tài)、報警狀態(tài)及故障次數(shù)等；對電氣回路進行遠(yuǎn)程控制，實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟?；蚍趾祥l操作。

f. 組態(tài)上位人機界面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、模擬運行、數(shù)據(jù)存儲與查詢及實時與歷史趨勢分析等功能。

g. 實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與信息遠(yuǎn)傳，與上級監(jiān)控系統(tǒng)或主管部門實現(xiàn)信息聯(lián)網(wǎng)，成為數(shù)字化火電廠監(jiān)控系統(tǒng)的一部分。

2 系統(tǒng)硬件

由圖1可知，系統(tǒng)包括3個PLC站，PLC站就地布置在各車間，通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機建立通信，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。因此，系統(tǒng)硬件設(shè)計包括測量傳感器選型(表1)和PLC設(shè)備選型。選型依據(jù)3個原則：技術(shù)指標(biāo)符合要求，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控要求；環(huán)境適應(yīng)性強，滿足工業(yè)現(xiàn)場實際工作條件；設(shè)備應(yīng)為當(dāng)前行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的主流產(chǎn)品，質(zhì)量可靠、性價比高且使用壽命長。

表1 系統(tǒng)測量傳感器選型

溫度測量采用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，測量范圍滿足現(xiàn)場要求，且安裝方便、性價比高，輸出電阻信號，能夠直接被PLC站的模擬量輸入(AI)模塊采集，無需轉(zhuǎn)換或變送。壓力傳感器選擇微差壓變送器，測量精度高、可靠性好。振動測量采用振動加速度傳感器和振動位移變送器組合方式，振動加速度信號通過振動變送器積分放大后變?yōu)檎穹盘?，進入PLC站的AI模塊，即可測量旋轉(zhuǎn)設(shè)備軸承的振動幅值。電量參數(shù)測量采用EDA9033系列綜合多功能模塊，實現(xiàn)各設(shè)備電氣回路的三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率及功率因數(shù)等信號的采集與測量。

監(jiān)控系統(tǒng)以S7-300 PLC為基礎(chǔ)，配置相關(guān)模塊。首先，根據(jù)系統(tǒng)監(jiān)控點數(shù)配置相關(guān)I/O模塊，并考慮10%～20%的冗余，以備升級和擴展。PLC站與上位機之間采用TCP/IP通信，因此，需要配置CP343以太網(wǎng)通信模塊。另外，壓縮機設(shè)備自帶通信控制器，PLC站可通過CP341模塊與通信管理器實現(xiàn)Modbus通信，并進行數(shù)據(jù)交換。PLC站對各設(shè)備電氣回路開關(guān)量狀態(tài)的監(jiān)測與控制采用繼電器輸入/輸出模塊實現(xiàn)。硬件設(shè)備合理布置在各PLC站的監(jiān)控柜中，實現(xiàn)信號的采集、轉(zhuǎn)換及控制輸出等功能，控制設(shè)備選型結(jié)果見表2。

表2 控制設(shè)備選型

3 系統(tǒng)軟件

3.1 PLC編程軟件

分別采用Step7 V5.4和WinCC組態(tài)軟件完成下位機PLC站編程和上位機人機界面的設(shè)計。在Step7編程過程中，首先建立S7-300 PLC站，然后設(shè)置模塊參數(shù)，最后完成Hardware組態(tài)。程序編寫采用模塊化思想，將每個車間的模擬量數(shù)據(jù)處理和開關(guān)量數(shù)據(jù)處理分別放在不同的功能塊(FC)中，然后存儲在不同的共享數(shù)據(jù)塊(DB)中，供上位組態(tài)軟件循環(huán)調(diào)用。如FC1、FC3、FC5分別處理1#～3#PLC站的模擬量信號，F(xiàn)C105、FC106是處理模擬量輸入輸出信號的專用功能塊，在程序中被循環(huán)調(diào)用；FC2、FC4、FC6分別處理1#～3#PLC站的開關(guān)量信號，DB10、DB11、DB12分別存儲各PLC站處理后的數(shù)據(jù)。在PLC站與壓縮機控制器的Modbus通信中，采用FB8、FB7功能塊用于發(fā)送和接收報文，DB21、DB22數(shù)據(jù)塊用于存儲發(fā)送和接收的報文數(shù)據(jù)，并在相應(yīng)的FC功能塊中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及計算等處理，處理后的數(shù)據(jù)存儲于對應(yīng)的DB共享數(shù)據(jù)塊中。系統(tǒng)編程所用的主要功能塊如下：

OB1 主程序塊

OB86 系統(tǒng)故障處理

OB100 初始化

FC1 1#PLC站模擬量處理

FC2 1#PLC站開關(guān)量處理

FC3 2#PLC站模擬量處理

FC4 2#PLC站開關(guān)量處理

FC5 3#PLC站模擬量處理

FC6 3#PLC站開關(guān)量處理

F105 AI信號處理

F106 AO信號處理

FB7 Modbus接收報文

FB8 Modbus發(fā)送報文

DB10 1#PLC站數(shù)據(jù)存儲

DB11 2#PLC站數(shù)據(jù)存儲

DB12 3#PLC站數(shù)據(jù)存儲

DB21 接收報文數(shù)據(jù)存儲

DB22 發(fā)送報文數(shù)據(jù)存儲

3.2 上位組態(tài)軟件

人機界面能夠友好直觀地反映監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)各部分的運行情況，便于管理和維護人員作出有效決策[7]。人機界面采用MCGS組態(tài)軟件進行二次開發(fā)，為便于維護管理和性能擴展，采用模塊化設(shè)計，將人機界面分為數(shù)據(jù)處理、界面組態(tài)、控制與預(yù)警及輔助設(shè)計等功能模塊，分別實現(xiàn)相應(yīng)功能，監(jiān)控系統(tǒng)的軟件功能框架如圖2所示。

圖2 軟件功能框架

數(shù)據(jù)處理首先進行WinCC變量定義，建立外部變量、內(nèi)部變量和公共變量，并建立外部變量與Step7程序變量的鏈接，設(shè)置數(shù)據(jù)工程格式轉(zhuǎn)換。通過VBS腳本編程，完成變量寫入、數(shù)學(xué)運算及歷史數(shù)據(jù)存儲等功能。界面組態(tài)主要由水泵監(jiān)控界面、壓縮機監(jiān)控界面、鼓風(fēng)機監(jiān)控界面、歷史數(shù)據(jù)和歷史曲線界面、報警設(shè)置和查詢界面構(gòu)成。控制與預(yù)警主要完成各車間設(shè)備的遠(yuǎn)程控制界面組態(tài)與控制變量的鏈接，同時對設(shè)備故障信號和部分關(guān)鍵監(jiān)控參數(shù)建立報警處理機制，當(dāng)發(fā)生報警時，記錄報警報文信息，按照預(yù)案進行報警處置。輔助系統(tǒng)主要功能有：建立用戶管理制度，分配權(quán)限，防止誤操作；建立網(wǎng)頁發(fā)布系統(tǒng)，可通過Web發(fā)布監(jiān)控界面；建立完善的系統(tǒng)幫助制度，為相關(guān)人員使用維護監(jiān)控系統(tǒng)提供幫助。

3.3 通信網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代化工業(yè)控制系統(tǒng)要求其通信網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速度快、可靠性高和兼容性好的特點，而在現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)中，工業(yè)以太網(wǎng)是應(yīng)用最為廣泛、可靠性最高的通信方式，可使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備來進行遠(yuǎn)程連接和控制?；诠I(yè)以太網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)大都支持如TCP/IP、OPC及OLE等開放式的數(shù)據(jù)交換協(xié)議，同時也支持采用Visual Basic、Java及Visual C++等編程語言進行二次開發(fā)[8,9]。

本監(jiān)控系統(tǒng)采用OPC協(xié)議與Web網(wǎng)頁發(fā)布技術(shù)相結(jié)合的通信方式，OPC通信對象主要為以太網(wǎng)內(nèi)其他監(jiān)控主機和上級管理部門主機，訪問對象為相關(guān)值班人員，可遠(yuǎn)程控制；Web網(wǎng)頁發(fā)布的訪問對象為電廠系統(tǒng)的管理層和決策層，便于中、上層管理人員實時了解系統(tǒng)運行狀況，不具有控制權(quán)限。OPC是國際通用數(shù)據(jù)交換協(xié)議，將系統(tǒng)監(jiān)控上位機作為OPC Server，將電廠工業(yè)以太網(wǎng)中其他需要訪問該系統(tǒng)的上位機作為OPC Clinet，通過DCOM配置和OPC Server.WinCC配置提供數(shù)據(jù)源，供以太網(wǎng)內(nèi)其他上位機訪問和讀寫數(shù)據(jù)，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)與其他系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和遠(yuǎn)程控制。同時，通過WinCC的Web Navigator軟件包，將監(jiān)控系統(tǒng)的人機界面進行網(wǎng)頁發(fā)布。首先在監(jiān)控上位主機上安裝Web Navigator(Sever)軟件包，進行相關(guān)設(shè)置和組件服務(wù)器；然后進行瀏覽器組態(tài)，將需要Web發(fā)布的人機界面組態(tài)到瀏覽器中；最后，工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)需要進行網(wǎng)頁訪問的客戶機便可通過TCP/IP地址訪問服務(wù)器網(wǎng)頁，首次訪問時需要根據(jù)要求安裝Web Navigator(Clinet)軟件包。

4 結(jié)束語

設(shè)計了一種基于工業(yè)以太網(wǎng)的典型電廠過程裝備遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦坑口電廠主要過程設(shè)備運行參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過數(shù)據(jù)交換和網(wǎng)頁發(fā)布，實時向工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)其他客戶端傳輸和發(fā)布監(jiān)控系統(tǒng)，為生產(chǎn)部門和管理部門提供了實時快捷信息。作為DCS系統(tǒng)的有益補充，極大地推動了電廠大型設(shè)備橫向集中管理設(shè)備的發(fā)展，為數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的電廠監(jiān)控管理系統(tǒng)發(fā)展提供了一種新思路。

[1] 韋思亮,魏春嶺,馬欣欣.IGCC電廠控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)研究[J].化工自動化及儀表,2010,37(10):95～98.

[2] 灣麗文.火電廠監(jiān)控信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2012.

[3] 董玉強,白焰.DCS在某電廠脫硫系統(tǒng)的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2012,39(12):1561～1566.

[4] 劉長遠(yuǎn),王振,王建軍,等.電站鍋爐先進控制系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2012,39(9):1136～1142．

[5] 王平,劉登魁,丁旭,等.基于PCS7的流化床鍋爐綜合控制方案設(shè)計與實施[J].化工自動化及儀表,2013,40(1): 52～55．

[6] 朱安邦,黃君良.基于網(wǎng)絡(luò)的多臺空氣壓縮機遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].東華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2005,31(2):41～46.

[7] 曹輝,馬棟萍,王暄,等.組態(tài)軟件技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:4～6.

[8] 崔堅.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006:143～149.

[9] 周曉斌.OPC 技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2011,25(5):80～85.