基于Modicon PLC的氫氣點火自控系統(tǒng)設(shè)計

李小娟

（中核建中核燃料元件有限公司，四川 宜賓644000）

0 引言

工業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的氫氣是可以直接排入大氣的，但由于比重輕，易燃、易爆的性質(zhì)對其大量直接的排放，在排放高度、溫度、壓力等方面提出了很高的要求，因而當(dāng)前最有效的方法是將生產(chǎn)中產(chǎn)生的氫氣混合天然氣點火燃燒。

PLC系統(tǒng)作為一種優(yōu)秀的工業(yè)控制系統(tǒng)，在實際工程中有著廣泛的應(yīng)用。配合點火裝置，操作人員只需在上位機(jī)發(fā)出指令，就可以輕松實現(xiàn)點火控制。文章將以施耐德Modicon PLC為基礎(chǔ)詳細(xì)介紹氫氣點火自控系統(tǒng)的設(shè)計。

1 氫氣點火自控概述

氫氣點火自控的目的是將整個生產(chǎn)中產(chǎn)生的含有一定氧含量的氫氣，混合外網(wǎng)來的天然氣點火燃燒，以達(dá)到干凈、安全處理氫氣的作用。

氫氣點火的前提條件為：氫氣中的氧含量低于氫氧混合氣體爆炸臨界值。

自控主要包括對點火裝置以及天然氣閥開/閥關(guān)的控制。在點火自控過程中，當(dāng)有點火控制輸出時，外網(wǎng)來天然氣閥開，上位機(jī)監(jiān)控顯示“正在點火”、“天然氣閥已開”，并輸出火焰檢測報警；若點火失敗，則外網(wǎng)來天然氣閥關(guān)閉，監(jiān)控顯示“天然氣閥已關(guān)閉”。

2 系統(tǒng)設(shè)計

該控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控、PLC集中控制、下位控制執(zhí)行三個部分。其中下位控制執(zhí)行主要由I/O模塊、火焰探測器、天然氣閥、點火裝置實現(xiàn)。氫氣點火自控回路框圖如圖1所示。

圖1 氫氣點火自控回路框圖

2.1網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

該控制系統(tǒng)要求自控實時性強(qiáng)、可靠性高。本控制系統(tǒng)采用上位機(jī)監(jiān)控操作、星型以太網(wǎng)通信和PLC控制工藝設(shè)備相結(jié)合的方式。

整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為兩層。上層工程師/操作員站為管理監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使用工業(yè)以太網(wǎng)，通過集線器將工程師站、操作員站和主/備Modicon PLC連接，為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，符合TCP/IP協(xié)議，介質(zhì)為雙絞線。其中，主/備Modicon PLC通過Quantum 140 NOE 771 01以太網(wǎng)適配器連接網(wǎng)絡(luò)。

下層為測控網(wǎng)絡(luò)，采用遠(yuǎn)程輸入/輸出（RIO）。通過一個分離器（MA-0186-00）將主/備PLC中CRP（遠(yuǎn)程處理器）模塊與下層主干網(wǎng)連接，而下層現(xiàn)場監(jiān)測站通過分支器（MA-0185-00）將本監(jiān)測站CRA（分站適配器）模塊與主干網(wǎng)絡(luò)連接，網(wǎng)絡(luò)終端安裝75Ω終端電阻。下層網(wǎng)絡(luò)采用Modbus和Modbus+通訊，介質(zhì)為同軸電纜。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2 硬件配置

硬件配置主要包括主/備PLC集中控制器及現(xiàn)場監(jiān)測站I/O模塊的配置。

（1）PLC配置：PLC采用一主一備，雙機(jī)熱備的模塊式結(jié)構(gòu)。主、備PLC使用相同的框架式底板和相同的模塊。在Quantum PLC模塊式結(jié)構(gòu)中，雖然模塊對底板不存在依賴關(guān)系，但是要求主、備PLC的模塊順序要求一一對應(yīng)。

CPS模塊：Quantum 140 CPS 111 00，為底板提供標(biāo)準(zhǔn)電壓的電源和保護(hù)系統(tǒng)免受噪聲和電源波動的干擾，將輸入電源轉(zhuǎn)換為+5 Vdc供給CPU、本地I/O及底板上任意通訊模塊。

CPU模塊：Quantum 140 CPU 534 14型號CPU為32位586處理器，內(nèi)存為4MB。

CRP模塊：RIO網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)PLC與一個或多個監(jiān)測站間的通訊。而遠(yuǎn)程處理器/主通訊模塊140 CRP 931 00主要完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、信息的初始化。

NOE模塊：Quantum 140 NOE 771 01以太網(wǎng)模塊以以太網(wǎng)線TCP/IP模塊設(shè)計，使其能為Quantum的可編程序控制器與設(shè)備通過以太網(wǎng)通信。

CHS模塊：Quantum 140 CHS 110 00熱備模塊，兩個熱備模塊采用一主、一備，可以切換控制遠(yuǎn)程輸入/輸出網(wǎng)絡(luò)。兩熱備模塊各有一個接收端和一個發(fā)送端，接收端和發(fā)送端過高速光纖交叉連接，使得備用熱備模塊能實時追蹤主熱備模塊所在PLC運行情況，一旦發(fā)生故障立即跳轉(zhuǎn)交換狀態(tài)。

底板：模塊插在底板上，一個槽位供插一塊模塊。底板提供控制信號并為模塊分配電源。底板的每一個槽位都是通用的。

配置完成的主/備PLC結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主/備PLC結(jié)構(gòu)圖

（2）現(xiàn)場監(jiān)測站配置：配置包括底板、CPS模塊、CRA模塊以及I/O模塊。

CRA模塊：即分站適配器模塊位于RIO網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場監(jiān)測站。每個CRA模塊必須被分配一個唯一的地址數(shù)，用于遠(yuǎn)程處理器CRP通訊時尋址。

I/O模塊：在氫氣點火自控中，點火裝置的控制輸出、火焰探測器檢測信號的輸入以及天然氣閥開/關(guān)的控制都是數(shù)字信號。采用數(shù)字量組合輸入/輸出模塊DDM，用于在同一模板組合24VDC輸入/24VDC輸出。

2.3 執(zhí)行器部分

下位執(zhí)行控制通過執(zhí)行器實現(xiàn)，執(zhí)行器包括：火焰探測器、天然氣閥及點火裝置。天然氣閥采用電磁閥；點火裝置為觸點點火裝置。

火焰探測器：

光耦型紅紫外火焰探測器可與火災(zāi)報警控制器配套，組成具有較高抗干擾能力的火災(zāi)探測自動報警系統(tǒng)。

在氫氣點火自控系統(tǒng)中，火焰探測器用于外網(wǎng)來天然氣閥的關(guān)閉控制及檢測到火焰時上位機(jī)監(jiān)控報警的輸出。

當(dāng)紅紫外探測器單獨使用即用于光耦輸出方式使用時，如圖4，B(F)端接電源正極如：+24V、+12V、+5V，電源負(fù)極與D(H)端公用。探測器正常工作時，C(G)端無輸出（外網(wǎng)來天然氣閥關(guān)閉），探測器接到火警時，C(G)端有電壓輸出（上位機(jī)監(jiān)控顯示“火焰檢測報警”），其值等于B(F)端電壓。

表1 火焰探測器電路特征

圖4 探測器光耦輸出方式

2.4 上位機(jī)監(jiān)控

采用基于Windows2000操作平臺的監(jiān)控軟件IFix3.5。IFix3.5采用MBE驅(qū)動利用Modbus TCP/IP協(xié)議與Quantum PLC通訊。

上位機(jī)監(jiān)控主要用于氫氣點火的自動和手動兩種控制方式的實現(xiàn)。兩種控制方式都通過上位機(jī)觸發(fā)，其中手動方式用于人為控制天然氣閥開/閥關(guān)，主要用在點火結(jié)束后天然氣閥的關(guān)閉。

2.5 自控程序

使用配套組態(tài)及編程軟件Concept2.6編程。程序包括：

（1）“點火”命令的觸發(fā)

在初次發(fā)出“點火”命令，觸發(fā)“BS1601”后，點火裝置開始點火，持續(xù)點火5秒，點火裝置停止。程序模塊“TON”為延時程序功能塊，在氫氣點火自控中，延時時間T設(shè)置為5秒。

（2）火焰檢測報警

程序段實現(xiàn)工程師/操作員站畫面“火焰檢測報警”。報警條件需滿足火焰探測器“BT1601”、“BT1602”檢測到火焰的同時，伴有點火控制輸出。

（3）天然氣閥控制

初次“點火”命令發(fā)出，觸發(fā)“BS1601”后，“BV1601”將觸發(fā)天然氣閥持續(xù)開5秒,閥開狀態(tài)在上位機(jī)工程師/操作員站監(jiān)控畫面顯示。若火焰探測器“BT1601”、“BT1602”同時檢測到火焰信號，則天然氣閥繼續(xù)保持開狀態(tài)；當(dāng)火焰探測器“BT1601”、“BT1602”同時檢測無火或在一開始點火的5秒鐘內(nèi)，火未點燃時，則關(guān)閉天然氣閥“BV1601”。

程序設(shè)計還可通過變量“BV1601_MAN”實現(xiàn)手動方式控制，對天然氣閥的手動開/關(guān)由“BV1601_OPEN”完成。

（4）編輯完畢下載程序，將主/備PLC程序進(jìn)行一致備份。

3 聯(lián)動調(diào)試

當(dāng)氧分析器無報警輸出，氫氣中的氧含量低于氫氧混合氣體爆炸臨界值時，工程師/操作員站發(fā)出“點火”控制。

控制指令輸出后，經(jīng)“主”狀態(tài)下PLC控制器CPU模塊編輯程序的運算、分析處理，通過下層RIO測控網(wǎng)絡(luò)，按照一一對應(yīng)的地址，數(shù)據(jù)信號進(jìn)入點火自控現(xiàn)場監(jiān)測站DDM模塊，由DDM模塊分別輸出24VDC到兩個中間繼電器，一個到點火裝置，觸發(fā)點火，另一個到天然氣電磁閥，控制閥開。根據(jù)控制設(shè)計要求，在初始“點火”信號發(fā)出后，點火裝置開始點火，并在5秒鐘后停止點火。與此同時，天然氣閥保持持續(xù)開閥5秒。

火點著后，由工藝人員人工打開氫氣閥。

在氫氣混合外網(wǎng)天然氣燃燒的同時，火焰探測器探測到火焰信號，輸出24VDC入DDM模塊，再經(jīng)RIO測控網(wǎng)絡(luò)傳遞，通過CPU程序分析，根據(jù)控制設(shè)計要求，若同時伴有“點火”控制輸出，則上位機(jī)工程師/操作員站監(jiān)控顯示“火焰檢測報警”。

若在點火裝置與天然氣閥同時運作的5秒內(nèi)，火焰探測器沒有檢測到火焰信號，說明火沒點著，則不輸出24VDC，根據(jù)控制程序設(shè)計要求，天然氣電磁閥關(guān)閉。

4 結(jié)束語

Modicon PLC能較好地結(jié)合點火執(zhí)行器進(jìn)行氫氣點火控制。在控制上具有較高的可靠性、靈活性、經(jīng)濟(jì)實用性。若將先進(jìn)的氫氧分析納入PLC控制，結(jié)合采用更高級的點火執(zhí)行器，氫氣點火自控將得到更進(jìn)一步完善。

［1］Quantum Hot Standby Planning and Installation Guide[Z].

［2］Modicon Remote I/O Cable System Planning and Installation Guide[Z].

［3］Quantum automation platform[Z].

［4］Concept Block Library IECVersion 2.2 Volume 2[Z].

［5］光耦型紅紫外火焰探測器使用說明書[Z].