PLC在火電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應用研究

侯秀麗 王松林 阮進軍

摘要：為保證發(fā)電機組不間斷工作，對機組運行狀態(tài)進行監(jiān)控是必不可少的，監(jiān)控系統(tǒng)已成為火電廠重要組成部分。PLC以其可靠性高、功能強大、編程簡單、維護方便、設計調(diào)試周期短、易于擴充等突出優(yōu)點在火電廠監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛應用。文章闡述了PLC在火電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀，分析了PLC控制系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象與原因，探討提高PLC控制系統(tǒng)運行可靠性措施，提出四點舉措以切實保證發(fā)電機組正常運行，大幅提高發(fā)電效率，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供能源保障。

關鍵詞：PLC；火電廠；監(jiān)控系統(tǒng)；故障；可靠性

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）31-0191-02

電力作為國民經(jīng)濟發(fā)展的基石，盡管有風能、核能、水力及太陽能多種發(fā)電方式，但往往受制于地理因素與資源環(huán)境條件。我們國家目前多數(shù)電能生產(chǎn)仍靠火力方式來發(fā)電。仔細分析華能、大唐、華電、中電投、國電五大電力集團每年的裝機容量就會發(fā)現(xiàn)，利用燃燒煤炭、石油、液化天然氣等燃料所產(chǎn)生的熱能，在不斷受熱下使水變成高壓高溫蒸汽，然后運用此高溫高壓蒸汽的能量，推動汽輪機運轉帶動發(fā)電機發(fā)電。這種傳統(tǒng)的“火力發(fā)電”方式，仍然是主要發(fā)電方式。

為了保證機組能夠不間斷工作、持續(xù)發(fā)電，對發(fā)電機組運行狀態(tài)進行監(jiān)控是必不可少的，監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為火電廠的重要組成部分。PLC是專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的電子裝置，采用微處理器為核心，內(nèi)部具有存儲器，可以執(zhí)行算術、邏輯、順序運算，還能計時、計數(shù)等。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、組網(wǎng)簡單、功能強大、編程簡單，設計安裝與調(diào)試周期短、容易擴充升級、體較小、質量輕、維護方便等眾多優(yōu)點，它已被廣泛應用于電廠輔機監(jiān)控系統(tǒng)中。

1 PLC在火電廠監(jiān)控系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

PLC 由于其邏輯處理功能強、環(huán)境適應性好、系統(tǒng)獨立性強、系統(tǒng)構成成本較低等特點， 是電廠輔助生產(chǎn)系統(tǒng)（水、煤、灰）的首選控制系統(tǒng)[2]。

火電廠一般在公用輔助系統(tǒng)中大量應用PLC，如鍋爐脈沖吹灰系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、斗輪機系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)，翻車機系統(tǒng)、卸船機控制系統(tǒng)等，在上述系統(tǒng)中，通常使用I/O點數(shù)多于256點的大型PLC。用作下位機，主要用于采集各種工藝過程的數(shù)據(jù)、對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)測與控制。采用串口與上位機通信，組成大型分散系統(tǒng)，常用RS485或者RS232串行總線實現(xiàn)通信。

PLC具體控制原理如下：就地設備運行的開關量信號進入PLC的DI模塊，例如電動或氣動閥門的開、關狀態(tài)，水泵等轉動設備的啟、停狀態(tài)及設備的狀態(tài)報警信號；就地設備如壓力、料位、溫度、流量、振動檢測儀表輸出的模擬量信號進入PLC的AI模塊；PLC控制器通過DO模塊發(fā)出開關量啟停指令去控制現(xiàn)場設備的運行。PLC控制器通過AO模塊輸出模擬量4-20mA信號指令，調(diào)節(jié)電動、氣動調(diào)節(jié)執(zhí)行器的0-100%開度，變頻器輸出頻率等。

以火電廠輸煤系統(tǒng)為例，其承擔將煤場的煤通過輸煤皮帶運輸?shù)藉仩t制粉系統(tǒng)上煤的重要任務，是保證火電廠穩(wěn)定運行的重要組成部分。作為火力發(fā)電廠發(fā)電的源頭，輸煤系統(tǒng)是否正常運行關系重大。通過運用PLC對輸煤過程進行控制，可以實現(xiàn)自動化控制，減輕工人勞動強度，降低生產(chǎn)成本。PLC作為下位機，負責接收傳感器采集的各種現(xiàn)場信息，按照程序指令來完成輸煤過程控制。系統(tǒng)運行狀態(tài)等信息，可以通過串行接口傳給上位機，構成一個控制網(wǎng)絡，上位機能實時顯示，以便運行人員操作PLC控制[3]。

2 PLC系統(tǒng)構成與常用編程語言

2.1 PLC控制系統(tǒng)構成

PLC系統(tǒng)硬件組成主要有CPU單元、存儲器模塊、I/O單元，電源，編程器等。PLC控制系統(tǒng)除了PLC硬件以外，還有軟件系統(tǒng)，包括系統(tǒng)程序和用戶程序。前者有又包含系統(tǒng)系統(tǒng)管理程序，用戶指令解釋程序等。火電廠監(jiān)控系統(tǒng)中常用的PLC品牌有西門子、施耐德、莫迪康、AB等，不同廠家生產(chǎn)的PLC，盡管其編程軟件無法通用，但是編程思想是一致的，PLC編程軟件一般由廠家開發(fā)，提供給用戶使用。

2.2 PLC編程語言簡介

PLC控制程序是設計人員根據(jù)不同控制系統(tǒng)具體工藝控制要求，使用PLC編程語言來編制設計的。根據(jù)國際電工委員會（IEC）制定的工業(yè)控制編程語言標準（IEC1131-3），其中的第三部分專門做了規(guī)定。標準中共有五種語言，如表1所示。表中初步總結了不同編程語言的特點以及所需的編程基礎。

實際編程中常用的PLC編程語言有梯形圖、指令語句表和順序功能圖。一般不同廠家開發(fā)的程序設計環(huán)境都支持這三種編程方法。梯形圖語言作為一種圖形化的編程語言，形象直觀，比較簡單，不需要太深的基礎；指令語句表編程方法編寫程序快捷，不需要轉化即可執(zhí)行。順序功能圖是位于其他編程語言之上的圖形語言，編程簡單、邏輯性強、容易為初學者所接受。構成SFC的三要素是步、轉換和動作，只要熟悉控制過程，合理分步，根據(jù)它可以很迅速的畫出梯形圖。

表1 IEC1131-3標準中規(guī)定的PLC編程語言及主要特點

[

特點 名稱＼&指令語句表

（IL）＼&梯形圖

（LD）＼&順序功能圖

（SFC）＼&功能塊圖

（FBD）＼&結構文本

（ST）＼&顯著特點＼&助記符語言＼&圖形化語言＼&流程圖語言＼&圖形化語言＼&高級語言＼&通用性＼&常用＼&常用＼&常用＼&不常用＼&不常用＼&編程基礎＼&匯編基礎＼&繼電器、接觸器＼&程序流程圖＼&數(shù)字邏輯電路＼&數(shù)據(jù)結構＼&]

3 PLC系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象與原因分析

國內(nèi)各大電廠都運用了不同類型PLC控制小型相對獨立的系統(tǒng)，這些PLC基本由不同廠家配套設計生產(chǎn)安裝調(diào)試，體系都是封閉的，能夠滿足具體控制要求，具有相對獨立性。由于PLC是專門為了工業(yè)惡劣條件應用而生產(chǎn)的計算機，其內(nèi)部做了特殊處理，可靠性通常很高。AB、施耐德等公司生產(chǎn)的PLC，其CPU模塊平均無故障時間可達50萬小時，輸入/輸出模塊是PLC與工業(yè)控制現(xiàn)場各類信號連接的部分，一般用光電耦合器，其壽命很高，能夠安全工作幾千萬次，電源與I/O模塊耐瞬變沖擊電壓在1kV以上。

但目前火電廠自動化程度還不夠高，PLC構成的自動控制系統(tǒng)偶爾也會出現(xiàn)故障，導致設備癱瘓，故常排查檢修困難，影響電力的正常生產(chǎn)與充足供應。PLC系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象有很多，以熱工保護系統(tǒng)為例，主要有DI卡件故障指示燈閃爍報警，輔助DPU控制器故障、所有數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示為離線，通信網(wǎng)絡無故中斷、數(shù)據(jù)畫面顯示為粉色，控制機柜一路電源失去報警，AI卡件故障指示燈閃爍報警，PLC網(wǎng)絡交換機故障。

PLC系統(tǒng)故障可能來自于外部設備，如傳感器、各種開關、執(zhí)行機構和負載等；也可能來自于系統(tǒng)內(nèi)部，如CPU、存儲器、系統(tǒng)總線、電源等。實踐經(jīng)驗表明，PLC本身一般很少發(fā)生故障的。大量的故障不是出在PLC系統(tǒng)本身上，而是集中發(fā)生在各種開關、傳感器和執(zhí)行機構等外部設備上[4]。根據(jù)實際解決上述熱工故障積累的經(jīng)驗可知，引起以上故障的原因包括現(xiàn)場信號不穩(wěn)定，電源串擾，卡件本身質量不過關，交換機有問題等多種多樣。實際遇到故障報警時要具體問題具體分析。

4 提高PLC控制系統(tǒng)運行可靠性的舉措

4.1 合理設計PLC電源模塊

PLC供電電源一般采用開關穩(wěn)壓電源，其特點是體積小、散熱低，當輸入電壓有大幅度波動時，仍能保持輸出穩(wěn)定。電源模塊給PLC系統(tǒng)提供24V的直流工作電源，也可以供給現(xiàn)場模擬量輸入模塊的兩線式測量儀表使用。

由于電源是構成PLC硬件的重要組成部分，為系統(tǒng)正常工作能夠能量，對于電廠各個監(jiān)控系統(tǒng)中大量使用的PLC，必須要合理設計供電方式才能提高系統(tǒng)可靠性。設計時盡量把輸入輸出模塊外部電路供電采用單獨幾組直流24V電源，各程控柜分開供電，PLC系統(tǒng)電源和外部電路供電電源不能共地，防止串擾。在供電電源之間連接1：1的隔離變壓器以提高系統(tǒng)安全性[5]。

4.2 選用高質量的外圍器件與可靠的現(xiàn)場設備

PLC系統(tǒng)接收的輸入信號主要有現(xiàn)場設備啟停信號，接觸器、斷路器、熱繼電器運行、各種保護檢測及主要生產(chǎn)參數(shù)檢測等信號，PLC輸出信號有被控設備的啟停、預告、報警以及對所測參數(shù)的顯示和處理等信號[6]。到底有多少路信號，復雜程度如何，怎樣分組，應根據(jù)控制系統(tǒng)不同用途及具體控制需求來確定。

為了進一步提高PLC控制系統(tǒng)的無故障工作時間，降低故障發(fā)生率，一定要選擇質量過硬的現(xiàn)場設備，如各種DI、AI卡件，傳感器，交換機等。

4.3 選擇通用的人機界面軟件來完成組態(tài)

著名PLC品牌廠家都有專用人機界面軟件，比較知名的有IFIX、Intouch、昆侖通態(tài)MCGS、組態(tài)王等組態(tài)軟件。上述軟件應用范圍廣、市場占有率高、功能強大，能與ORACLE，DBASE，SQL，C，VB等軟件兼容，而且具有二次開發(fā)和可擴展性。

人機界面軟件可學習性強，大大方便了用戶，生產(chǎn)管理人員通過系統(tǒng)培訓和學習，較容易對控制系統(tǒng)進行邏輯組態(tài)。在設備技術改造及設備控制邏輯完善優(yōu)化時，可通過操作軟件來完成組態(tài)的修改，使現(xiàn)場設備的穩(wěn)定性及安全性大大提升。

4.4 定期進行巡檢，積極進行常規(guī)保養(yǎng)與維護

利用PLC構建的火電廠輔機控制系統(tǒng)（不管是廢水處理系統(tǒng)，輸煤系統(tǒng)，還是除灰系統(tǒng)等）一般都沒有冗余的概念，更談不上冗余控制策略。由于系統(tǒng)之間聯(lián)網(wǎng)，這就意味著一旦其中一個單元出線問題時，必須將整個系統(tǒng)停下來。若是等到故障現(xiàn)象出現(xiàn)了，再去查找故障原因、分析解決辦法，會耽誤很多寶貴的時間，有時還會造成機組不必要的停機，影響安全發(fā)電，這是很不科學的。因此一定要定期對PLC設備進行巡檢，積極對正常工作的設備進行及時保養(yǎng)與維護，不要等出現(xiàn)了問題再去解決。定期去除設備油污，維持環(huán)境潔凈。值班員定期巡視、檢查工況，記錄設備運行狀態(tài)等，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。對于有些老化接觸不良的傳感器或者有銹蝕和損壞的卡件進行更換，注意通信線的屏蔽完好，電源的可靠隔離等。

5 結束語

隨著大型火電廠發(fā)電機組容量不斷增大，要求日益提高，在電廠輔機監(jiān)控系統(tǒng)中廣泛應用PLC控制技術，才能提高自動化水平，降低人力投資成本，節(jié)約發(fā)電成本。針對PLC系統(tǒng)常見的故障現(xiàn)象與原因分析，可以通過合理設計電源模塊、選用高質量的外圍配件和可靠的現(xiàn)場設備、選擇通用的人機界面組態(tài)軟件、定期維護與保養(yǎng)等措施降低PLC控制故障率，進一步提高系統(tǒng)工作可靠性，防止事故擴大，保證機組安全運行，提高發(fā)電效率，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供堅實的能源保障。

參考文獻：

[1] 李寧. 選煤廠PLC應用系統(tǒng)設計選型淺析[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置， 2007（2）. （下轉第198頁）

（上接第192頁）

[2] 葛修軍. PLC 在電廠輸煤程控系統(tǒng)中的應用[J]. 煤炭技術， 2009（8）.

[3] 李波勇. PLC 在電廠輸煤自動化監(jiān)控系統(tǒng)中的應用[J]. 控制工程， 2003（1）.

[4] 袁從明. 火電廠PLC工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)在設計、安裝及調(diào)試過程中應注意的幾個問題[J].寧夏電力， 2008（1）.

[5] 莫仕勛. 基于PLC的自備電廠監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 自動化技術與應用， 2006（ 8）.

[6] 吳雷. 電廠熱控設備檢修工藝規(guī)程[M]安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司內(nèi)部手冊， 2010.

[7] 史桂蘋. PLC在電廠輸煤控制系統(tǒng)中的應用分析[J]. 數(shù)字技術與應用， 2012（ 12）.

[8] 習寶全. PLC控制技術在熱工保護系統(tǒng)中的應用研究[J]. 科技創(chuàng)新導報， 2013（1）.