現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的輸煤系統(tǒng)DCS接入改造

孫竹梅，王琦，胡世廣，黃金磊

（1.山西大學 自動化系，山西 太原 030013；2.山西興能發(fā)電有限責任公司技術(shù)部，山西 古交 030200）

0 引言

依照電廠控制系統(tǒng)的傳統(tǒng)配置習慣，輸煤、除灰及化學水處理等輔助控制系統(tǒng)一般采用PLC設備實施控制，通常不納入電廠主控DCS系統(tǒng)。在現(xiàn)場無人值守和全廠管控一體化政策的驅(qū)動下，將輔控系統(tǒng)納入主控DCS已成為現(xiàn)實需要。本文針對某電廠輸煤控制系統(tǒng)接入主控DCS的可能方案進行了分析、比較，以配置異構(gòu)現(xiàn)場總線通信協(xié)議兼容系統(tǒng)作為改造方案的入手點，打破PLC設備和主控DCS通信協(xié)議的壁壘，在縮短改造周期、降低設備購置費的同時，實現(xiàn)了輔控系統(tǒng)接入和DCS的遠程監(jiān)控功能[1-2]。

1 輸煤輔控系統(tǒng)

1.1 輸煤系統(tǒng)工藝流程

某電廠輸煤系統(tǒng)有兩列各6條皮帶輸煤，#1輸煤皮帶配置的犁煤器將來煤分配給4個原煤筒倉，環(huán)式給煤機將筒倉的落煤分配給兩列皮帶。輸煤過程中有除鐵器、滾動篩、環(huán)式碎煤機等設備完成除鐵、分篩、破碎工作。#6輸煤皮配置的犁煤器將來煤分配給兩臺機組10個原煤倉?？紤]到各段皮帶的故障對輸煤的影響，設置電動三通實現(xiàn)輸煤皮帶路徑選擇功能。在皮帶撕裂、皮帶嚴重跑偏、電機軸承溫度、電機繞組溫度越限時，輸煤系統(tǒng)保護停車。

1.2 輸煤控制系統(tǒng)的配置

某電廠輸煤輔控系統(tǒng)由美國Modicon公司生產(chǎn)的PLC設備實現(xiàn)控制，Modicon PLC支持Modbus通信協(xié)議。該控制系統(tǒng)包括:Modicon Quantum系列可編程控制器PLC一套、監(jiān)控工控機2臺、電源柜1臺、PLC主站及遠程站柜4套、操作臺、現(xiàn)場轉(zhuǎn)接端子箱等。PLC采用雙CPU熱備配置，主機和備用機的配置完全相同，即雙機架、雙電源、雙CPU、雙通信模塊、雙機無擾切換時間小于等于48 ms。輸煤PLC系統(tǒng)通過上層冗余以太網(wǎng)和監(jiān)控計算機聯(lián)接，構(gòu)成PLC與計算機的綜合系統(tǒng)。監(jiān)控計算機僅用于編程、修改參數(shù)、數(shù)據(jù)顯示、系統(tǒng)管理等方面，不參與過程控制。PLC與監(jiān)控計算機之間通過RS232C接口進行通信，其信息交換的方式為字符串方式。PLC在實施控制的同時，將所有測量參數(shù)和設備狀態(tài)信息送入監(jiān)控計算機，由監(jiān)控計算機進行分析及運行狀態(tài)監(jiān)測。輸煤輔控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸煤輔控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of coal transportation auxiliary control system

輸煤輔控系統(tǒng)中，在Modicon PLC系統(tǒng)根據(jù)設定的控制程序獨立控制現(xiàn)場工藝設備和控制機構(gòu)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)場的運行人員可以通過現(xiàn)場監(jiān)控PC的監(jiān)控畫面監(jiān)視現(xiàn)場運行參數(shù)，手動控制過程設備。

1.3 輸煤系統(tǒng)控制流程

輸煤控制系統(tǒng)的控制方式分就地操作和遠方操作兩種。

1.3.1 就地操作方式

就地操作方式是在就地設備上進行操作的方式，需將就地設備上的控制方式旋鈕置于“就地”狀態(tài)，運行人員通過操作就地設備上的啟停按鈕啟停就地設備[3-5]。就地操作方式在系統(tǒng)調(diào)試、試車和維修時使用，具有最高優(yōu)先級。

1.3.2 遠方操作方式

遠方操作方式在輸煤系統(tǒng)監(jiān)控計算機上進行，需先將所有就地設備上的控制方式旋鈕置于“遠方”操作狀態(tài)，此時就地方式不起作用。遠方操作方式又可分為手動控制和程序控制。

手動控制方式又可分為順序的控制方式和非順序的控制方式，兩種方式都可在監(jiān)控計算機上對設備實現(xiàn)遠距離一對一的軟操作控制。

程序控制方式是主要的控制方式，由控制系統(tǒng)順序邏輯來自動實現(xiàn)輸煤系統(tǒng)的啟動、運行報警、聯(lián)鎖保護和停止。PLC啟停設備遵循逆煤流啟動，順煤流停止原則。程控啟?？刂屏鞒桃妶D2。

圖2 程控啟停流程圖Fig.2 Flow charts of program-controlled start and stop

1.4 監(jiān)控計算機的監(jiān)控畫面

輸煤系統(tǒng)的監(jiān)控計算機布置在輸煤程控電之間。監(jiān)控畫面顯示工藝流程、實時運行參數(shù)和設備狀態(tài)，運行人員可通過畫面對工藝過程施加干預。監(jiān)控畫面由iFIX組態(tài)軟件組態(tài)實現(xiàn)，如圖3所示。

2 管控一體化改造方案

該廠主控系統(tǒng)為西門子分散控制系統(tǒng)PCS7，支持Profibus-DP現(xiàn)場總線通信協(xié)議。為滿足全廠管控一體化的要求，要將輸煤PLC控制系統(tǒng)納入主控PCS7系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)有設備的配置情況，可選改造方案有兩種。方案一:廢除現(xiàn)有Modicon PLC控制系統(tǒng)，擴充PCS7的PCU站，將輸煤系統(tǒng)的測量信號、設備狀態(tài)等信息送至增設的PCU站，在PCS7中完成輸煤系統(tǒng)控制組態(tài)，使輸煤系統(tǒng)成為主控PCS7系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。該方案需要重新設計、安裝、調(diào)試，構(gòu)建新的系統(tǒng)，周期長，費用高。方案二:在現(xiàn)有控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過配置網(wǎng)間通信協(xié)議變換器（網(wǎng)關(guān)），構(gòu)建Profibus-DP與Modbus兩種異構(gòu)現(xiàn)場總線協(xié)議兼容的DCS與PLC兩級監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)輔控Modicon PLC與主控PCS7的信息交互。該方案在不增加PCU站的同時既可擴展主控系統(tǒng)的管控范圍，又壓縮了改造項目所需時間，更重要的是改造成本低，經(jīng)濟性好。所以，選擇方案二作為改造方案，以西門子PCS7系統(tǒng)作為上位主控系統(tǒng)，以Modicon PLC為下位現(xiàn)場控制子系統(tǒng)的控制器[6-8]。該系統(tǒng)包括上位監(jiān)控PC、上位主控制系統(tǒng)PCS7、下位現(xiàn)場控制子系統(tǒng)Modicon PLC、網(wǎng)關(guān)、現(xiàn)場監(jiān)控PC和其他現(xiàn)場設備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 輸煤系統(tǒng)監(jiān)控畫面Fig.3 Monitoring screen of coal transportation system

圖4 改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of modified system

上位主控系統(tǒng)的控制器采用西門子S7-400的CPU，上位監(jiān)控PC同時作為DCS服務器、操作員站、工程師站，完成數(shù)據(jù)采集、信息交換、DCS組態(tài)和維護[9]。西門子PCS7系統(tǒng)與上位監(jiān)控PC通過以太網(wǎng)連接。下位現(xiàn)場控制子系統(tǒng)為Modicon Quantum系列PLC系統(tǒng)，Modicon PLC系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)控PC之間通過以太網(wǎng)連接。網(wǎng)間協(xié)議變換器選用上海泗博自動化技術(shù)有限公司生產(chǎn)的Serial/Profibus-DP網(wǎng)關(guān)PM-160。

在Modbus網(wǎng)絡一側(cè)，Modicon PLC的Modbus串行通信口與PM-160的RS 485端口用一根雙絞線連接，如圖5所示。PM-160網(wǎng)關(guān)作為Modbus主站，對Modbus從站（如Modicon PLC等）進行固定周期掃描。在Profibus-DP網(wǎng)絡一側(cè)，PM-160通過Profibus-DP總線與西門子S7-400 CPU相連。S7-400 CPU作為Profibus-DP主站，PM-160網(wǎng)關(guān)作為Profibus-DP從站[10-12]。S7-400 CPU以固定周期循環(huán)掃描PM-160網(wǎng)關(guān)，完成兩網(wǎng)間的數(shù)據(jù)交互和數(shù)據(jù)更新。

圖5 PM-160網(wǎng)關(guān)和Modicon PLC的連接Fig.5 Connection of PM-160 gateway with Modicon PLC

3 一體化系統(tǒng)組態(tài)

一體化系統(tǒng)組態(tài)任務主要包括PCS7的組態(tài)、PM-160的配置以及Modicon PLC的組態(tài)。

3.1 西門子PCS7組態(tài)

通過上位監(jiān)控PC對西門子PCS7系統(tǒng)進行組態(tài)，該過程包括硬件組態(tài)、程序組態(tài)和網(wǎng)絡組態(tài)。

硬件組態(tài):將西門子PCS7系統(tǒng)中實有硬件設備的名稱和序列號添加在所創(chuàng)建的目標項目下，并在PCS7中添加PM-160網(wǎng)關(guān)的GSD文件[13-14]。硬件組態(tài)如圖6所示。

圖6 西門子PCS7硬件組態(tài)Fig.6 Hardware configuration of Siemens PCS7

程序組態(tài):編寫對PM-160數(shù)據(jù)進行讀寫的程序及I/O地址，并設定掃描周期等參數(shù)。

網(wǎng)絡組態(tài):配置通信處理模塊CP443-1的屬性，建立Ethernet網(wǎng)絡，設定CP443-1的IP地址及相關(guān)參數(shù)；配置CPU模塊的屬性，建立Profibus-DP網(wǎng)絡，并指定Profibus-DP主站地址，根據(jù)PM-160面板設置的地址讀數(shù)添加網(wǎng)關(guān)PM-160的地址。在西門子PCS7系統(tǒng)中通過以太網(wǎng)下載其硬件組態(tài)。

3.2 網(wǎng)關(guān)PM-160的配置

設置網(wǎng)關(guān)的Profibus-DP從站參數(shù):調(diào)整地址撥鈕設置好PM-160網(wǎng)關(guān)的地址，該地址與PCS7組態(tài)時PM-160網(wǎng)關(guān)地址一致；其余Profibus-DP網(wǎng)絡信息不需要配置，網(wǎng)關(guān)會自適應Profibus-DP主站的通信參數(shù)[15]。

設置網(wǎng)關(guān)為Modbus主站:在網(wǎng)關(guān)的配置軟件中設置網(wǎng)關(guān)為Modbus主站，并設置相應的通信參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、通信傳輸模式等參數(shù)，詳見圖7。

圖7 網(wǎng)關(guān)作為Modbus主站時的配置界面Fig.7 Configuration interface with gateway as Modbus main station

設置網(wǎng)關(guān)的Modbus從站:在網(wǎng)關(guān)的配置軟件中添加Modbus從站節(jié)點及其地址，用于連接Modicon PLC。在Modbus從站節(jié)點中添加Modbus命令，建立起網(wǎng)關(guān)存儲區(qū)和Modbus通信協(xié)議地址之間的映射關(guān)系。配置掃描方式，便于網(wǎng)關(guān)對Modicon PLC實時數(shù)據(jù)的讀/寫，配置方法見圖8。

圖8 從站節(jié)點Modbus命令的配置Fig.8 Modbus command configuration of slave station node

3.3 Modicon PLC系統(tǒng)組態(tài)

在此通過現(xiàn)場監(jiān)控PC對Modicon PLC系統(tǒng)進行組態(tài)，該過程包括對Modicon PLC進行硬件組態(tài)。該硬件組態(tài)過程包括:利用Modicon PLC系統(tǒng)軟件Unity Pro創(chuàng)建目標工程；在目標工程下組態(tài)，以生成一個與實際的Modicon PLC系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)；設置Modicon PLC與網(wǎng)關(guān)通信用的串口參數(shù)；添加以太網(wǎng)，確定Modbus PLC系統(tǒng)中以太網(wǎng)通信模塊的IP地址；指定Modbus PLC系統(tǒng)與網(wǎng)關(guān)PM-160通信用的I/O地址；編寫現(xiàn)場控制程序。

4 創(chuàng)建PCS7系統(tǒng)的監(jiān)控組態(tài)畫面

運用WinCC軟件創(chuàng)建PCS7系統(tǒng)的監(jiān)控組態(tài)畫面，通過CFC組態(tài)建立變量與遠程監(jiān)控畫面的連接，實現(xiàn)PCS7對現(xiàn)場控制子系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)視，遠程啟?？刂芠16-18]。遠程啟停功能的CFC組態(tài)如圖9所示，就地參數(shù)遠程監(jiān)視的CFC組態(tài)如圖10所示，上位監(jiān)控畫面如圖11所示。

圖9 遠程啟停功能的CFC組態(tài)Fig.9 CFC configuration of remote start-stop function

圖10 就地參數(shù)遠程監(jiān)控的CFC組態(tài)Fig.10 CFC configuration for remote monitoring of in-situ parameters

圖11 輸煤系統(tǒng)上位監(jiān)控組態(tài)畫面Fig.11 Upper monitoring configuration screen of coal transportation system

5 結(jié)論

通過在西門子PCS7系統(tǒng)和Modicon PLC系統(tǒng)中創(chuàng)建變量和創(chuàng)建監(jiān)控組態(tài)畫面，PCS7上位機和PLC下位現(xiàn)場控制機可以實現(xiàn)信息共享。下位機輸煤輔控PLC仍保持原有控制功能，上位機PCS7的WinCC監(jiān)控畫面顯示所有下位機的監(jiān)控信息，上位監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)可以取代現(xiàn)場監(jiān)控PC。主控運行人員不僅可以監(jiān)視輸煤系統(tǒng)的實時參數(shù)和設備狀態(tài)信息，而且可以通過監(jiān)控畫面遠程控制現(xiàn)場設備，包括手動、程控操作選擇、保護投退，甚至是現(xiàn)場控制級的啟停。這種電廠管控一體化的改造方案體現(xiàn)了經(jīng)濟性好，改造周期短，勞動力投入需求小的優(yōu)點，可為現(xiàn)有電廠全廠一體化建設提供參考。