煤倉存儲自動控制系統(tǒng)設(shè)計*

袁春靜，柴永生

（1.煙臺理工學(xué)院，山東 煙臺264005；2.煙臺大學(xué)，山東 煙臺264005）

輸煤自動化程度的高低關(guān)系企業(yè)的生產(chǎn)效率和成本，隨著計算機和PLC技術(shù)的應(yīng)用和推廣，輸煤系統(tǒng)自動化程度也越來越高。在設(shè)計自動控制系統(tǒng)時候，除了要考慮正常的生產(chǎn)運行邏輯，還需要統(tǒng)籌兼顧煤的自燃可能性。

1 儲煤倉防自燃自動控制系統(tǒng)方案

1.1 煤自燃原因及防治措施

煤主要含有有機物和無機物兩種成分，主要的可燃元素是碳，其次是氫，并含少量氧、硫等物質(zhì)，上述元素混合在一起就構(gòu)成了可燃化合物。煤的氧化特性是煤發(fā)生自燃現(xiàn)象的主要原因。在常溫狀態(tài)下，煤炭中的碳、氫等元素在合適的化學(xué)條件下會發(fā)生一系列的氧化反應(yīng)，生成一氧化碳、甲烷及其他烷烴物質(zhì)，這些物質(zhì)燃點都比較低。同時，在這一反應(yīng)過程中，又會產(chǎn)生大量的熱量，如果周圍散熱條件不好，熱量揮發(fā)不夠及時，煤堆的溫度就會在短時間內(nèi)提高，過高的溫度對煤的氧化過程又產(chǎn)生促進(jìn)作用，從而會出現(xiàn)越來越多的可燃化合物和熱量。如果溫度上升到可燃物的燃點時，就會發(fā)生自燃現(xiàn)象[1]。

可以采取如下措施降低煤自燃發(fā)生的幾率：（1）合理安排儲煤場位置。儲煤場一般設(shè)置在寬敞、背陽光的地方，同時要注意遠(yuǎn)離高溫?zé)嵩?。?）正確安排貯煤時間。貯煤時間的長短直接影響氧化程度的高低。（3）將煤分層壓實，尤其是堆邊大塊部分壓實，這樣可以排出煤堆空隙中的一部分空氣，減少煤與氧氣的接觸。（4）使煤堆水分含量保持在安全范圍內(nèi)。根據(jù)分析，煤在發(fā)生自燃現(xiàn)象前的含水量為5%～8%，而煤的臨界安全含水量大約是12%。（5）煤在發(fā)生自燃時還伴隨著CO濃度的升高，因此可以在系統(tǒng)中增加CO檢測裝置，當(dāng)濃度值達(dá)到一定數(shù)值可以及時報警并啟動淋水輔助裝置。

1.2 防自燃控制系統(tǒng)方案

圖1所示為大型儲煤倉防自燃所需檢測裝置：（1）煤層高度范圍內(nèi)，沿?fù)趺簤γ扛?.5m在防火磚及隔熱層內(nèi)安裝測溫光纖。其主要的目的是隨時監(jiān)測煤的溫度，當(dāng)其某處溫度突然升高≥5℃時，認(rèn)為該處為異?，F(xiàn)象，煤場應(yīng)自動采用噴水進(jìn)行降溫。（2）在煤倉內(nèi)放置CO檢測儀檢測CO濃度來判斷是否自燃，并采取處理措施。（3）煤倉頂部設(shè)置監(jiān)控攝像頭，全天候?qū)γ簜}進(jìn)行監(jiān)視，如有問題及時處理。

圖1 大型儲煤倉檢測裝置

處理流程如圖2所示。當(dāng)測溫光纖、CO檢測儀及監(jiān)控攝像頭中只要有一個傳感器報警，即刻啟動噴水系統(tǒng)，噴水達(dá)到設(shè)定次數(shù)后，如還有異常，轉(zhuǎn)為人工干預(yù)，即用取煤機把溫度升高的上煤層迅速取出，然后再重新啟動噴水系統(tǒng)對自燃煤層進(jìn)行降溫處理，直至所有傳感器無報警信號為止。

圖2 處理流程圖

2 儲煤倉輸煤自動控制系統(tǒng)方案設(shè)計

輸煤控制系統(tǒng)是火電廠整個控制系統(tǒng)中的主要組成部分，是發(fā)電機組燃煤的供給保障。輸煤系統(tǒng)的性能直接決定輸送給發(fā)電系統(tǒng)燃料的優(yōu)劣好壞，從而影響整個發(fā)電工廠的發(fā)電能耗和效率。早期的控制系統(tǒng)一般采用繼電器接觸器控制，這種方式結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但是故障率高，維修成本高。后期隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了PLC控制技術(shù)，新技術(shù)的出現(xiàn)極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性[1]。近些年來，現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)，使得控制系統(tǒng)的功能更加豐富。輸煤系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)量多，類型復(fù)雜，外界因素的干擾和內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對整個生產(chǎn)過程的影響比較大。系統(tǒng)運行時控制流程復(fù)雜，需要完成的動作和指令眾多，因此在設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)時必須整體考慮軟件和硬件的配置以及器件的兼容性。一般的控制系統(tǒng)按照控制功能可以分為四個部分：卸煤系統(tǒng)、堆煤系統(tǒng)、上煤系統(tǒng)及配煤系統(tǒng)。其中卸煤和堆煤一般統(tǒng)稱為儲煤系統(tǒng)，這一部分相對比較獨立。

由于電廠在運行過程中有可能受到意外因素的干擾而出現(xiàn)非正常形式的停產(chǎn)，這會給企業(yè)帶來重大的經(jīng)濟損失，為了盡最大可能保障生產(chǎn)安全持續(xù)穩(wěn)定運行，發(fā)電廠在采購數(shù)量上一般都會留有余量，可以根據(jù)滿足電廠滿負(fù)荷運行需要的數(shù)量，再考慮一定的安全系數(shù)，一般安全系數(shù)為10-20左右。多余的燃煤通過卸堆煤設(shè)備輸送到各種形式的儲煤倉。

上煤系統(tǒng)將煤場存煤通過皮帶運輸機，轉(zhuǎn)運塔送到煤倉。根據(jù)《火力發(fā)電廠及變電站設(shè)計防火規(guī)范》GB50229-2006，在上煤過程中必須安裝明火檢測裝置，因此可以通過熱紅外成像裝置對整個輸送過程進(jìn)行監(jiān)控，保障生產(chǎn)安全運行。

配煤系統(tǒng)是整個系統(tǒng)最核心的部分，包含的設(shè)備數(shù)量多，種類復(fù)雜，動作頻繁，直接關(guān)系系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。性能完善的配煤系統(tǒng)可以提供滿足要求的燃料，根據(jù)要求將燃煤輸送到煤倉里，同時按照系統(tǒng)設(shè)定的順序和控制流程，實現(xiàn)不同煤倉的合理配送[2]。

本項目輸煤控制系統(tǒng)采用工控計算機+PLC的控制方式，操作人員通過計算機進(jìn)行指令下達(dá)和傳遞，PLC控制系統(tǒng)按照存儲的軟件程序?qū)Ω鞣N設(shè)備進(jìn)行操作，并將操作結(jié)果及時反饋給工控計算機，實現(xiàn)閉環(huán)控制。主要功能包括以下幾個方面：監(jiān)視報警功能、語音功能、煤量統(tǒng)計、順序控制功能、生產(chǎn)管理功能、實現(xiàn)程序聯(lián)鎖、自動加倉上煤功能等多種功能。

2.1 輸煤控制系統(tǒng)總體設(shè)計

輸煤控制系統(tǒng)是由PLC構(gòu)成的一個分布式控制系統(tǒng)，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)包括EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet等。PLC主站和遠(yuǎn)程I/O站采集皮帶機的運行信息，與斗輪機PLC等設(shè)備之間通過ControlNet通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。PLC主站、遠(yuǎn)程I/O站與取樣系統(tǒng)、集塵系統(tǒng)等設(shè)備通過DeviceNet通訊進(jìn)行控制。

為了減少控制器出現(xiàn)故障對生產(chǎn)過程產(chǎn)生的影響，PLC與上位機之間的通信采用冗余的EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，設(shè)置2臺操作員站+2臺工程師站的工作模式。當(dāng)主控制器出現(xiàn)故障時，從控制器立即啟動，從而保證生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定運行。如圖3所示為輸煤控制系統(tǒng)總體框架圖。

圖3 輸煤控制系統(tǒng)總體框架圖

2.2 配煤

配煤流程如圖4所示。系統(tǒng)在加煤過程中主程序遵循順序加煤程序，在中斷程序設(shè)置有超低煤位加煤子程序和低煤位加煤子程序。加倉開始，先檢測超低煤位傳感器和低煤位傳感器信號是否有輸入，如果有，系統(tǒng)就執(zhí)行中斷子程序，其中超低煤位中斷優(yōu)先級要大于低煤位中斷優(yōu)先級。當(dāng)所有的超低煤位和低煤位信號消失，然后繼續(xù)執(zhí)行主程序，主程序按照順序配煤的原則對所有煤倉配煤。在配煤過程中，系統(tǒng)如果接收到某個煤倉高煤位傳感器信號以后，自動停止對該煤倉的加煤操作，按照設(shè)定順序轉(zhuǎn)到下一個煤倉進(jìn)行配煤。一直到檢測發(fā)現(xiàn)所有煤倉高煤位傳感器信號，系統(tǒng)會停止主程序執(zhí)行，轉(zhuǎn)入平均分配子程序，將皮帶上沒有加倉的煤按照煤倉容量成比例分配給各煤倉。在整個過程中，如果檢測到某個倉的滿倉信號，則停止對該煤倉加煤，并將該煤倉沒有加完的煤輸送到相鄰煤倉繼續(xù)進(jìn)行加煤操作[3]。

圖4 配煤流程圖

在順序配煤過程中，可以將暫時不用的煤倉設(shè)置為檢修倉。在配煤過程中系統(tǒng)可以自動跳過滿倉、高煤位倉及檢修倉。

3 輸煤監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

目前，在國內(nèi)市場上的大型自動化系統(tǒng)組態(tài)軟件按照廠商可以分為三類，國外專業(yè)軟件廠家提供的產(chǎn)品，國外系統(tǒng)廠商提供的產(chǎn)品，以及國內(nèi)企業(yè)自主開發(fā)的產(chǎn)品。而在輸煤控制系統(tǒng)中最常用的組態(tài)軟件有西門子的WinCC、萬維的InTouch、羅克韋爾的RSView、GE的iFix等。本系統(tǒng)采用的iFix是GE公司系列軟件中的一員，它為用戶提供一種基于Windows操作系統(tǒng)的現(xiàn)代化流水線解決方案。采用iCore為基礎(chǔ)，同時嵌入VBA語言，可以同時兼容OPC、COM、ActiveX等主流控件，能夠完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、在線配置、過程監(jiān)控、實時報警、用戶安全、實時曲線、任務(wù)控制等多項功能。

4 結(jié)束語

（1）整個生產(chǎn)過程采用現(xiàn)場無人值守全自動化控制，在工作過程中可以通過遠(yuǎn)程實時監(jiān)控對堆取煤過程進(jìn)行全方面監(jiān)控，保證了工作人員安全，消除了重大安全事故隱患。同時增加人工本地控制的策略，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

（2）本方案采用雙車并行的工作機制，在保證設(shè)備安全可靠運行的同時，還提高了設(shè)備的備用系數(shù)，為煤倉的高效可靠運行提供了安全保障。