集散控制和现场总线技术在发电厂输煤系统中的应用

集散控制和现场总线技术在发电厂输煤系统中的应用

赵吉成

（中国石化长城能源化工（宁夏）有限公司宁夏灵武750409）

摘要：微型机具有价格便宜、体积小、可靠性高等优点，使计算机控制由集中式的控制结构，转变成分散控制结构，也就是用多台计算机协调完成多个控制回路的控制任务，它们被“分散”安装到接近于测量和控制点的地方，这一类控制装置都具有数字通信能力，它们通过高速数据通道（现场总线）和主控制室的计算机相连接，形成分散控制、集中操作和分级管理的布局。采用现场总线技术，可以减少现场控制电缆的敷设，节约建设投资成本，提高发电厂输煤系统运行的可靠稳定运行；本文着重介绍了集散控制和现场总线技术在发电厂输煤系统中的应用的初步可行性讨论分析。

关键词：集散控制；现场总线；A/D及D/A转换器；可靠运行

1输煤系统概述

随着微型计算机和现场总线技术的发展，微型机具有价格便宜、体积小、可靠性高等优点，使计算机控制由集中式的控制结构，转变成分散控制结构，也就是用多台计算机协调完成多个控制回路的控制任务，它们被“分散”安装到接近于测量和控制点的地方，这一类控制装置都具有数字通信能力，它们通过高速数据通道和主控制室的计算机相连接，形成分散控制、集中操作和分级管理的布局。输煤系统采用PLC程序控制，网络及总线控制结构,A/D及D/A信号转换，现场总线方式，配套相关系统RS-485通讯接口，并在机组辅机网上实现对输煤系统设备的监控。

输煤系统的控制方式采用程序控制，CRT显示。翻车机系统、斗轮堆取料机采用程序控制，并与输煤程控有信号和通讯联系。参加程序控制的设备还可以在就地进行起、停操作。在系统中的一些重要部位还设置了工业电视摄像头，用于监测设备运行状态。

2输煤系统的工艺流程

汽车卸煤沟（火车卸煤沟、斗轮机、）—＃1转运站—＃2转运站（除铁器）—＃3转运站（除铁器）—＃4转运站—碎煤机室—煤仓间（犁煤器）—给煤机—磨煤机

3输煤系统控制

3.1控制系统概述

输煤程控系统是实现输煤过程自动化的计算机控制系统，对燃煤输送装置的所有设备实现状态采集、显示和控制、由现场控制设备、现场A/D及D/A信号转换器、现场I/O开关量转换器、现场总线、可编程序控制器（PLC）、工业控制计算机组成，具有皮带自动上煤、煤仓自动配煤、计算机监控管理、CRT画面参数提示、声光报警、打印报表等功能。

输煤系统采用程序控制并设工业电视监视系统，程控系统采用双机冷备方式。输煤程控系统在总体设计及控制主机容量方面考虑两台机组燃煤要求，并留有一定的余量。输煤程控包括上煤程控、配煤程控、卸煤程控、系统监测管理、事故报警、事故自诊断、煤量统计、报表打印等，保证长期连续运行。

输煤集中控制室设在输煤综合楼内，控制室设有控制台和电源柜、程控柜、上位机、打印机、工业电视等设备。

输煤系统控制的主要设备包括皮带输送机、储煤筒仓、原煤斗、碎煤机、给煤机、切换挡板、犁煤器、缓冲辊筒、振打器、除铁器等。为确保安全运行，系统对被控设备设置各种检测和保护功能。

现在电厂所采用的自动化输煤控制系统，成功地实行了自动上煤、自动配煤、多分站网络配置、燃煤分炉计量、输煤皮带的跑偏、拉绳、速度、打滑、撕裂等保护、上位机监控和闭路电视监视相匹配。在输煤综合楼设置全厂输煤集中监控室，考虑到电厂的输煤程控控制对象比较分散，在1＃转运站、碎煤机室、煤仓层等处设置远程I/O站。由于输煤系统运行条件恶劣，各类干扰信号较多，集中控制系统与远程I/O站间的通讯采用光缆。

3.2控制系统功能

3.2.1输煤功能

输煤系统具有程序控制，软手动控制和就地手动控制三种控制方式，三种方式可以由运行人员根据生产的需要和设备的状态进行切换。

①程序控制方式：程序控制方式是输煤系统的主要运行方式。可分为自动启动与定时启动。自动启动是根据现场出现低煤位信号后，经过A/D和D/A转换，通过现场总线发送至PLC,系统按预先设置好的运行方式自动启动系统工作；定时启动是根据每个班上煤的要求，在CRT操作站上启动系统工作。

②软手动控制方式：分为联锁手动和解锁手动

联锁手动：在输煤控制室操作台上对现场设备按照选择的流程按逆煤流方向一对一的启动运行，按顺煤流方向一对一停机。

解锁手动：运行人员可随意启停设备（这只可在对设备进行试验时采用）。

③就地手动控制方式：在现场就地操作时的启动运行方式，仅作为调试或检修手段。

紧急情况下，可操作急停按钮，它将使现场所有运行中的受控设备（除碎煤机延时停机外）立即停机。

3.2.2配煤功能

配煤系统设三种控制操作方式：程序控制操作；软手动控制操作；就地手动控制操作。操作方式的选择由设在控制室的CRT操作画面切换开关完成。

①程序配煤方式：根据现场的需要分为条件配煤、时间配煤、自动跳仓和余煤配。

数据采集--A/D和D/A转换—总线传输—PLC控制—现场I/O开关量转换器—指令发送

条件配煤方式：当有煤仓出现低煤位信号时，正常进行的配煤煤斗停止配煤并记忆。先补低煤位仓直至低煤位消失，再按记忆煤斗的正常顺序把煤仓逐个加到高煤位。当多个仓同时出现低煤位时，对这些仓按从前向后的顺序进行轮换的配煤，直至低煤位消失。时间配煤方式（也即顺序配煤）：从第一个原煤仓开始进行配煤，煤斗以相同时间的依次配煤，直到所有煤斗发出高煤位信号为止。顺序配煤时如有煤仓出现低煤位信号，则停止顺序配煤，优先给低煤位配煤。

犁煤器、尾仓和检修仓设定：根据现场需要，在CRT画面上可设定需检修的仓和犁煤器。当遇到故障犁煤器或检修煤仓时，可自动跳过。当设置煤仓为检修仓时，该仓犁煤器自动抬起，防止落煤，指定煤仓为尾仓时，尾仓后的煤仓不再配煤。

余煤配煤：当停机信号发出后，皮带上余煤均匀配给每个仓，直至煤仓皮带停止运行。

②软手动配煤方式：在CRT上对犁煤器一对一的进行抬落操作实施软手动配煤。

3.2.3配套仪表设备

皮带沿线保护装置：跑偏开关、速度开关、纵向撕裂、拉绳及料流检测器等。

原煤仓料位：选用超声料位计或雷达物位计及射频导纳系列料位开关产品。

3.2.4输煤工业电视系统

监控区采用彩色摄像机，在低于1LUX照度的情况下，能够获得清晰图像，无失真画面。摄像机工作温度为－10℃～＋50℃。通过防护罩的保护能够在雨雪、风及多粉尘的环境下工作正常。云台小巧、灵活，水平转角≥320度，垂直转角±45度。控制室可对云台进行全方位控制，并对变焦镜头光圈大小、变倍、调焦进行操作。

中心值班人员可通过控制中心进行监督和检查。配置数字硬盘录像主机，多路视频输入，视频矩阵切换控制。可选择采集多副图像，同时对图像进行监控，操作员可通过多媒体进行图像监视。

系统具备远程监控功能及报警联网接口，可利用普通电话线或计算机网络进行远距离图像和报警信号的传输。可通过全厂MIS网进行图像切换、云台控制等操作，达到对值班人员或岗位进行监督和随时了解情况。系统整体布局合理、操作使用简单、维护保养方便。监控图像和远程视频信号传送稳定、清晰，动态性能良好。

3.3输煤程控系统的组成

输煤程控系统采用PLC来实现，PLC主站选用德国西门子S7-400系列PLC。编程软件为Step7V5.5_CN。机柜间I/O从站采用S7-300模块，通过PROFINE网络与主站进行通讯。现场I/O采用德国倍福BK3150端子模块，通过PROFIBUS-DP与主站进行通讯。胶带机跑偏装置采用DUPLINE总线与主站进行通讯。上位机监控软件为IFIX5.0。

输煤程控室设工控上位机进行监控和操作，同时负责为全厂辅网系统提供数据服务功能。程控室不另设操作控制台及显示模拟屏,只在上位机监控台上设紧急停机按钮。监控台除布置输煤程控的操作员站外，还包括输煤工业电视监控设备、打印机、输煤播叫等附件的布置。

本系统设上位监控机二台，此两台上位机互为热备用，一方面实现输煤程控系统要求的各种监控、系统管理及安全管理功能。另一方面配置独立的数据库，作为网关计算机负责与全厂信息系统的接口数据响应和服务工作，充当服务器的角色。

正常情况下其中一台做全系统的监测、控制、事故追忆、数据记录备份、操作记录查询、报警记录查询、数据曲线显示、与辅网数据通讯等功能。另一台负责事故报表、运行报表及其管理及打印，当任一台发生故障时，另一台能自动无扰切换，完全承担所有功能。维护工程师可以通过密码登录，将任意一台上位机登录成工程师站。

该上位机考虑配有为辅网提供数据服务所需的软、硬件，至少包括：网络接口设备、实时数据库驱动接口软件、防火墙软件等。与全厂信息系统的接口在保证数据正确传输的同时，还必须保证煤区域监控网络的安全性，并阻止来自全厂信息系统的任何操作及有意或无意的破坏和病毒侵害。

上位机采用HP（惠普）工业级计算机实现，最低配置为PentiumIV1.6G，512M内存，CPU及内存冗余热备，80G硬盘（带磁盘阵列），40倍速可读写光驱。服务器数据库容量保证整个煤区域实时数据在线保存3个月以上，并可实现自动数据备份。

输煤系统配置两台至少100M速率的以太网交换机，每台至少有电口14个，光端口2个，布置于输煤程控台内。其中电口考虑与上位机和PLC的以太网相连，光端口考虑与全厂辅网相连。

通过煤区域监控网络对网络监控系统和各车间控制系统进行统一时钟校准，以使整个系统工作在统一的时钟下，煤网控制系统留有1个接受GPS对时的接口，接口形式满足电厂GPS系统要求。

本系统在各控制对象的就地控制柜（机旁箱）上设程控和就地操作切换开关。系统的正常运行以上位机的显示、键盘、鼠标操作为主，各对象就地手动启停按钮操作只做为试验及事故状态下使用。

对于输煤系统个别重要参量的监控，可通过输煤程控系统与电厂辅网、SIS系统接口实现上传和下达。

3.4输煤程控项目

3.4.1程控启动

操作员可分段启动系统设备，用鼠标器选择自动运行方式，然后预选要启动的皮带输送机后再点选“确认”按钮，这时系统就会按逆煤流方向将现场设备按预选的线路逐个启动，在每个设备启动之前系统都发出7秒钟的声音警告，启动后的设备在CRT画面上有详细的指示。

3.4.2程控停机

点选“程控停机”按钮，此时PLC发出按顺煤流方向从煤源开始停机的指令，直至犁式卸料器全部抬起为止。

3.4.3事故停机

当皮带出现打滑、跑偏、撕裂或现场其它设备发出急停信号时，PLC按预先编制的程序立即发出事故停机指令。使从故障点到煤源之间的现场设备按逆煤流方向联跳停机，相应的事故设备在画面上闪烁，使运行人员立即判明事故点。

注：如煤仓都发出高位信号时，系统将按煤流方向顺序停机。

3.4.4紧急停机

当运行人员发现系统异常或在程序停机无效时，可按下屏体上的“紧急停机”按钮，以使各设备同时带载停机，但它不受联锁停机的约束。

3.4.5碎煤机控制

碎煤机正常启动及正常停机和一般设备相同，但在碎煤机以后的设备联跳或紧急停机时，碎煤机延时30秒再停机，以避免碎煤机下次带载启动，如碎煤机本身故障则立即停机。

3.4.6堵煤振打器控制

PLC可发出指令，使堵煤振打器自动振打或定时振打。当选择定时振打时，不论是否堵煤，PLC将隔一段时间振打10秒，但不论定时振打或自动振打，接收到堵煤信号后立即发出振打指令启动振打器，如振打器工作5秒后，堵煤信号还不消失，将作为事故处理指令联锁停机。

3.4.7煤仓间的程序配煤

程序配煤有顺序配、低煤优先配、余煤配三种配煤方式。当配煤皮带运行后，通常从第一仓开始顺序将所有的仓配成高煤位，如配煤开始就有低煤位信号则优先给低煤位仓配以一定时间煤量。在顺序配煤时，如某个仓出现低煤位时，则待正在配煤的仓配满后，立即转至低煤位仓配一定时间煤量，再返回进行顺序配煤。顺序配煤中遇到检修仓能自动跨过。当全部煤仓满后，PLC即发出程序停机指令。此时各设备按顺煤流方向延时停机。在停机过程中余煤将自动配给未出现高煤位的煤仓。如此时，全部煤仓均为高煤位则发出紧急停机指令。

3.4.8手动控制：在CRT画面上选择“手动控制”方式，既可用鼠标器对画面上的每一个设备进行单独的启停，注意此时运行的设备间没有联锁关系。如出现故障将不会联锁停机。

就地操作：在就地控制箱上，设有手动/自动转换开关，当转换开关转到手动时，封锁自动的PLC指令，由就地的控制箱实现对设备的启停操作。就地操作一般在调试和检修以及应急情况处理时使用。

3.5程控系统的组网原则：

程控系统PLC主机按双机热备用配置。程控室与各远程站之间的通讯按双冗余设置（除后文特别指出外），总线形式由卖方根据本工程具体情况可采用总线式、树型拓扑结构，在就地信号集中处设远程I/O站。主干网通讯电缆要求采用光纤。光纤的具体选型由卖方根据具体方案选定，数量满足工程实际需要。各远程站的设置按分布又相对集中的原则设置，PLC模块的选用采用分布式I/O。现场级的控制网络要求采用技术成熟的电力线式现场总线形式及设备。

3.6I/O站的规划与布置：

输煤程控系统设输煤主站1个，位于输煤程控室；就地I/O站3个，分别位于#1转运站、碎煤机室、煤仓间。#1转运站远程站负责#1转运站、#2转运站范围内的设备接入；碎煤机室远程站负责#4转运站、碎煤机室范围内的设备接入；程控主站负责输煤综合楼、#3转运站范围内的设备接入；煤仓层远程站负责主厂房范围内的设备接入。控制台和上位机系统布置在输煤综合楼内的控制室。

#1转运站配置1面程控柜、1面继电器柜、1面电源柜，进线方式采用柜底进线，柜体靠墙布置。碎煤机室站配置1面程控柜、1面继电器柜、1面电源柜，进线方式采用柜底进线，柜体靠墙布置。程控主站配置2面程控柜、1面电源柜，进线方式采用柜底进线柜体不靠墙。煤仓层配置1面程控柜、1面继电器柜、1面电源柜，进线方式采用柜顶进线，柜体靠墙布置。

3.7其它相关系统：

工业电视系统，工业电视监视器布置在输煤控制室内程控台前，工业电视切换装置布置在程控台上。工业电视摄像点暂按45点考虑。当输煤系统进行程控操作和报警时，与设在各个转运站本地的有线呼叫相联系，并将相关语音信息在整个皮带沿线播放。

3.8输煤系统的主要受控设备：

3.8.1煤场喷洒水：

输煤系统煤场喷洒水按程控室远方自动控制方式考虑，本系统2个煤场，共设喷头30个，在程控室能做到对每一个喷头独立、或成组、或定时喷水等各种方式灵活的控制。该系统要求采用硬接线方式实现全部控制，双方的接口在端子柜上。在输煤程控系统内配置相应I/O点。

3.8.2叶轮给煤机：

汽车卸煤沟系统共2条皮带，每条皮带设2台叶轮给煤机，叶轮给煤机的控制采用电力线式现场总线方式控制。该电力线式现场总线系统所需的2套主控装置、4套分控装置由买方另行采购，不在卖方范围内。卖方负责在#1转运站远程站为此系统配置出MVI-56MCM模块1块，同时负责叶轮给煤机控制系统上位机部分的软件编制及配合工作。

电力线式现场总线主控装置安装在#1转运站远程柜中，留出相应的安装位置和～220V电源。

3.8.3煤仓层犁煤器：

该系统2台机组共设犁煤器22台，要求犁煤器的控制也采用电力线式现场总线装置实现。22台犁按机组、皮带共划分为4组。要求为每组设电力线总线主控装置1个，为每个犁煤器设分控装置一个；对每组采用环形供电，由MCC提供两回5kVA的交流3相4线制电源；对每组的控制也采用环形网络结构；对犁煤器所在对应位置的高料位信号直接从犁煤器分控装置引接。

电力线总线系统有4台主控装置、22台分控装置。主控制装置安装在煤仓层远程站程控柜内，分控装置安装在犁煤器就地控制箱内，同时在该远程站配置MVI-56MCM模块2块，插在PLC底板上作为与主控装置的接口。

3.8.4煤场皮带刮水器：

本工程两个煤场，共4个皮带刮水器。要求采用硬接线方式实现全部控制和信号反馈。卖方负责在程控系统内配置相应I/O点。

3.8.5煤水处理系统：

煤水处理程控系统由工艺系统成套供货，不在此范围内。输煤程控系统负责提供1块双通道PROFINET通讯模块（光纤口），插在煤水处理系统的PLC机架上，以便实现与输煤程控系统的通讯。煤水处理系统的上位机监控在输煤程控系统实现，输煤程控系统负责其软件的编制。

3.8.6翻车机系统：

翻车机系统的控制自成系统，不在输煤程控范围内。要求由输煤程控系统提供1块双通道PROFINET通讯模块（光纤口），插在翻车机系统的PLC机架上，以便实现与输煤程控系统的通讯。从#1转运站远程站至翻车机程控系统的电缆也由输煤程控系统统一提供。在输煤程控系统上位机上要求实现对翻车机系统的远方监视与控制。此处的控制功能实现与翻车机系统的控制功能相互闭锁。

3.8.7斗轮机系统：

斗轮机系统的控制自成系统，不在输煤程控范围内。其与输煤程控系统之间本期仅考虑少量的DI/DO方式的闭锁联系，作为远期考虑，要求输煤程控系统在#4转运站远程站为两台斗轮机各至少留出一个备用槽位，以考虑将来以通讯的方式与斗轮机接口的可能。

3.9输煤程控的控制功能：

输煤程控控制功能包括上煤程控、配煤程控、卸煤程控、系统监测管理、事故报警、事故自诊断、煤量统计、报表打印及上位管理机的管理功能等。

3.9.1上煤控制功能

上煤控制功能分程控自动、程控手动和就地手动三种方式。程控自动方式的所有操作均通过程控室上位机软操作（键盘+鼠标）实现，各设备之间按工艺专业的要求在PLC控制下自动联锁运行。

程控手动方式包括程控联锁手动，程控解锁手动两种。此方式均通过软操作实现。当程控/就地切换开关打在就地时，程控系统只监视对应设备状态，不对其发任何控制指令。

控制方式灵活可靠，当部分设备故障时，只要系统中有通路就能程控选择上煤、配煤、卸煤。程控运行中保留必要的人工干预手段，以备个别设备故障时，运行人员采取必要的措施。

3.9.2配煤控制功能

配煤控制功能也分为程控自动配煤、程控手动配煤和就地手动配煤三种方式，其中前两者在PLC的控制下进行，后者无需PLC的参与。

3.9.3监视报警功能

监视报警功能主要包括输煤系统的数据采集和处理、各种运行方式的设备运行工况变化，并能通过LCD和功能键盘为运行、检修人员提供各种信息和报警。

监视报警内容能自动储存到硬盘，以避免占用过多的上位机、服务器资源。

4输煤程控系统硬件要求

4.1PLC要求

系统硬件采用西门子系列PLC设备，PLC主机按双机热备用方式配置，主机采用双电源，自动切换。机柜内的模件能带电插拔而不损坏，且不影响其它模件正常工作。模件的种类和尺寸规格尽量少，以减少备件的范围和费用。处理器模件及所有I/O模件带有LED自诊断显示。处理器模件若使用随机存储器（RAM），则配置电池作为数据存储的后备电源，电池的更换不影响模件的工作。每个数字量的I/O通道板都有单独的熔断器或其它保护措施。

4.2I/O类型

系统中所有模块均充分考虑分散性，单个开关量模块点数不允许超过16点。单个模拟量模块点数不允许超过8点。模拟量的输入：4-20mA，最大输入阻抗为250Ω。模拟量的输出：4-20mA，具有驱动回路阻抗大于600Ω负载能力。开关量输入：无源干接点，程控I/O柜内220V继电器隔离（除特别指出外）。开关量输出：继电器隔离输出，接点容量：220VAC3A。隔离继电器要求采用端子式继电器。

4.3上位工业控制管理机

两套上位机组态相同，可互为备用。上位机采用工控主流机型。

5结论

通过集散控制和现场总线技术在发电厂输煤系统中的应用我们可以得出以下结论：

微型机具有价格便宜、体积小、可靠性高等优点，使计算机控制由集中式的控制结构，转变成分散控制结构，也就是用多台计算机协调完成多个控制回路的控制任务，它们被“分散”安装到接近于测量和控制点的地方，这一类控制装置都具有数字通信能力，它们通过高速数据通道（现场总线）和主控制室的计算机相连接，形成分散控制、集中操作和分级管理的布局。采用现场总线技术，可以减少现场控制电缆的敷设，节约建设投资成本，提高发电厂输煤系统运行的可靠稳定运行。

参考文献：

［1］潘新民.等，微型计算机控制技术.北京:电子工业出版社，2003

［2］杨宁.集散控制系统及现场总线.北京:北京航空航天大学出版社，2003