浅谈火电厂辅助车间PLC控制系统平台优化设计

浅谈火电厂辅助车间PLC控制系统平台优化设计

沈 峰

江苏常熟发电有限公司   江苏省常熟市    215536

摘要：基于PLC框架的控制系统在电力、化工等生产领域被广泛使用，但是PLC技术高兼容和高可扩展性导致其在系统安全、参数报警及系统状态管理功能整合方面相比DCS系统较为薄弱，因此辅助车间PLC控制系统设计上模块优化，智能管理，实现网络冗余、硬件状态，网络状态、主重要参数的自主监视显得尤为重要。

关键词:火电厂；辅助生产车间；PLC控制系统；优化设计

引言

目前火电厂辅助车间（系统）集中监控网，包括水处理系统、灰渣排放系统、燃煤输送系统等，多采用PLC+网络+上位机为中心的控制模式，以光纤以太网作为数据传输介质，搭设星型网络，实现辅网系统分层联网、集中控制。由于PLC系统平台的先天不足导致很多重要功能缺失，本文旨在通过设计优化来有效规避PLC系统在大型系统中的劣势。

1平台的选择

火电厂辅助车间管理系统庞大，一般的平台比如intouch和组态王平台是无法满足要求的，在多用户数据对接上选择网络服务器架构平台能更好的满足要求。目前采用较多的控制平台是wonderware IDE平台，也可以选择SCADA服务器平台接入DCS。平台中涉及的服务器、交换机、PLC控制器、工程师站、操作员站全部冗余配置，当网络中任一设备发生故障时，整个平台工作不受影响。

2PLC硬件选择

根据辅助车间的子系统工艺流程和系统复杂程度确定规模大小。生产过程主要是条件、顺序控制，以开关量为主的系统，一般选微型PLC，如西门子S7-SMART等。系统中需要复杂控制和闭环控制的应当选择具有模拟量和PID控制PLC，如西门子S7-300等。对于复杂程度较高、需要具有智慧电厂功能的系统，应选用具有通讯联网、智能控制、数据库、中断控制、函数运算的高档PLC，如西门子S7-400，AB-L7系列等。

3辅助车间PLC控制系统设计

3.1硬件设计

首先根据项目系统的设备控制需求确定I/O点的类型和数量，列出清单，卡件通道数量需要预估备用点20-30%。适当进行内存容量的估计，原则正常运行时CPU负载不超过30%。输入输出根据需要增加信号隔离，AI信号（模拟量输入）电流信号增加隔离栅可有效防干扰。对于DI、DO涉及强电（24V以上）信号的，必须使用继电器进行隔离处理。所有PLC控制器和通讯全部冗余配置，当系统内任一设备发生故障时不影响系统正常运行。

3.2控制系统电源设计

辅助车间PLC系统一般为AC220V和DC24V两种规格，系统原则上不采用小型UPS。AC220V电源采用双路设计，原则上一路厂用UPS电源，一路保安变电源，通过电源快速切换装置切换后给系统机柜供电。DC24V电源采用双模块+冗余模块配置。当任一路AC220V和DC24V电源发生故障时系统发出报警给HMI监视画面提醒运行人员。所有服务器、交换机、工程师站、操作员站都采用双路电源+快切装置设计，快切装置切换时间要求小于8ms。所有PLC系统控制器、交换机、卡件供电与外部现场仪表设备供电应分开，独立设计。

3.3系统接地设计

一般情况下，PLC控制系统需要两种接地：保护地和工作地。

保护地是为了防止设备外壳的静电荷积累、避免造成人身伤害而采取的保护措施。PLC系统所有操作员机柜、现场控制站机柜、打印机、端子柜等均应接保护地，接地电阻小于4欧姆。

屏蔽地也叫模拟地，它可以把现场信号传输时所受到的干扰屏蔽掉，提高信号精度。PLC中信号电缆的屏蔽层应做屏蔽接地。线缆屏蔽层必须一端接地，防止形成闭合回路干扰，接地端一般在PLC系统机柜侧。

3.4下位机程序设计

由于辅助车间生产过程控制要求复杂程度较高，需要把一个总的控制目标分成多个具有明确子任务的程序模块，分别编写程序和调试，最后组合成一个完整程序。这样编写程序各系统功能相对独立，相互之间关系简单，易于调试修改。

PLC控制系统I/O分配时，对于主重要设备，如A/B侧电机不可将测点分配在同一块卡件上，防止由于卡件故障导致A/B侧电机无法正常运行。每块卡件要留有一定的备用通道。

3.5HMI操作画面设计

画面设计总导航页面，通过页面链接按钮，进入不同的控制系统页面和报警页面。以辅助车间总导航页主菜单为切入口，集成子系统的树状图画面总成，负责监盘人员日常监控画面的操作与调用。设置报警ALM以及历史库数据调用入口，起到报警信息及历史信息辅助诊断的作用。子系统以树状列表的形式呈现，可以帮助监盘人员快速准确定位所操作的系统画面位置，提升工作效率。

火电厂辅助车间PLC系统一般配置运行人员在3-5人，需要同时监测大量设备，HMI操作员画面设计上主要以提效为目的，配置辅助功能协助运行人员及时发现系统内设备故障。主要辅助功能设计如下：

1）系统状态监视页设计：系统状态监视主要包括服务器、控制器冗余状态、卡件状态的全过程监视。对系统状态的监视可以掌握PLC系统的运行工况，从而避免因冗余丢失或卡件故障造成增加系统瘫痪的风险可能。

2）光字牌报警页设计：软光字牌具备声光报警功能。操作画面模块化运作，关联系统以树状列表呈现，更有利于监盘人员画面切换和操作。另外，光字牌报警画面可以直接关联对应所在系统图具体位置，可以让监盘人员省去寻找报警来源的麻烦，为监盘人员的故障诊断提供一个直观、可靠的辅助分析工具。

3）电源状态监视页设计：将AC220V和DC24V电源报警信号通过通讯或硬接线接入系统画面进行监视。监盘人员可以及时收到电源故障报警，采取措施。

4）其他拓展功能：设计引入未来相关技术的接口模块，可以将辅助车间相关设备数据接入智慧电厂平台。通过大数据平台可实时查看辅助车间设备数据，并得到设备诊断帮助。

4辅助车间PLC控制系统的重要功能测试

4.1PLC系统冗余测试

通过模拟插拔冗余心跳线或插拔卡件的方式来检验其报警功能。第一步，拔除PLC冗余心跳线，此时主备控制器失去冗余功能，控制器液晶屏显示冗余报警，观察辅网HMI网络监控画面，系统CPU报警显示由绿变红，验证了报警的正确性。第二步，我们恢复PLC冗余心跳线，此时主备控制器冗余恢复，控制器液晶屏冗余报警消失，观察辅网HMI网络监控画面，系统CPU报警显示绿色。系统冗余状态恢复正常。

4.2电源切换冗余测试

通过模拟负载工作方式，测试不同工作方式下电源切换装置输出报警显示情况。两路电源正常工作的情况下切断两路电源中的其中一路，系统工作状态应当不受影响，画面上显示具体故障电源信息。

结语

火电厂辅助车间PLC系统的优化设计是一个综合通讯、网络、智能、电子等技术长期而复杂的过程，本文通过分析PLC系统设计的内容、原则，总结实际使用过程中存在的一些问题，提出优化设计方案，在实际应用中具有良好效果。

参考文献

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