高 山，梁偉平，游松林

（1.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071000；2.國(guó)電 福州發(fā)電有限公司，福州 350309）

0 引言

輸煤系統(tǒng)是火電廠輔助系統(tǒng)的主要組成部分之一，承擔(dān)著上煤與配煤的重要任務(wù)[1]，即把煤從火車或輪船上卸到煤場(chǎng)儲(chǔ)存，和把煤從煤場(chǎng)運(yùn)到磨煤機(jī)以供鍋爐燃燒。輸煤設(shè)備分布廣，工作環(huán)境粉塵大，操作和維護(hù)的工作量極大。因此，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制是非常迫切的[2,3]。

筆者根據(jù)國(guó)電福州電廠輸煤改造項(xiàng)目，介紹EDPF-NT Plus在實(shí)際中的應(yīng)用。

1 工程概述

本期工程是在原有的輸煤系統(tǒng)上，增加一條輸煤線路。該廠燃煤主要通過海運(yùn)，大型輪船停靠在廠區(qū)碼頭，通過卸船機(jī)、輸煤皮帶，將燃煤運(yùn)到煤場(chǎng)儲(chǔ)存，在需要時(shí)取出。工程的流程圖如圖1所示。黑線部分為本次工程。主要包括：1臺(tái)卸船機(jī)，6臺(tái)帶式輸送機(jī)，1臺(tái)三位置伸縮裝置，1臺(tái)斗輪堆取料機(jī)和其他相關(guān)、輔助設(shè)備。

整個(gè)系統(tǒng)采用順序控制，逐個(gè)啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備。在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需要根據(jù)反饋信號(hào)，判斷設(shè)備工作狀態(tài)，防止堵煤帶來(lái)的損失。系統(tǒng)的控制難點(diǎn)在于，2#皮帶長(zhǎng)達(dá)近3km，啟動(dòng)和停止需要多部大型變頻器，堆取料機(jī)需要設(shè)計(jì)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)、順控手動(dòng)等多種方式，智深系統(tǒng)與一期施耐德昆騰系列PLC的通訊。

2 DCS配置

DCS采用控制器、上位機(jī)的兩級(jí)控制結(jié)構(gòu)，利用控制器對(duì)整個(gè)輸煤系統(tǒng)中的設(shè)備進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集，通過上位計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令，同時(shí)在上位機(jī)上直觀動(dòng)態(tài)地顯示系統(tǒng)中各設(shè)備的狀態(tài)信息。上位機(jī)放置在程控室，控制器則分布在相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)站，備有專用的電源柜。由于距離過長(zhǎng)，上位機(jī)和控制器之間采用光纖通信，雙網(wǎng)冗余，保證整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)的暢通。

整套輸煤系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)控制。以功能相對(duì)自治劃分各站，不同的功能用不同的站來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要有：工程師站（ENG），操作員站（OPR），接口站（SIS），過程控制站（DPU），歷史數(shù)據(jù)記錄站（HSR）[4]。重要的功能站可以設(shè)置冗余，也可以將多個(gè)工作站在同一臺(tái)物理計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。工程師站主要用于系統(tǒng)的組態(tài)和維護(hù)。操作員根據(jù)操作員站顯示的過程畫面，對(duì)設(shè) 備進(jìn)行監(jiān)控和操作。過程控制站是系統(tǒng)最基本的控制單元，將網(wǎng)絡(luò)通信，數(shù)據(jù)處理，順序控制和批處理有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，形成可靠穩(wěn)定的控制系統(tǒng)。歷史數(shù)據(jù)站采用二進(jìn)制壓縮格式收集、存貯和管理數(shù)據(jù)，包括日志、報(bào)警、SOE、事故追憶等。接口站是智深系統(tǒng)與第三方計(jì)算機(jī)連接的雙向數(shù)據(jù)通訊接口[5]。在實(shí)現(xiàn)使用要求的前提下，廠方采購(gòu)了3臺(tái)計(jì)算機(jī)和4對(duì)8個(gè)DPU。計(jì)算機(jī)功能為：1臺(tái)工程師站，1臺(tái)操作員站，1臺(tái)接口站。系統(tǒng)分布如圖2所示。

在現(xiàn)場(chǎng)，DPU通過高速現(xiàn)場(chǎng)總線與I/O模塊連接，實(shí)現(xiàn)分布式控制。結(jié)合設(shè)備特點(diǎn)，工程選用了DI32，DO16，AI16，AO08，RTD16五種卡件。卡件端子和模塊集成在一個(gè)底座上，方便系統(tǒng)的安裝，檢修和維護(hù)。RTD為熱電阻測(cè)量模塊，以橋路原理測(cè)量PT100。

3 軟件組態(tài)

EDPF-NT組態(tài)軟件基于Microsoft Visio，簡(jiǎn)單快捷。支持SAMA圖等圖形化的組態(tài)語(yǔ)言，方便用戶根據(jù)需要自定義算法。算法均為模塊化封裝，并以圖標(biāo)顯示，按模擬量和數(shù)字量劃分為兩大類。組態(tài)時(shí)，只需拖拽至相應(yīng)的Visio圖中，用線連起來(lái)。Visio圖經(jīng)過配置編譯后，生成標(biāo)準(zhǔn)SAMA圖，供操作員站查詢?cè)O(shè)備狀態(tài)，算法邏輯。

卸煤時(shí)，采用逆煤流方向：依次啟動(dòng)3#斗輪機(jī)，C13皮帶，3#轉(zhuǎn)運(yùn)站短皮帶，C3A皮帶，C3皮帶， C2皮帶，C1皮帶，卸船機(jī)，前一級(jí)設(shè)備的運(yùn)行反饋是下一級(jí)設(shè)備的啟動(dòng)允許條件之一。所有皮帶均采用AB雙路布置，提高可靠性。停止時(shí)，采用順煤流方向：停止卸船機(jī)，C1皮帶，C2皮帶，C3皮帶，C3A皮帶，3#轉(zhuǎn)運(yùn)站短皮帶，C13皮帶，3#斗輪機(jī)。中間某一設(shè)備發(fā)生故障，影響正常運(yùn)行時(shí)，順煤流的上級(jí)設(shè)備立刻停止，以免造成更大的堵煤，下級(jí)設(shè)備正常運(yùn)行，輸送完皮帶上的存煤后停止[6]。

圖3 1#變頻器的轉(zhuǎn)矩邏輯選擇Fig.3 Torque converter selection logic 1#

由于2#皮帶過長(zhǎng)，需要比較大的拉力，現(xiàn)場(chǎng)采用3臺(tái)變頻器控制，1主2從的工作方式。運(yùn)行前，先啟動(dòng)相應(yīng)的變頻變壓器，風(fēng)機(jī)。再通過上位機(jī)，給定相同的速度設(shè)定值。變頻器根據(jù)速度計(jì)算所需轉(zhuǎn)矩，將主轉(zhuǎn)矩作為從轉(zhuǎn)矩的輸入值。1#變頻器的轉(zhuǎn)矩邏輯選擇如圖3所示。假設(shè)1#變頻器作為主變頻器。經(jīng)信號(hào)選擇模塊，如果上位機(jī)選擇2#作為主變頻器，模塊的輸出為2#轉(zhuǎn)矩輸出值，否則輸出為1#變頻器轉(zhuǎn)矩。同樣，經(jīng)過第2個(gè)信號(hào)選擇模塊，如果上位機(jī)選擇3#作為主變頻器，模塊的輸出為3#轉(zhuǎn)矩輸出值，否則輸出為1#或2#變頻器轉(zhuǎn)矩。最終的轉(zhuǎn)矩輸出分別送到3臺(tái)變頻器的轉(zhuǎn)矩輸入。

智深的人機(jī)界面采用自身的GB畫圖軟件，由GD軟件顯示，可以根據(jù)用戶要求和使用習(xí)慣，畫監(jiān)控畫面。該廠一期輸煤系統(tǒng)運(yùn)行多年，值班人員也較為熟悉已有的畫面風(fēng)格。為方便起見，所畫畫面模仿一期，并添加新增設(shè)備。整體系統(tǒng)如圖4所示。皮帶停止時(shí)為灰色，也可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)變紅或變綠。犁煤器由抬起、落下兩種圖形表示。

考慮到緊急情況的發(fā)生，顯示界面設(shè)計(jì)了“全場(chǎng)急?！卑粹o，一鍵立刻停止所有設(shè)備。同時(shí)，為保證安全，設(shè)置“復(fù)位”按鈕。當(dāng)系統(tǒng)中有設(shè)備發(fā)生故障后，邏輯中故障信號(hào)會(huì)保持。只有排除故障，確認(rèn)“復(fù)位”后，才能在邏輯中消除故障信號(hào)，正常操作設(shè)備。

4 Modbus通信

現(xiàn)代電場(chǎng)規(guī)模大，建設(shè)周期長(zhǎng)，設(shè)備眾多，有時(shí)會(huì)采用不同的控制系統(tǒng)，而監(jiān)控人員數(shù)量與精力有限，這要求不同的系統(tǒng)能在同一臺(tái)電腦上顯示操作。在EDPF-NT Plus中，可以用軟件或硬件實(shí)現(xiàn)與第三方的通訊。硬件實(shí)現(xiàn)需要配置一塊COM卡，它是分布式高速智能測(cè)量測(cè)控網(wǎng)絡(luò)中的智能通訊單元，支持Modbus協(xié)議或IEC60870-5-103規(guī)約。但其檢測(cè)通道數(shù)量相對(duì)有限，購(gòu)買卡件又需要一定的費(fèi)用。因此，在實(shí)際中，更多的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)通訊。

軟件通訊可基于以太網(wǎng)或串口服務(wù)器。以太網(wǎng)通訊協(xié)議為Modbus over TCP/IP，每個(gè)第三方系統(tǒng)與DCS均視為網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，需明確指定每個(gè)結(jié)點(diǎn)IP地址和端口號(hào)。串口通訊協(xié)議為Modbus RTU，第三方系統(tǒng)與DCS之間以串口服務(wù)器作為轉(zhuǎn)接接口。服務(wù)器一端通過RS485和第三方系統(tǒng)連接，另一端則通過以太網(wǎng)和DCS連接。一個(gè)串口服務(wù)器具有一個(gè)IP地址，每個(gè)端口具有自己的端口號(hào)[7]。

設(shè)備、任務(wù)與虛擬卡件是通訊中最重要的3個(gè)概念。設(shè)備是指與DCS通訊的第三方系統(tǒng)，一個(gè)DPU可與多個(gè)設(shè)備通訊，設(shè)備間彼此獨(dú)立。任務(wù)是DCS與第三方系統(tǒng)的事務(wù)處理，一次任務(wù)完成一次通訊。DCS與第三方系統(tǒng)的通訊由一個(gè)或多個(gè)任務(wù)組成，可分成輸出任務(wù)和輸入任務(wù)。虛擬卡件類似傳統(tǒng)的IO卡件，用于組態(tài)，創(chuàng)建通訊測(cè)點(diǎn)。

該廠一期輸煤系統(tǒng)采用昆騰PLC控制，廠方要求DCS側(cè)能監(jiān)視整個(gè)輸煤系統(tǒng)。實(shí)踐中選擇以太網(wǎng)通訊，EDPF-NT Plus作主站，直接讀取PLC主機(jī)中的信號(hào)值。

通訊配置的主要步驟如下：

1）創(chuàng)建虛擬DPU。在接口站新建DPU，操作方法與真實(shí)DPU相似。

2）配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。接口站與PLC系統(tǒng)處于同一個(gè)子網(wǎng)，用接口站的第三塊網(wǎng)卡與PLC主機(jī)相連。

3）組態(tài)。根據(jù)需要建立30塊虛擬卡件，繪制邏輯圖。虛擬卡件需要指定設(shè)備ID，從站ID，起始寄存器號(hào)，字節(jié)順序類型和功能碼。

4）創(chuàng)建配置文件。結(jié)合通訊測(cè)點(diǎn)清單和卡件組態(tài)信息配置任務(wù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以國(guó)電福州電廠為例，介紹了智深EDPF-NT Plus DCS系統(tǒng)在輸煤項(xiàng)目中的應(yīng)用，說(shuō)明了基于Modbus的通訊方法。近一年的運(yùn)行表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)良好，故障率低，大大降低了監(jiān)控人員的工作量，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，對(duì)改變電廠中輸煤程控落后的狀態(tài)，具有一定的參考和指導(dǎo)價(jià)值。

[1]花書振.保定熱電廠輸煤程控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造[D].保定:華北電力大學(xué),2008.

[2]張海玲.PLC在火電輸煤程控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D].青島:中國(guó)海洋大學(xué),2009.

[3]于學(xué)鵬.基于和利時(shí)LK大型PLC的電廠輸煤程控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].西安:西安電子科學(xué)技術(shù)大學(xué),2010.

[4]董玉強(qiáng),白焰.DCS在某電廠脫硫系統(tǒng)的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,2012,39(12):1561-1566.

[5]北京國(guó)電智深控制技術(shù)有點(diǎn)公司. 國(guó)電智深EDPF-NT系統(tǒng)簡(jiǎn)介[Z].2011.

[6]黃湘.大型火電設(shè)備手冊(cè)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2009.

[7]北京國(guó)電智深控制技術(shù)有點(diǎn)公司.EDPF-NT Plus EIO使用手冊(cè)[Z].2011.