譚寶成，葉國(guó)印

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

目前我國(guó)火電廠大部分還是以燃煤為主，加工、運(yùn)輸、貯備足夠的燃煤是火電廠最基本、最主要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一[1]。國(guó)外大型燃煤電廠多為基于可編程序控制器（Programmable Logic Controller即PLC），智能測(cè)量控制儀表，通用計(jì)算機(jī)等構(gòu)成的集散控制系統(tǒng)。本文采用了國(guó)際目前最先進(jìn)的3C（Control，Communication，Computer）技術(shù)，控制系統(tǒng)為典型的DCS系統(tǒng)，分為生產(chǎn)管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、就地控制層。該系統(tǒng)可大大減少運(yùn)行和維護(hù)人員的工作量，減少事故的發(fā)生，對(duì)電廠的安全高效運(yùn)行有很大的幫助。隨著電力工業(yè)的大力發(fā)展以及電力企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)的加劇，在“廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)”的大背景下，電力生產(chǎn)企業(yè)面臨著前所未有的考驗(yàn)，如何降低成本，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力便成了電力企業(yè)的共同議題。該系統(tǒng)必將會(huì)受到越來(lái)越多的關(guān)注。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸煤程控系統(tǒng)主要由四部份組成，分別為卸煤部分、堆煤部分、上煤部分、配煤部分組成，一般各個(gè)電廠的卸煤部分和堆煤部分是對(duì)外來(lái)煤進(jìn)行整理，以供上煤部分使用。由于各個(gè)電廠的歷史背景條件不同，所以這部分是相對(duì)獨(dú)立自由的。本系統(tǒng)重點(diǎn)研究上煤部分和配煤部分。輸煤系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 輸煤系統(tǒng)框圖Fig.1 Temperature control system structure

上煤部分是輸煤皮帶機(jī)完成將原煤從煤場(chǎng)輸送到原煤倉(cāng)的過(guò)程；配煤部分是將從上煤系統(tǒng)輸送來(lái)的煤按照一定的要求、規(guī)律、順序地分配到煤倉(cāng)中的過(guò)程。輸煤系統(tǒng)所有受控設(shè)備包括各級(jí)送料皮帶，一、二級(jí)碎煤機(jī)室中等主要設(shè)備。本設(shè)計(jì)所需要受控對(duì)象包括：碎煤機(jī)4臺(tái)，帶式輸送機(jī)8條，雙側(cè)犁式卸料器6臺(tái)，原煤倉(cāng)4座，電動(dòng)三通擋板2臺(tái)，振動(dòng)給料機(jī)4臺(tái)，震動(dòng)篩2臺(tái)，電動(dòng)緩沖滾筒2臺(tái)，帶式除鐵器2臺(tái)，盤式除鐵器2臺(tái)，電子皮帶秤2臺(tái)等。由于火電廠在一定時(shí)間內(nèi)煤質(zhì)量相差很大，因而用煤量亦相差很大，輸煤系統(tǒng)必須具有靈活多樣的運(yùn)行方式，只有這樣機(jī)組才能達(dá)到穩(wěn)發(fā)電滿發(fā)電的目的[2]。

2 輸煤程控設(shè)計(jì)控制方式

輸煤程控系統(tǒng)分為上煤和配煤兩部分。為了使系統(tǒng)便于操作及安全可靠運(yùn)行，對(duì)于上煤部分要求可分為程控自動(dòng)、集控方式和手動(dòng)方式。

1）程控自動(dòng)：整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行鍵盤鼠標(biāo)控制，首先在上位機(jī)預(yù)先流程菜單上選擇流程路徑，然后系統(tǒng)自動(dòng)檢查是否正確，當(dāng)犁煤器、盤式除鐵器、三通擋板到位，而且落煤管、篩煤機(jī)的堵煤檢測(cè)設(shè)備無(wú)報(bào)警后。這時(shí)系統(tǒng)提示準(zhǔn)備就緒，運(yùn)行操作人員這時(shí)可以在上位機(jī)發(fā)出指令，系統(tǒng)自動(dòng)完成相關(guān)設(shè)備的順序啟動(dòng)。每條皮帶啟動(dòng)前報(bào)警器發(fā)出20 s報(bào)警，皮帶啟動(dòng)后警鈴?fù)Ｖ?。程序停機(jī)時(shí)按順煤流逐一按預(yù)定的延時(shí)停機(jī)。

2）集控方式：在上位機(jī)上通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤完成操作，分為遠(yuǎn)程聯(lián)鎖手動(dòng)和解鎖手動(dòng)，解鎖手動(dòng)可對(duì)任何一臺(tái)設(shè)備隨意啟停，要求是在不帶負(fù)載方式下運(yùn)行，主要是在設(shè)備調(diào)試時(shí)使用。聯(lián)鎖手動(dòng)是按逆煤流方向?qū)υO(shè)備進(jìn)行一對(duì)一的啟動(dòng)，停機(jī)時(shí)按順煤流方向一對(duì)一停止。當(dāng)手動(dòng)關(guān)停運(yùn)行的任何一臺(tái)設(shè)備時(shí)，這臺(tái)設(shè)備逆煤流方向上的所有設(shè)備聯(lián)鎖停機(jī)。

3）就地手動(dòng)：在設(shè)備檢修調(diào)試或發(fā)生緊急情況下，直接在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)控制箱上進(jìn)行。

上煤部分的輸煤設(shè)備以逆煤流方向啟動(dòng)；按順煤流方向從煤源開(kāi)始每一臺(tái)設(shè)備延時(shí)停車，并且延時(shí)時(shí)間可以設(shè)定使其上余煤正好走空，這樣保證下次再次啟動(dòng)時(shí)設(shè)備處于空載狀態(tài)。在運(yùn)行中，當(dāng)任一臺(tái)設(shè)備發(fā)生重大事故，如皮帶的拉線動(dòng)作和持續(xù)2S的皮帶打滑、重跑偏（≥35°）、落煤管堵煤等，PLC主機(jī)立即向此設(shè)備發(fā)停車信號(hào)，并因此設(shè)備停車而聯(lián)跳故障點(diǎn)以上（逆煤流方向）的設(shè)備，并且故障點(diǎn)設(shè)備急閃燈，顯示故障點(diǎn)發(fā)生的地點(diǎn)、及故障發(fā)生類型。但由于碎煤機(jī)的特殊性，除自身事故采取延時(shí)（破碎聲音消失1～2分鐘后）聯(lián)跳，不允許在給煤過(guò)程中停機(jī)。當(dāng)按緊急停機(jī)時(shí)，運(yùn)行設(shè)備立即全線停機(jī)，僅碎煤機(jī)延時(shí)停機(jī)。順序啟動(dòng)和停車流程如圖2所示。

圖2 順序啟動(dòng)和停車流程圖Fig.2 The flow chart of the order to start and stop

配煤控制分為程控配煤、手動(dòng)配煤和就地配煤。配煤系統(tǒng)具有分爐計(jì)量及分場(chǎng)計(jì)量功能，為電廠的平衡計(jì)算創(chuàng)作條件。程控配煤根據(jù)鍋爐對(duì)不同煤種的加倉(cāng)要求，加倉(cāng)起始，先依次對(duì)出現(xiàn)低煤位的倉(cāng)進(jìn)行優(yōu)先配煤，待所有煤倉(cāng)低煤位信號(hào)消失后，再進(jìn)行順序配煤，可以設(shè)置時(shí)間兼顧高料位信號(hào)順序轉(zhuǎn)到下一個(gè)煤倉(cāng)進(jìn)行順序配煤。如果又出現(xiàn)低煤位倉(cāng)則停止原順序，優(yōu)先為低煤位倉(cāng)配煤并保持原配煤時(shí)間 （可設(shè)置），配至一定數(shù)量后再轉(zhuǎn)入順序配煤程序，當(dāng)達(dá)到高料位設(shè)置后再按照上位機(jī)設(shè)定的順序?yàn)橄乱幻簜}(cāng)配煤。當(dāng)所有煤倉(cāng)出現(xiàn)煤位上限信號(hào)后，上煤部分停機(jī)并將皮帶上的煤配給各原煤倉(cāng)，其中要自動(dòng)跳過(guò)滿倉(cāng)、高煤位倉(cāng)和檢修倉(cāng)。手動(dòng)配煤是在上位機(jī)上手動(dòng)操作控制犁煤器的抬落，就地配煤是就地值班員將犁煤器控制箱控制開(kāi)關(guān)（三位自鎖開(kāi)關(guān)）打到就地位置，實(shí)現(xiàn)就地操作配煤，這時(shí)該犁煤器不受上位機(jī)的控制。程序配煤流程圖如圖3所示。

圖3 程序配煤流程圖Fig.3 The program flow chart of coal blending

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

輸煤程控采用雙主機(jī) （雙機(jī)熱備用）配置的SIMATIC PLC S7系列S7-300完成上煤部分及配煤部分控制等功能，PLC置于輸煤程控綜合室。S7系列PLC是德國(guó)西門子公司傳統(tǒng)意義的PLC產(chǎn)品，其中S7-300是針對(duì)中等性能要求的模塊式中小型PLC，最多可擴(kuò)展32個(gè)模塊，豐富的數(shù)字量和模擬量I/O，并可用STEP7對(duì)所有SIMATIC部件進(jìn)行硬件組態(tài)和通信連接組態(tài)、參數(shù)設(shè)置和編程。高性能、高可靠性的可編程邏輯控制器，可以為不同工業(yè)領(lǐng)域提供個(gè)性化解決方案，廣泛用于各種機(jī)械設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)中。

整個(gè)系統(tǒng)共分為三層，包括生產(chǎn)管理層（輸煤程控室）、現(xiàn)場(chǎng)控制層（PLC控制站）及就地控制層（遠(yuǎn)程I/O）。現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過(guò)PLC系統(tǒng)進(jìn)行采集，并通過(guò)主干通信網(wǎng)絡(luò)—環(huán)形工業(yè)以太網(wǎng)傳送到中心控制室監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控和管理。由于火電廠輸煤系統(tǒng)設(shè)備的特殊性：聯(lián)鎖性強(qiáng)、設(shè)備分散、干擾性強(qiáng)等，系統(tǒng)設(shè)有一個(gè)主站和若干個(gè)遠(yuǎn)程I/O分站，主站為S7-300系列。遠(yuǎn)程I/O口站分別是輸煤綜合樓站、粗碎機(jī)室站、1#轉(zhuǎn)運(yùn)站、2#轉(zhuǎn)運(yùn)站、細(xì)碎機(jī)室站、煤倉(cāng)層遠(yuǎn)程站，由ET200分布式I/O構(gòu)成[3]。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（傳動(dòng)設(shè)備、執(zhí)行器、傳感器）等信號(hào)就進(jìn)接入附近的遠(yuǎn)程I/O分站，通過(guò)設(shè)置冗余的PROFIBUS-DP總線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)于系統(tǒng)主站的通訊，這樣減少了大量的I/O接線。這樣以系統(tǒng)主站為控制中心,將上煤、配煤等過(guò)程構(gòu)成了一個(gè)龐大的、聯(lián)鎖的、冗余熱備的監(jiān)控網(wǎng)，完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備集中管理和分散控制。輸煤程控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Control structure chart

圖2 中，為了保證輸煤系統(tǒng)的穩(wěn)定安性，系統(tǒng)主站S7-300系列PLC，采用互為熱備用的機(jī)架通過(guò)光纖實(shí)時(shí)更新保存數(shù)據(jù)同步[4]。其中CPU319-3PN/DP位操作指令的執(zhí)行時(shí)間為0.01μs。數(shù)字量的輸入和輸出最多均為65536點(diǎn)，模擬量輸入和輸出均為4096個(gè)，西門子輸入輸出可由輸入輸出模塊配置，簡(jiǎn)稱信號(hào)模塊，可分為數(shù)字量輸入模塊（DI），如SM 321；數(shù)字量輸出模塊（DO），如 SM 322；數(shù)字量輸入（DI）/輸出（DO）模塊，如 SM 323；模擬量輸入模塊（AI），如 SM 331，；模擬量輸出模塊（AO），如 SM 332；模擬量輸入/輸出模塊，如SM 334和SM 335。接口模塊采用6ES7-153-1AA01-0XBO。在本系統(tǒng)中I/O點(diǎn)配置表如表1所示。

表1 系統(tǒng)I/O點(diǎn)配置統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The system I/O point configuration TAB

其中數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)負(fù)載率和模擬量I/O負(fù)載率都很低，所以I/O點(diǎn)數(shù)不是考慮的重點(diǎn)。使用S7-300系列只需考慮RAM存儲(chǔ)容量的問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)存使用量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 內(nèi)存使用情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics for used memory

S7-300系列CPU其RAM存儲(chǔ)量為1 400 kB，并可以插入8 MB的微存儲(chǔ)卡（MMC），上表可得系統(tǒng)所需要的內(nèi)存量為784.8 kB，所占總內(nèi)存量比例比較小，這樣可以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定可靠性。根據(jù)系統(tǒng)的控制對(duì)象，本著先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、通用的原則，選擇主站采用S7-300系列，遠(yuǎn)程站采用STMTICET200 I/O系統(tǒng)。S7-300系列屬于模板式結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)需求配置不同的擴(kuò)展模板，其中包括：電源模板（PS）、中央處理器（CPU）、各種信號(hào)模板（SM），通信模板（CP），功能模板（FM）。開(kāi)關(guān)量輸入、輸出模塊均用繼電器隔離，模擬量輸入輸出使用隔離器隔離。

管理層為的上位機(jī)監(jiān)控軟件采用西門子公司的WinCC（Windows Control Center）， 連 接 到 冗 余 的 工 業(yè) 以 太 網(wǎng)（Industrial Ethernet）實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)控。WINCC不僅有監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 （SCADA）功能，還有組態(tài)、腳本（Script）語(yǔ)言和OPC等先進(jìn)技術(shù)，工業(yè)以太網(wǎng)是專為工業(yè)應(yīng)用專業(yè)設(shè)計(jì)的，可用24 V冗余供電，抗干擾能力強(qiáng)，采用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌，方便組成各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通訊介質(zhì)根據(jù)通訊距離可以選擇光纖或屏蔽雙絞線，具有10Mbps/100Mbps自適應(yīng)傳輸速率。該網(wǎng)絡(luò)還具有良好的擴(kuò)充性，還可以通過(guò)交換機(jī)及必要的網(wǎng)關(guān)設(shè)置連接到MIS或SIS網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息的集中監(jiān)控和管理?？刂茖泳W(wǎng)路采用雙網(wǎng)雙纜冗余的PROFIBUSDP現(xiàn)場(chǎng)總線與主機(jī)通信，該網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)最遠(yuǎn)傳輸距離1 000 m，最多可接32個(gè)節(jié)點(diǎn)，是專門為工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)層的分散之間通信設(shè)計(jì)的[5]。主要滿足大容量信息傳送的要求，其最大傳輸速率為12 000 kbit/s，遠(yuǎn)大于上表統(tǒng)計(jì)的傳輸載荷（784.8 kB）。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

輸煤程控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括控制程序組態(tài)設(shè)計(jì)及上位機(jī)畫面組態(tài)設(shè)計(jì)。

4.1 控制程序組態(tài)設(shè)計(jì)

輸煤程控劃分為輸煤和配煤兩部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和電廠實(shí)際的需求，將各個(gè)設(shè)備合理詳盡的劃分，合理的配置到就近遠(yuǎn)端I/O站，并將輸煤線路分為若干個(gè)流程以便于上位機(jī)的操作。為了滿足集控運(yùn)行，需要設(shè)置連鎖位來(lái)控制設(shè)備間的連鎖，這在PLC程序中需要設(shè)置中間變量以滿足各種控制方式的實(shí)現(xiàn)。對(duì)以配煤部分，通過(guò)控制犁煤器的抬落來(lái)控制煤流的走向，這些可以按照原煤倉(cāng)料位計(jì)和高料位開(kāi)關(guān)提供的反饋以及對(duì)煤倉(cāng)、犁煤器等的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)配煤的自動(dòng)化。這樣系統(tǒng)各控制站共同實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的控制和操作管理，包括系統(tǒng)設(shè)備正常啟動(dòng)關(guān)閉，可以進(jìn)行急停、故障停止，設(shè)備間安全互鎖，報(bào)警信息的采集和報(bào)警以及與上位機(jī)數(shù)據(jù)通信、備份。系統(tǒng)控制流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制流程圖Fig.5 Control flow chart

4.2 上位機(jī)畫面組態(tài)設(shè)計(jì)

在輸煤程控室內(nèi)，通過(guò)兩臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行輸煤系統(tǒng)的集中監(jiān)測(cè)和控制，分為操作員站和工程師站[6]。上位機(jī)主畫面主要為：控制方式選擇、流程路徑的選取、緊急情況停車和連鎖等選擇按鈕。不僅能顯示電機(jī)、三通等系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、過(guò)程參數(shù)、報(bào)警等，還可以進(jìn)行各種運(yùn)行方式的選擇和切換，進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)程控操作。該系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)是應(yīng)用西門子公司的WinCC來(lái)完成，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)首先要?jiǎng)?chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)文件，本設(shè)計(jì)采用”Sybase SQL Anywhere”數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)量、模擬量越限等存入到歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后再通過(guò)編寫程序查詢歷史報(bào)警。然后再繪制靜態(tài)工藝畫面，最后通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接建立動(dòng)態(tài)鏈接，使數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)與靜態(tài)工藝畫面動(dòng)態(tài)地連接起來(lái)。通過(guò)先導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)按時(shí)間段或是按照某一設(shè)備或是某一類數(shù)據(jù)來(lái)查詢歷史數(shù)據(jù)庫(kù)?？紤]到煤量的統(tǒng)計(jì)和對(duì)各個(gè)煤倉(cāng)煤位的監(jiān)控，我們對(duì)以上模擬量做歷史趨勢(shì)表，可以實(shí)時(shí)的顯示、查詢以上數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

火力發(fā)電廠的燃煤輸送系統(tǒng)是電廠生產(chǎn)系統(tǒng)重要組成部分，隨之我國(guó)火電廠裝機(jī)容量的提高，對(duì)輸煤程控系統(tǒng)等共用自動(dòng)化控制系統(tǒng)提高了更高的要求。本文在對(duì)其組成進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上。充分利用了西門子公司S7系列PLC可靠性、擴(kuò)展性好、易于使用等方面的優(yōu)勢(shì)。將原來(lái)相對(duì)落后的輸煤系統(tǒng)提高到了一個(gè)嶄新的水平。通過(guò)PLC雙主機(jī)冗余熱備，PROFIBUS-DP的雙網(wǎng)雙纜冗余和工業(yè)以太網(wǎng)的雙冗余實(shí)際以及上位機(jī)的雙機(jī)配置，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的全冗余設(shè)計(jì)。另外該系統(tǒng)具有很好的開(kāi)放性，為將來(lái)擴(kuò)容提供了便利條件。

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