王秀麗，劉長青，李博昌，袁曉明，趙澤生

（1.山西大學(xué)工程學(xué)院，山西太原030013；2.山西電力設(shè)備廠，山西太原030031；3.西安博恒智能技術(shù)有限公司，陜西西安710065；4.中國煤炭科工集團太原研究院，山西太原030006；5.天津電氣傳動設(shè)計研究所有限公司，天津300180）

葉輪給煤機是火力發(fā)電廠輸煤系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，它可沿煤溝縱向軸道行走或停在一處將煤定量、均勻連續(xù)地撥到輸煤皮帶上［1］。葉輪給煤機的工作過程大致為：地下煤斗中的煤經(jīng)葉輪給煤機撥到輸煤皮帶上，經(jīng)皮帶幾級轉(zhuǎn)運進入主廠房原煤斗。葉輪給煤機是采礦、煤炭、冶金、化工、建材等行業(yè)的重要設(shè)備。

1 問題的提出

傳統(tǒng)的葉輪給煤機控制系統(tǒng)存在許多問題，比如葉輪給煤機控制系統(tǒng)是移動設(shè)備，控制線纜鋪設(shè)難度大，車體定位系統(tǒng)不夠精確，控制拖纜容易斷芯、斷線等，這些問題的產(chǎn)生將會為給煤量的控制帶來很大的困難，同時也對配煤質(zhì)量造成影響。

針對上述葉輪給煤機系統(tǒng)存在的問題，特提出以下改進措施。

1）供電方式采用動力滑觸線。傳統(tǒng)的供電方式采用動力電纜，其優(yōu)點是載流量大、絕緣強度高，但采用絕緣導(dǎo)線的動力線路在敷設(shè)范圍和環(huán)境上受到限制。而采用動力滑觸線的優(yōu)點是電流量大、安全可靠、經(jīng)濟方便，在防護等級和絕緣方面有很大改進，可適用于惡劣環(huán)境，裝拆、調(diào)整和維修十分方便。

2）控制方式采用電力線式現(xiàn)場總線。傳統(tǒng)的控制拖纜往往有幾十芯，在長時間移動的過程中容易導(dǎo)致斷芯斷線等現(xiàn)象，使得指令無法正常發(fā)出，信號無法反饋，造成設(shè)備故障甚至設(shè)備損壞。而采用電力線式現(xiàn)場總線可有效避免上述控制方式的不足，減少故障的發(fā)生。

在以上改進措施的前提下，該設(shè)計過程已經(jīng)制作成產(chǎn)品，被運用在多個電廠，并取得了良好的社會經(jīng)濟效益。

2 基于電力線式的現(xiàn)場總線設(shè)計

2.1 現(xiàn)場總線的概念

現(xiàn)場總線（FieldBus）是20世紀80年代末、90年代初國際上發(fā)展形成的，用于過程自動化、制造自動化、樓宇自動化等領(lǐng)域的現(xiàn)場智能設(shè)備互連通訊網(wǎng)絡(luò)。它作為工廠數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，溝通了生產(chǎn)過程現(xiàn)場及控制設(shè)備之間及其與更高控制管理層次之間的聯(lián)系，圖1 為典型的現(xiàn)場總線控制方式示意圖［2-5］。

圖1 現(xiàn)場總線控制示意圖Fig.1 Schematic diagram of fieldbus control system

2.2 基于電力線式的現(xiàn)場總線控制

本系統(tǒng)中針對傳統(tǒng)葉輪給煤機控制系統(tǒng)存在的問題，采用一種電力線式的現(xiàn)場總線控制方式。電力線式現(xiàn)場總線技術(shù)，是指將傳統(tǒng)意義上的現(xiàn)場總線與低壓電力線載波技術(shù)相融合，低壓電力線載波技術(shù)是指將高頻信號耦合到低壓電力線路上，實行低壓電力線載波通信的一種技術(shù)，現(xiàn)場總線主要采用編碼技術(shù)，將二者結(jié)合是一種全新的現(xiàn)場總線技術(shù)和應(yīng)用系統(tǒng)。該技術(shù)特點為：1）每個現(xiàn)場總線設(shè)備自帶CPU，EPROM，RAM，I/O 等電路，可獨立執(zhí)行控制邏輯，可通過總線隨時更新程序；2）現(xiàn)場總線設(shè)備對外信號發(fā)送采用高頻載波調(diào)制方式，對總線電纜選型和電纜接頭無任何特殊要求，可以利用VV電纜、KVV電纜等作為現(xiàn)場總線信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)，而取消了一般意義上的現(xiàn)場總線必須采用雙絞線或同軸電纜的限制；3）總線拓撲結(jié)構(gòu)為自由拓撲，每個網(wǎng)段上掛線的總線設(shè)備數(shù)量可達120 個，按工藝系統(tǒng)重要性可接為環(huán)型、總線型、星型總線。通訊距離理論值可達30 km，實際應(yīng)用中可認為不受限制；4）電力線式現(xiàn)場總線的物理介質(zhì)為普通電纜，無線通信的物理介質(zhì)為無線電波，無線通信可以采用總線協(xié)議；5）總線設(shè)備供電和通訊同時通過同一電纜實現(xiàn)，供電無距離和容量限制。

與其它現(xiàn)場總線技術(shù)如ProfiBus現(xiàn)場總線相比，該技術(shù)的應(yīng)用功能更為廣泛，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1）電力線式現(xiàn)場總線具有極強的系統(tǒng)抗干擾能力，原因是高頻信號經(jīng)過電纜傳輸只會改變信號幅值，不會改變頻率，因此抗干擾能力強。ProfiBus 現(xiàn)場總線，當電平信號經(jīng)過電纜傳輸會產(chǎn)生波形畸變，因此其抗干擾能力差。

2）電力線式現(xiàn)場總線的掛接能力強，理論數(shù)據(jù)一個組可掛接120 個，已實施項目中最大已達到80 個/組。ProfiBus 現(xiàn)場總線理論數(shù)據(jù)一個網(wǎng)段可掛接32個設(shè)備，與距離、供電等相關(guān)，已實施項目最大16個/段。

3）電力線式現(xiàn)場總線采用自由的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，靈活可靠。ProfiBus 現(xiàn)場總線只能采用總線型，一旦總線某位置中斷，后續(xù)系統(tǒng)將不可控，系統(tǒng)可靠性低。

4）電力線式現(xiàn)場總線供電方式靈活，一根電纜同時實現(xiàn)總線設(shè)備供電與總線通訊，通過總線AC 220 V 供電，也可采用其它電壓供電。Profi-Bus現(xiàn)場總線設(shè)備供電電纜與總線通訊電纜嚴格區(qū)分，必須單獨解決供電問題，一般只采用DC 24 V供電。

5）電力線式現(xiàn)場總線的距離長，理論值30 km，具體工程設(shè)計中可認為無距離限制。Profi-Bus現(xiàn)場總線的總線距離與波特率、總線電纜、敷設(shè)路徑等相關(guān)，在9 600 bit/s時理論1 000 m，具體工程設(shè)計中限制很多，反復(fù)核算。

6）電力線式現(xiàn)場總線的設(shè)計過程很簡單，主要設(shè)計過程為：按工藝系統(tǒng)劃分組數(shù)量，確定主控數(shù)量，一個被控對象設(shè)置一個總線型智能設(shè)備，按此統(tǒng)計設(shè)備數(shù)量，按物理布置位置，繪制電纜聯(lián)系圖。若采用ProfiBus現(xiàn)場總線設(shè)計將會很復(fù)雜，其設(shè)計過程為：先按區(qū)域確定I/O點數(shù)總需求，計算本區(qū)所需總線模塊數(shù)量，再按工藝系統(tǒng)初步進行網(wǎng)段分配，初步核算每段內(nèi)的總線距離、電源容量是否滿足要求，根據(jù)初步核算再次調(diào)整網(wǎng)段劃分，再次進行電源設(shè)計，反復(fù)核實，安裝調(diào)試階段若發(fā)現(xiàn)不合適之處再次修改。

將電力線式現(xiàn)場總線應(yīng)用于輸煤程控系統(tǒng)中，具體的設(shè)計思路為：首先將整個輸煤程控系統(tǒng)以皮帶或轉(zhuǎn)運站為單位進行劃分，設(shè)置多個控制區(qū)域，對每個區(qū)域內(nèi)的被控對象，以被控對象為單位，設(shè)置就地智能電控箱，每個就地電控箱內(nèi)，同時包含該被控對象對應(yīng)的動力配電回路、就地操作回路、以及現(xiàn)場總線程控設(shè)備。

對皮帶保護裝置，在每個保護裝置內(nèi)部封裝現(xiàn)場總線單元，變?yōu)榭偩€型智能程控設(shè)備，掛接在皮帶沿線的現(xiàn)場總線上。

對皮帶沿線的所有智能電控箱或智能設(shè)備，以皮帶為單位，劃分為多個組，每組內(nèi)的設(shè)備之間，先用1根ZRC-KVVP-450/750 V 4×1.5電纜串行連接，最后與主控裝置相連?？紤]到總線電纜斷線的可能，總線電纜采用環(huán)網(wǎng)連接。

1 臺主控裝置可以接入2 組總線環(huán)網(wǎng)，主控裝置為IP67防護等級鑄鋁質(zhì)的掛墻箱，直接布置于轉(zhuǎn)運站內(nèi)的墻上，安裝簡單。主控裝置通過光纜，與布置在程控室的DCS DPU通訊連接。

在輸煤程控室，設(shè)置上位監(jiān)控計算機，DCS DPU等設(shè)備，程控系統(tǒng)的控制邏輯盡量由布置在就地的智能設(shè)備處理，皮帶聯(lián)鎖關(guān)系由DCS DPU實現(xiàn)。

3 葉輪給煤機控制系統(tǒng)組成

基于電力線式的現(xiàn)場總線葉輪給煤機控制系統(tǒng)組成示意圖如圖2 所示。由圖2 可見，系統(tǒng)主要由輸煤程控系統(tǒng)遠程站、主控裝置、行走定位系統(tǒng)、分控裝置、PLC控制器、變頻器、葉輪給煤機等組成。主要工作原理為：輸煤系統(tǒng)遠程站發(fā)出指令并傳送給主控裝置，主控的通訊接口適配遠程站的要求，通信方式由遠程站決定。主控裝置連接到控制安全滑觸線（或采用無線通訊方式），即電力線總線上。電力線總線上還連接的設(shè)備有分控裝置，分控裝置通過RS232 或RS485接口與PLC 通信，PLC 執(zhí)行程序控制驅(qū)動變頻器進而調(diào)節(jié)葉輪給煤機的轉(zhuǎn)速。行走定位裝置也連接至電力線總線上，將實時的位置反饋給遠程站。掛在電力線上的各設(shè)備之間的通信方式采用電力線總線協(xié)議。PLC與輸煤程控系統(tǒng)遠程站的通信由各廠商的通信協(xié)議來實現(xiàn)（如采用MODBUS協(xié)議等）。

圖2 葉輪給煤機控制系統(tǒng)組成Fig.2 Impeller coal feeder control system

3.1 現(xiàn)場總線主控裝置

圖2中的現(xiàn)場總線主控裝置（BH-DLZK），主要實現(xiàn)的是與運煤自動化系統(tǒng)的接口、與現(xiàn)場總線分控裝置的通訊、對位于同一軌道上2 臺葉輪給煤機之間的控制協(xié)調(diào)等功能。

主控裝置通常直接布置于運煤自動化系統(tǒng)遠程站程控柜內(nèi)，與運煤自動化系統(tǒng)通過通訊口實現(xiàn)無縫連接。

3.1.1 主控裝置的作用

現(xiàn)場總線控制裝置采用BH-DLZK 系列。主控裝置的作用在于提供BH系列電力線式現(xiàn)場總線與PLC直接連接，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)兩者之間的直接通訊。

3.1.2 主控裝置與PLC模塊之間的相互關(guān)系

下面以AB PLC 為例介紹主控裝置與PLC 模塊之間的相互關(guān)系：

BH-DLZK-PLC/AB（產(chǎn)品命名）型主控裝置可直接掛接在AB公司的ControlNet總線網(wǎng)上，實現(xiàn)與AB PLC CPU 的直接通訊，也就是說在同一個CPU 所屬的ControlNet 網(wǎng)絡(luò)上，可同時允許多個BH-DLZK-PLC/AB 型主控裝置與多個常規(guī)ControlNet I/O遠程站共存。

站在PLC側(cè)來看，BH-DLZK-PLC/AB型主控裝置的各項技術(shù)指標及連接關(guān)系均完全遵從ControlNet 雙冗余同軸電纜總線接口協(xié)議，其功能和地位完全等同于AB 公司的1756-CNBR 通訊模塊。兩者的區(qū)別在于：對1756-CNBR型通訊模塊，需要再配置單獨的電源模塊、PLC機架后方與ControlNet 總線相連，而BH-DLZK-PLC/AB 型主控裝置只需外部提供AC 220 V電源，無需再添加任何外部設(shè)備便可直接掛接在ControlNet總線上。

由于該主控裝置等同于1756-CNBR，因此在此模塊正常工作之前也需要在Rslogix5000 內(nèi)進行硬件配置，在RsnetWork 軟件內(nèi)進行網(wǎng)絡(luò)刷新等工作。

3.1.3 主要技術(shù)指標

每臺主控裝置可掛接的分控裝置數(shù)量為最大2組，每組最大120個分控裝置。

與運煤自動化系統(tǒng)接口方式：硬件規(guī)范，RS232 或RS485 串口通訊；通訊協(xié)議，用戶自定義，MODBUS，TCP/IP，RK512等，具體由用戶在定貨前協(xié)商確定；通訊速率19 200 bit/s，38 400 bit/s；工作電源，交流220 V，0.2 A。

3.2 現(xiàn)場總線分控裝置

現(xiàn)場總線分控裝置采用BH-DLFK系列，接收現(xiàn)場總線主控裝置發(fā)來的遠方控制指令，下傳給葉輪給煤機本體所配的微型PLC或給煤機執(zhí)行終端，同時將微型PLC或執(zhí)行終端所采集到的給煤機狀態(tài)、轉(zhuǎn)速、電流、行走位置等數(shù)據(jù)打包，上傳給主控裝置。此裝置一般每臺葉輪給煤機設(shè)置一個，安裝于葉輪給煤機本體移動控制箱內(nèi)［6-7］。

現(xiàn)場總線分控裝置除可以連接至安全滑觸線工作外，還可實現(xiàn)無線通訊。此裝置根據(jù)其在系統(tǒng)中所起的作用和安裝位置不同，又可分為調(diào)度端、執(zhí)行端2 類。調(diào)度端安裝于卸煤溝內(nèi)的側(cè)墻上，與主控裝置之間通過現(xiàn)場總線實現(xiàn)有線通訊；執(zhí)行端掛裝于葉輪給煤機本體控制柜旁，與葉輪給煤機本體所配的微型PLC 或給煤機執(zhí)行終端有線通訊；調(diào)度端與執(zhí)行端之間通過無線電方式通訊。區(qū)別于其它工業(yè)無線電通訊的主要特征是：1）該無線通訊系統(tǒng)的多個調(diào)度端之間通訊電力線現(xiàn)場總線系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)；2）該系統(tǒng)的無線發(fā)射功率很小，僅滿足卸煤溝空間內(nèi)通訊要求，不對外界系統(tǒng)造成無線電干擾［7］。

主要技術(shù)指標：與葉輪給煤機本體控制柜接執(zhí)行端，中繼段口方式為串口通訊。適用場合為給煤機本體自帶PLC的場合。硬件規(guī)范為RS232或RS485 串口通訊。通訊協(xié)議為標準方式：ASCII，TCP/IP（以太網(wǎng)），DF1（AB PLC），自由口（西門子PLC），三菱專有等通訊協(xié)議。通訊波特率19 200 bit/s，38 400 bit/s等可選。工作電源：交流220 V，0.2A。

3.3 給煤機行走IC卡定位系統(tǒng)

對行走范圍比較長的給煤機，在程控室顯示其行走的確切位置，具有重要意義。以往給煤機行走位置判斷基本上采用旋轉(zhuǎn)編碼、接近開關(guān)計數(shù)等辦法，實際應(yīng)用中存在許多難以克服的問題。本系統(tǒng)采用IC卡定位方法，徹底解決了此難題。本系統(tǒng)由布置于皮帶沿線的IC卡（數(shù)量隨皮帶的長度而定）、讀卡器（每臺給煤機設(shè)1 臺）、定位器（每臺給煤機設(shè)1臺）等幾部分組成。通過此設(shè)備，程控室可感知給煤機所處的絕對位置，不會因各種外部系統(tǒng)的變化而變化。

主要技術(shù)指標：與主控裝置連接方式是電力線式現(xiàn)場總線。適用場合為給煤機運行軌道相對比較長的場合；工作電源，交流220 V，0.1 A；IC卡接近距離：0～50 mm；配套IC卡數(shù)量，隨用戶要求，一般1.5～2 m設(shè)置一個。

設(shè)備安裝：IC 卡，軌道沿線現(xiàn)場支架焊接安裝；讀卡器，控制柜背部或給煤機本體適當位置現(xiàn)場支架焊接安裝；定位裝置，控制柜內(nèi)螺絲或?qū)к壈惭b。

3.4 微型PLC或給煤機執(zhí)行終端

給煤機本體控制柜內(nèi)的就地控制設(shè)備，一般給煤機設(shè)備廠都會考慮在其內(nèi)配置一個微型PLC，用于給煤機就地邏輯控制和控制信號接入。

主要技術(shù)指標：與葉輪給煤機本體控制柜接口方式為硬接線；適用場合為給煤機本體不帶PLC的場合；與分控裝置接口為RS232串口通訊。

3.5 安全控制滑觸線

安全控制滑觸線，在本系統(tǒng)中充當現(xiàn)場總線和滑動連接的作用。

4 系統(tǒng)配置方案

一般來說，為保證整個系統(tǒng)的性能指標，推薦的系統(tǒng)配置及使用方式為：對1 個卸煤溝內(nèi)僅有1 臺葉輪給煤機的場合，配置1 臺主控裝置、1臺分控裝置、1 套定位系統(tǒng)；對1 個卸煤溝內(nèi)有2臺葉輪給煤機的場合，共配置1臺主控裝置、2臺分控裝置、2 套定位裝置；對1 個卸煤溝內(nèi)有4 臺葉輪給煤機的場合，常設(shè)2條皮帶，共配置2臺主控裝置、4臺分控裝置、4套定位裝置；對1條皮帶上設(shè)3 臺葉輪給煤機的場合，每條皮帶配置1 臺主控裝置，每臺給煤機配置1臺分控裝置，1套定位裝置。

對不同的卸煤溝，應(yīng)分別獨立考慮設(shè)置主控裝置，不考慮幾個卸煤溝共用的情況。

5 系統(tǒng)應(yīng)用及結(jié)論

設(shè)計出的系統(tǒng)接線原理圖如圖3 所示，一次部分主要由三相電源、左右行走電機、推桿電機、除塵電機、變頻器、葉輪給煤機等組成；二次側(cè)電力線現(xiàn)場總線部分主要接的設(shè)備有遠程站臺、主控裝置、行走定位、定位分控裝置PLC等組成。

圖3 系統(tǒng)接線原理圖Fig.3 System wiring diagram

該控制系統(tǒng)已制作成產(chǎn)品，并申請了實用新型專利（專利號：ZL 2008 Z 0221664.0；ZL 2008 Z 0029048.5）。本文之前提到的型號均為產(chǎn)品型號，在全國數(shù)家電廠投入使用后取得了良好的效果，典型案例有：1）甘肅崇信電廠，葉輪給煤機的PLC 采用西門子S7-200 系列，上位機的PLC 是GE-RX 7i 系列；2）山西山陰電廠，葉輪給煤機的PLC是施耐德TWIDO系列，上位機的PLC是施耐德Modicon Quantum140 系列；3）湖北黃石電廠，葉輪給煤機的PLC 是AB 公司MicroLogix1500 系列，上位機的PLC 是AB 公司Logix5000 系列；4）同煤國電王坪發(fā)電有限公司，葉輪給煤機的PLC采用施耐德TWIDO TWDLCAA24DRF，變頻器為ABB ACS550-01-045A-4，上位機的PLC是AB 公司Logix5000系列。

本系統(tǒng)已從2004年最初應(yīng)用于葉輪給煤機控制發(fā)展到目前整個輸煤程控系統(tǒng)的控制，并正在向火力發(fā)電廠其它輔機控制系統(tǒng)和主廠房控制系統(tǒng)邁進。從投運的機組規(guī)模上，小到2×50 MW 機組，大到2×1 000 MW 機組，涵蓋了火力發(fā)電廠所有機組容量。該系統(tǒng)在投入使用中得到了用戶的一致好評，但是也存在一定的不足，比如主控、分控外觀可以進行改進等，這也有待于在今后的設(shè)計中予以考慮。

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