路澤永，王春艷

(承德石油高等?？茖W(xué)校電氣與電子工程系，河北 承德 067000)

目前，鋼鐵、水泥、冶金、玻璃等行業(yè)所消耗的非可再生能源總量中，約30%以上能源浪費是以400℃以下廢氣余熱的方式被排入大氣，相當于每年超億t標準煤被浪費，同時增加排放數(shù)億t的二氧化碳。針對上述巨額資源的流失浪費和環(huán)境污染現(xiàn)狀，利用余熱余壓發(fā)電成為一種十分有效的應(yīng)對手段［1］。在余熱余壓綜合節(jié)能技術(shù)改造項目中，輸煤系統(tǒng)所處的環(huán)境是最惡劣的，因此構(gòu)建可靠性高、操作和維護方便的輸煤控制系統(tǒng)為余熱余壓發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文基于PLC在惡劣環(huán)境具有良好的可靠性、穩(wěn)定性和易維護等優(yōu)點應(yīng)用于該項目的輸煤控制系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)概述

余熱余壓綜合節(jié)能技術(shù)改造項目主要是從生產(chǎn)工藝上改進能源利用效率，通過改進工藝結(jié)構(gòu)和增加節(jié)能裝置以最大幅度的利用生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的勢能和余熱［2］。余熱余壓技術(shù)利用不僅節(jié)約能源，還有利于環(huán)境保護，是企業(yè)實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟的新嘗試，其應(yīng)用前景廣闊。

目前，越來越多的發(fā)電廠輸煤控制系統(tǒng)采用PLC控制器和上位機構(gòu)成。利用PLC來實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和指令控制，通過操作人員控制上位機完成對PLC的控制，PLC的反饋信息通過上位機進行顯示，通過無線網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)PLC與上位機之間的數(shù)據(jù)通信［3］。為了保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的可靠運行，本文采用PLC與上位機的方式構(gòu)建輸煤的控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的配置

工程電廠的燃煤為汽車來煤方式，輸煤控制系統(tǒng)主要有汽車卸煤系統(tǒng)、輸煤系統(tǒng)、配煤系統(tǒng)等組成。控制系統(tǒng)的主要功能包括從汽車卸煤溝經(jīng)皮帶到電廠煤倉間配煤的全過程的控制、監(jiān)控、報警、保護、計量、顯示和管理等。

2.1 供電系統(tǒng)

如圖1所示的電源結(jié)構(gòu)原理圖，工程電廠提供了雙路電源(一用一備)，任何一路電源失電時能自動切換至另一路電源。

雙電源切換直接供電控制系統(tǒng)中的傳感器、工業(yè)電視監(jiān)視器、矩陣切換器和就近攝像頭等設(shè)備，為防止因外部供電電纜短路而影響PLC的正常工作，各回路電源分別設(shè)置了控制開關(guān)。對于核心控制部件(如PLC控制柜和上位機)的供電電源不僅需要經(jīng)過UPS，而且能夠在電源故障時保證系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的存儲和備份。UPS容量和后備電池供電時間的選擇需要由供電負載確定，并預(yù)留一定的余量。為了查找故障方便，每個分路電源設(shè)置專用的接線端子回路、電源工作指示燈及利用斷路器作為保護元件。當電源故障時，PLC發(fā)出聲光報警信號，指示“電源故障”。

2.2 PLC 控制器

考慮到工程電廠的現(xiàn)場模擬量和數(shù)字量的數(shù)量較大，且整個控制系統(tǒng)要求采用雙主機熱備配置。經(jīng)過選型比較，最終選擇施耐德的140CPU67160CPU模塊。

該模塊支持冗余，能夠為系統(tǒng)提供高度的可靠性。140CPU67160具有專用于雙機熱備情況的以太網(wǎng)鏈路，它時刻監(jiān)視著CPU工作情況，一旦處于工作狀態(tài)的PLC出現(xiàn)問題時，其工作立即無擾動的自動由備用PLC接替，切換時間短暫可以忽略，且對整個控制系統(tǒng)無任何附加的影響。采用遠程I/O冗余雙纜連接配置，可以保證網(wǎng)絡(luò)任一條出現(xiàn)故障都不會影響整個控制系統(tǒng)的正常使用。

2.3 工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)

工業(yè)電視系統(tǒng)是全廠工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，其主要功能是直觀的反映現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)，并采用光纖接入到全廠的閉路監(jiān)控系統(tǒng)。工業(yè)電視矩陣控制的主機選用雙CPU微機矩陣切換器，具有電視監(jiān)控的全部功能(如分組控制、防盜和巡視)。另外，矩陣切換器還具備故障跟蹤功能，采用通訊或硬接線方式通過與程控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)啟停設(shè)備、故障設(shè)備畫面的自動跟蹤切換，也可以由值班人員在工業(yè)電視控制面板上操作或在程控系統(tǒng)上位機選擇、切換實現(xiàn)設(shè)備巡檢。本系統(tǒng)預(yù)留與輸煤PLC系統(tǒng)的接口，當輸煤設(shè)備發(fā)生故障時自動調(diào)出相應(yīng)的電視畫面，接口規(guī)范為無源常開接點。采用工業(yè)級壁掛液晶顯示器顯示監(jiān)控畫面，即保證電視監(jiān)控的及時可靠又兼顧美觀。

3 系統(tǒng)的設(shè)計

基于PLC的輸煤控制系統(tǒng)(如圖2所示的控制設(shè)備示意圖)采用雙主機熱備配置的工業(yè)分散冗余控制器實現(xiàn)，配置上位機監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)控和操作，不另設(shè)操作控制臺和顯示模擬屏，只在上位機操作臺上設(shè)緊急停機按鈕。輸煤工業(yè)電視系統(tǒng)監(jiān)視點設(shè)置在汽車煤溝、各轉(zhuǎn)運站、碎煤機室、煤倉間、煤場等地方。

3.1 PLC控制系統(tǒng)

在PLC控制系統(tǒng)架構(gòu)上，除了CPU采用具有熱備功能的施耐德PLC之外，還需要考慮PLC和I/O的處理關(guān)系。本系統(tǒng)的I/O多且又分散，從可靠性及經(jīng)濟性考慮，控制系統(tǒng)架構(gòu)如下:工程電廠的輸煤集控室設(shè)置輸煤PLC上位機及輸煤PLC主站，位于主廠房煤倉間設(shè)I/O遠程站1個。程控主機與上位機、遠程I/O站之間采用雙通道互為備用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接，通訊介質(zhì)采用鎧裝多模光纜。PLC控制系統(tǒng)及上位機監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

輸煤監(jiān)控臺與調(diào)度臺兩者合為一體，其上放置兩臺上位機及工業(yè)電視控制矩陣切換的鍵盤、主機等。同時，控制臺上另設(shè)緊急停機事故按鈕和復(fù)位按鈕，以備緊急情況下的緊急停機及故障復(fù)位。系統(tǒng)留有與火災(zāi)報警的信號接口，當發(fā)生火災(zāi)時及時將運煤系統(tǒng)停機。

輸煤控制系統(tǒng)需要依靠軟件對輸煤系統(tǒng)的設(shè)備啟停等實現(xiàn)動態(tài)控制。PLC控制器是控制系統(tǒng)的核心，完成信號處理、邏輯判斷、故障診斷和參數(shù)記憶功能，如圖4所示的程序設(shè)計流程圖。

3.2 網(wǎng)絡(luò)功能及配置

在圖3中，控制系統(tǒng)留有滿足輔控網(wǎng)要求的冗余通訊接口的軟、硬件，1 000 M冗余單模光口滿足和全廠輔控網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全交換。通過全廠輔控網(wǎng)上位機實現(xiàn)對輸煤系統(tǒng)進行遠方監(jiān)視、參數(shù)和報警顯示、報表打印等功能。

PLC系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊接口卡冗余配置，當一條網(wǎng)絡(luò)線路通訊故障時，可自動切換至另一條線路，因此影響上層網(wǎng)絡(luò)對本系統(tǒng)的監(jiān)控。

PLC控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)(MIS)接口的軟件具有數(shù)據(jù)緩存功能，可以防止網(wǎng)絡(luò)故障時本車間運行數(shù)據(jù)的丟失。同時PLC帶有后備電池可以防止網(wǎng)絡(luò)故障時本車間運行數(shù)據(jù)的丟失。

3.3 上位機監(jiān)控系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)，包括上位監(jiān)控機兩臺，其中一臺作為正常控制操作使用，另一臺作為編程器、日常報表事務(wù)管理使用，同時兩機互為備用。

監(jiān)控軟件的主要功能有圖形監(jiān)控、動態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)采集、趨勢圖、歷史數(shù)據(jù)顯示貯存、事故報警、制表打印、及PLC參數(shù)設(shè)置、控制邏輯修改、系統(tǒng)調(diào)試等［6］。

監(jiān)視報警的主要功能包括運煤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理、各種運行方式下的設(shè)備運行工況，并能通過LCD和功能鍵盤為運行、檢修人員提供各種信息和報警。

生產(chǎn)管理的主要功能是自動采集運行工況及有關(guān)數(shù)據(jù);實現(xiàn)實時流量編制、修改及狀態(tài)顯示;按規(guī)定時間或召喚打印各種報表;在LCD上查詢并調(diào)用有關(guān)數(shù)據(jù);對正常生產(chǎn)運行定期打印記錄，其中包括交接班記錄、日報、月報、年報打印;運行人員的操作記錄打印，便于事故分析等。

4 控制系統(tǒng)主要功能

4.1 上煤操作控制

上煤操作控制分為程控自動、程控手動及就地手動三種方式。

程控自動方式:所有操作均通過主控室的上位機操作(鍵盤+鼠標)實現(xiàn)，各設(shè)備之間按工藝要求在PLC控制下自動聯(lián)鎖運行。

程控手動方式:程控手動方式有程控聯(lián)鎖手動和程控解鎖手動兩種方式。程控聯(lián)鎖手動是操作員手動啟停設(shè)備，設(shè)備間存在聯(lián)鎖關(guān)系。程控解鎖手動的設(shè)備間無聯(lián)鎖關(guān)系，操作員可在上位機上隨意啟停任何一臺設(shè)備。輸煤控制室的控制臺上兩種方式都在上位機操作完成。

就地手動方式:主要作為檢修調(diào)試操作，此時輸煤控制室無法對設(shè)備進行控制，僅能在就地控制箱進行操作，設(shè)備間無聯(lián)鎖關(guān)系。

通過“遠方/就地”切換開關(guān)實現(xiàn)程控自動和就地手動的切換。在“遠方”位置時，輸煤控制室對設(shè)備進行控制;在“就地”位置時，僅在就地啟停設(shè)備。切換開關(guān)的狀態(tài)信息用空接點送至輸煤PLC系統(tǒng)中，以便操作員隨時了解現(xiàn)場情況。

4.2 配煤控制功能

配煤控制功能分為程控自動配煤、程控手動配煤和就地手動配煤，其中前兩者在PLC的控制下進行，后者無需PLC的參與。

4.3 聯(lián)鎖及報警

為防止在啟動或停止時煤在系統(tǒng)中堆積起來，甚至損壞設(shè)備，PLC控制系統(tǒng)需要聯(lián)鎖。此外，在軟硬件設(shè)計上還有以下功能:第一，設(shè)備如果發(fā)生故障，PLC通過語音報警裝置通知操作員。第二，手動方式中，PLC控制系統(tǒng)設(shè)置了聯(lián)鎖提示功能，有效的防止操作員誤操作設(shè)備引起的事故。第三，除試驗外，系統(tǒng)的聯(lián)鎖能阻止任何設(shè)備超出順序的啟動。第四，運煤控制室的控制臺上設(shè)有該系統(tǒng)“緊急停”按鈕，突發(fā)事件下立即停止輸煤系統(tǒng)所有設(shè)備的運轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語

本文基于余熱余壓綜合節(jié)能技術(shù)改造項目設(shè)計輸煤控制及監(jiān)控系統(tǒng)，特別對重要技術(shù)環(huán)節(jié)及技術(shù)思路進行了說明及闡述。本系統(tǒng)已經(jīng)運行一年多，運行效果良好，本系統(tǒng)案例對于其他類似工程也具有較高的實踐參考價值。

［1］王宗舞，龐宏建.河南省燃煤發(fā)電及其大氣環(huán)境影響分析［J］.煤炭技術(shù)，2011(04):43－45.

［2］曲良軍.余熱余壓發(fā)電淺析［J］.資源節(jié)約與環(huán)保，2012(03):39－40.

［3］張立娟，閆巧枝.基于PLC的平煤四礦鋼纜輸送帶控制系統(tǒng)選型設(shè)計.煤礦機械.2012，33(8):30－32.

［4］崔曜.可編程控制器在輸煤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29(12):113－117.

［5］史桂蘋，丁鵬.PLC在輸煤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，2012(12):35－37.

［6］路澤永，鄒克武.汽車總裝生產(chǎn)線上位監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)［J］.承德石油高等專科學(xué)報，2013(05):25－26.