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(fèi)是以400℃以下廢氣余熱的方式被排入大氣，相當(dāng)于每年超億t標(biāo)準(zhǔn)煤被浪費(fèi)，同時(shí)增加排放數(shù)億t的二氧化碳。針對(duì)上述巨額資源的流失浪費(fèi)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(duì)手段［1］。在余熱余壓綜合節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)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(hù)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(hù)等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于該項(xiàng)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(xiàng)目主要是從生產(chǎn)工藝上改進(jìn)能源利用效率，通過(guò)改進(jìn)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(guò)程中產(chǎn)生的勢(shì)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(hù)，是企業(yè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的新嘗試，其應(yīng)用前景廣闊。

目前，越來(lái)越多的發(fā)電廠輸煤控制系統(tǒng)采用PLC控制器和上位機(jī)構(gòu)成。利用PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和指令控制，通過(guò)操作人員控制上位機(jī)完成對(duì)PLC的控制，PLC的反饋信息通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行顯示，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)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(yùn)行，本文采用PLC與上位機(jī)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(lái)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(cāng)間配煤的全過(guò)程的控制、監(jiān)控、報(bào)警、保護(hù)、計(jì)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(shí)能自動(dòng)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(duì)于核心控制部件(如PLC控制柜和上位機(jī))的供電電源不僅需要經(jīng)過(guò)UPS，而且能夠在電源故障時(shí)保證系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份。UPS容量和后備電池供電時(shí)間的選擇需要由供電負(fù)載確定，并預(yù)留一定的余量。為了查找故障方便，每個(gè)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(hù)元件。當(dāng)電源故障時(shí)，PLC發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，指示“電源故障”。

2.2 PLC 控制器

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

該模塊支持冗余，能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供高度的可靠性。140CPU67160具有專用于雙機(jī)熱備情況的以太網(wǎng)鏈路，它時(shí)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(wèn)題時(shí)，其工作立即無(wú)擾動(dòng)的自動(dòng)由備用PLC接替，切換時(shí)間短暫可以忽略，且對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)無(wú)任何附加的影響。采用遠(yuǎn)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(huì)影響整個(gè)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(chǎng)設(shè)備運(yùn)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(jī)選用雙CPU微機(jī)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(guò)與程控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)啟停設(shè)備、故障設(shè)備畫面的自動(dòng)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(jī)選擇、切換實(shí)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(dāng)輸煤設(shè)備發(fā)生故障時(shí)自動(dòng)調(diào)出相應(yīng)的電視畫面，接口規(guī)范為無(wú)源常開接點(diǎn)。采用工業(yè)級(jí)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(shí)可靠又兼顧美觀。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jī)熱備配置的工業(yè)分散冗余控制器實(shí)現(xiàn)，配置上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和操作，不另設(shè)操作控制臺(tái)和顯示模擬屏，只在上位機(jī)操作臺(tái)上設(shè)緊急停機(jī)按鈕。輸煤工業(yè)電視系統(tǒng)監(jiān)視點(diǎn)設(shè)置在汽車煤溝、各轉(zhuǎn)運(yùn)站、碎煤機(jī)室、煤倉(cāng)間、煤場(chǎng)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(jì)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(jī)及輸煤PLC主站，位于主廠房煤倉(cāng)間設(shè)I/O遠(yuǎn)程站1個(gè)。程控主機(jī)與上位機(jī)、遠(yuǎn)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

輸煤監(jiān)控臺(tái)與調(diào)度臺(tái)兩者合為一體，其上放置兩臺(tái)上位機(jī)及工業(yè)電視控制矩陣切換的鍵盤、主機(jī)等。同時(shí)，控制臺(tái)上另設(shè)緊急停機(jī)事故按鈕和復(fù)位按鈕，以備緊急情況下的緊急停機(jī)及故障復(fù)位。系統(tǒng)留有與火災(zāi)報(bào)警的信號(hào)接口，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)及時(shí)將運(yùn)煤系統(tǒng)停機(jī)。

輸煤控制系統(tǒng)需要依靠軟件對(duì)輸煤系統(tǒng)的設(shè)備啟停等實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)控制。PLC控制器是控制系統(tǒng)的核心，完成信號(hào)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(jì)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(guò)全廠輔控網(wǎng)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸煤系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)視、參數(shù)和報(bào)警顯示、報(bào)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(dāng)一條網(wǎng)絡(luò)線路通訊故障時(shí)，可自動(dòng)切換至另一條線路，因此影響上層網(wǎng)絡(luò)對(duì)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(shí)本車間運(yùn)行數(shù)據(jù)的丟失。同時(shí)PLC帶有后備電池可以防止網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)本車間運(yùn)行數(shù)據(jù)的丟失。

3.3 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，包括上位監(jiān)控機(jī)兩臺(tái)，其中一臺(tái)作為正?？刂撇僮魇褂茫硪慌_(tái)作為編程器、日常報(bào)表事務(wù)管理使用，同時(shí)兩機(jī)互為備用。

監(jiān)控軟件的主要功能有圖形監(jiān)控、動(dòng)態(tài)顯示、歷史數(shù)據(jù)采集、趨勢(shì)圖、歷史數(shù)據(jù)顯示貯存、事故報(bào)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(bào)警的主要功能包括運(yùn)煤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和處理、各種運(yùn)行方式下的設(shè)備運(yùn)行工況，并能通過(guò)LCD和功能鍵盤為運(yùn)行、檢修人員提供各種信息和報(bào)警。

生產(chǎn)管理的主要功能是自動(dòng)采集運(yùn)行工況及有關(guān)數(shù)據(jù);實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流量編制、修改及狀態(tài)顯示;按規(guī)定時(shí)間或召喚打印各種報(bào)表;在LCD上查詢并調(diào)用有關(guān)數(shù)據(jù);對(duì)正常生產(chǎn)運(yùn)行定期打印記錄，其中包括交接班記錄、日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)打印;運(yùn)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(dòng)、程控手動(dòng)及就地手動(dòng)三種方式。

程控自動(dòng)方式:所有操作均通過(guò)主控室的上位機(jī)操作(鍵盤+鼠標(biāo))實(shí)現(xiàn)，各設(shè)備之間按工藝要求在PLC控制下自動(dòng)聯(lián)鎖運(yùn)行。

程控手動(dòng)方式:程控手動(dòng)方式有程控聯(lián)鎖手動(dòng)和程控解鎖手動(dòng)兩種方式。程控聯(lián)鎖手動(dòng)是操作員手動(dòng)啟停設(shè)備，設(shè)備間存在聯(lián)鎖關(guān)系。程控解鎖手動(dòng)的設(shè)備間無(wú)聯(lián)鎖關(guān)系，操作員可在上位機(jī)上隨意啟停任何一臺(tái)設(shè)備。輸煤控制室的控制臺(tái)上兩種方式都在上位機(jī)操作完成。

就地手動(dòng)方式:主要作為檢修調(diào)試操作，此時(shí)輸煤控制室無(wú)法對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制，僅能在就地控制箱進(jìn)行操作，設(shè)備間無(wú)聯(lián)鎖關(guān)系。

通過(guò)“遠(yuǎn)方/就地”切換開關(guān)實(shí)現(xiàn)程控自動(dòng)和就地手動(dòng)的切換。在“遠(yuǎn)方”位置時(shí)，輸煤控制室對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制;在“就地”位置時(shí)，僅在就地啟停設(shè)備。切換開關(guān)的狀態(tài)信息用空接點(diǎn)送至輸煤PLC系統(tǒng)中，以便操作員隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況。

4.2 配煤控制功能

配煤控制功能分為程控自動(dòng)配煤、程控手動(dòng)配煤和就地手動(dòng)配煤，其中前兩者在PLC的控制下進(jìn)行，后者無(wú)需PLC的參與。

4.3 聯(lián)鎖及報(bào)警

為防止在啟動(dòng)或停止時(shí)煤在系統(tǒng)中堆積起來(lái)，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(jì)上還有以下功能:第一，設(shè)備如果發(fā)生故障，PLC通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警裝置通知操作員。第二，手動(dòng)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(yàn)外，系統(tǒng)的聯(lián)鎖能阻止任何設(shè)備超出順序的啟動(dòng)。第四，運(yùn)煤控制室的控制臺(tái)上設(shè)有該系統(tǒng)“緊急?！卑粹o，突發(fā)事件下立即停止輸煤系統(tǒng)所有設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于余熱余壓綜合節(jié)能技術(shù)改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)輸煤控制及監(jiān)控系統(tǒng)，特別對(duì)重要技術(shù)環(huán)節(jié)及技術(shù)思路進(jìn)行了說(shuō)明及闡述。本系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行一年多，運(yùn)行效果良好，本系統(tǒng)案例對(duì)于其他類似工程也具有較高的實(shí)踐參考價(jià)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(jì).煤礦機(jī)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(dòng)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(jì)開發(fā)［J］.承德石油高等?？茖W(xué)報(bào)，2013(05):25－26.