鐘漍標(biāo)，何俊明，黃 誠

（1.廣東宏大欣電子科技有限公司，廣州 510003；2.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510630）

隨著能源需求的不斷增長，煤炭等傳統(tǒng)能源的開采和利用已成為全球能源供應(yīng)的重要來源，而煤炭開采和利用過程中產(chǎn)生的瓦斯等有害氣體不僅對礦工的生命安全造成威脅，還對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染，因此瓦斯的利用已成為煤炭行業(yè)的重要課題。苞谷山電站位于貴州省盤縣苞谷山，是一座以煤礦瓦斯為燃料的發(fā)電站，電站一期規(guī)模為6 臺700 kW 等級低濃度瓦斯發(fā)電機(jī)組，于2014年6 月投產(chǎn)發(fā)電；二期為2 臺700 kW 低濃度淄柴瓦斯發(fā)電機(jī)組，于2018 年6 月份投產(chǎn)發(fā)電。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展，苞谷山瓦斯發(fā)電站的控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸老化，存在控制系統(tǒng)功能單一，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控和自動(dòng)化控制；瓦斯流量和濃度測量不準(zhǔn)確，影響發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率和安全等問題[1]。

1 項(xiàng)目意義

為了提高苞谷山瓦斯發(fā)電站的生產(chǎn)效率和安全性，須對其自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行升級改造。以達(dá)到實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集控和自動(dòng)化控制，打造區(qū)域標(biāo)桿示范瓦斯發(fā)電示范項(xiàng)目，樹立貴州新能源發(fā)電品牌的目的。

2 苞谷山瓦斯電站控制系統(tǒng)升級的總體要求

針對現(xiàn)在苞谷山瓦斯電站的設(shè)備穩(wěn)定性差、生產(chǎn)效率低下、安全性弱的情況，對整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行重設(shè)改造，包含控制策略升級和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、現(xiàn)場硬件改造和升級、系統(tǒng)管理軟件設(shè)計(jì)等，本項(xiàng)目選用西門子S7-1200 的PLC 作為控制核心，要求進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)操作簡便、集控互聯(lián)、技術(shù)先進(jìn)和功能穩(wěn)定等要求，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 苞谷山瓦斯電站自動(dòng)化升級改造項(xiàng)目總架構(gòu)圖

3 苞谷山瓦斯電站控制策略升級和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

瓦斯電站改造升級工作完成后，數(shù)據(jù)接入貴州公司集控中心的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)對電站設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視和最優(yōu)控制等功能，滿足用戶對遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)軟件二次開發(fā)功能需求。實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)控中心及遠(yuǎn)程集控中心對電站機(jī)組及輔助系統(tǒng)滿足電站無人值守、一鍵啟停、設(shè)備單操、設(shè)備運(yùn)行順控、設(shè)備自動(dòng)、設(shè)備電氣聯(lián)鎖保護(hù)、設(shè)備工藝過程調(diào)節(jié)策略、設(shè)備最優(yōu)化運(yùn)行、設(shè)備故障統(tǒng)計(jì)分析、電站日常報(bào)表統(tǒng)計(jì)分析和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警等生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析功能[2]。

3.1 單機(jī)本地控制模式

3.1.1 開機(jī)控制流程策略

PLC 控制主要控制單元采用西門子公司的S7－1200系列，增加數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊，配合電力智能儀表、各溫度傳感器、壓力傳感器、氧濃度傳感器、速度傳感器和瓦斯流量計(jì)等，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制和檢測。啟動(dòng)控制過程包括合上啟動(dòng)電源，啟動(dòng)冷卻水系統(tǒng)，預(yù)先供給潤滑油，監(jiān)測啟動(dòng)電機(jī)，從PLC 向發(fā)電機(jī)控制器發(fā)送啟動(dòng)信號，執(zhí)行啟動(dòng)控制，并在參數(shù)指標(biāo)達(dá)到要求時(shí)并網(wǎng)合閘。其具體控制策略如圖2 所示[3]。

圖2 開機(jī)控制流程策略

3.1.2 停機(jī)控制流程策略

正常停機(jī)時(shí)，斷開發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，按下停車按鈕，發(fā)電機(jī)組自動(dòng)減速，怠速運(yùn)行1 min，關(guān)閉進(jìn)氣電動(dòng)閥，打開本機(jī)組排空閥，停車結(jié)束。

當(dāng)機(jī)組發(fā)生飛車或者瓦斯泄漏等緊急情況，運(yùn)行人員可通過按下運(yùn)行機(jī)組急停按鈕停機(jī)，或由程序控制啟動(dòng)緊急停車流程，速度停機(jī)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，根據(jù)事態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋情況，打開排空閥，以保障發(fā)電廠運(yùn)行安全。其具體控制策略如圖3 所示[3]。

圖3 停機(jī)控制流程策略

3.2 本地集控模式

本地集控室用一臺西門子S7－1500 PLC 系列的CPU 為載體，采用PROFINET 協(xié)議與就地控制柜中S7-1200 PLC 通信，由S7－1500 PLC 采集各臺發(fā)電機(jī)組就地控制柜中S7-1200 PLC 所采集的數(shù)據(jù)并存儲、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理。本地工程站服務(wù)器與西門子S7－1500 PLC 通信，進(jìn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操控目的。電站監(jiān)控室集控中心可控制本電站所有發(fā)電機(jī)組，包含監(jiān)控功能、操控功能、數(shù)據(jù)查詢打印功能、數(shù)據(jù)采集和處理功能、DCS模擬量控制功能、順序控制功能和保護(hù)及報(bào)警功能。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4 所示。

圖4 本地集控中心網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.3 遠(yuǎn)程集控模式

遠(yuǎn)程集控中心擁有本地集控室的所有功能，只是操作優(yōu)先級要次于本地集控室。遠(yuǎn)程通信可采取租用電信光纖專用通道、利用4G 或5G 網(wǎng)絡(luò)，自行組建無線網(wǎng)絡(luò)。包含就地側(cè)的數(shù)據(jù)基站、遠(yuǎn)程監(jiān)控程序（APP、大屏、電腦端）、云服務(wù)（機(jī)組遠(yuǎn)程優(yōu)化、診斷、分析等），包括掌上APP 等。通過工程師站將發(fā)電機(jī)的油溫、缸溫、瓦斯?jié)舛?、燃?xì)鈮毫半姍C(jī)轉(zhuǎn)速和狀態(tài)等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳到盤州及貴陽集控中心，可通過智能終端如手機(jī)、電腦、平板等通信設(shè)備按權(quán)限等級訪問數(shù)據(jù)。為了保證通信的可靠性和安全性，需增添對數(shù)據(jù)加解密算法和CRC 沉余校驗(yàn)。工程師站服務(wù)器與集控中心服務(wù)器之間通信采用數(shù)據(jù)加解密處理，在滿足政府、電力等部門網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，保證數(shù)據(jù)通信的實(shí)時(shí)性。被控設(shè)備，在一些關(guān)鍵機(jī)構(gòu)或關(guān)鍵位置，要有反饋回路，形成閉環(huán)回路，與其他相關(guān)聯(lián)的部件形成聯(lián)鎖控制機(jī)制，提升了設(shè)備的可靠性和安全性，以此來提升網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)級別。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5 所示。

圖5 集控中心與電站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

4 控制系統(tǒng)升級

粵電集團(tuán)貴州有限公司苞谷山、中紙廠和老洼地瓦斯發(fā)電機(jī)組技術(shù)改造后的就地控制系統(tǒng)，通過專用控制模塊將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等信息提供人機(jī)對話監(jiān)控系統(tǒng)界面，人機(jī)對話監(jiān)控系統(tǒng)可以顯示瓦斯發(fā)電機(jī)組的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)在自動(dòng)運(yùn)行模式下運(yùn)行時(shí)，所有運(yùn)行參數(shù)無須人工調(diào)節(jié)，全部由控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)；控制系統(tǒng)在手動(dòng)模式下運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)組工況根據(jù)現(xiàn)場情況需要人工調(diào)節(jié)來保證發(fā)電機(jī)組在最佳工況下運(yùn)行，就地控制系統(tǒng)與電站監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程集控中心通信協(xié)議采用PROFINET或MOUDBUS 工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng)。

就地控制系統(tǒng)采用S-1200 PLC，通過搭載模擬量和數(shù)字量擴(kuò)展模塊及RS485 通信模塊電壓電流、壓力、流量和溫度等，以及各類傳感器的信號采集，通過PLC 程序?qū)崿F(xiàn)對輸出對象閥門、電動(dòng)閥、電磁閥、比例閥、繼電器、伺服系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)的控制，在就地通過HMI 實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，在多個(gè)機(jī)組之間、多個(gè)PLC之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)（正常運(yùn)行、停止運(yùn)行等）、機(jī)組手動(dòng)控制、機(jī)組自動(dòng)控制、累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)、累計(jì)發(fā)電量、當(dāng)前發(fā)電量、三相電流、相間電壓、功率因數(shù)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)功率、平均缸溫、平均排溫、油溫、水溫、濾前油壓、濾后油壓、濾網(wǎng)前后油壓差、主油道機(jī)油壓力、增壓器油壓、渦前溫度、渦后溫度、最優(yōu)缸溫、空氣反饋或空氣閥門開度、燃?xì)夥答伝蛉細(xì)忾y門開度、節(jié)氣門開度、高負(fù)壓濃度、低負(fù)壓濃度、混合濃度、混合流量、流量、溫度、壓力和振動(dòng)等的監(jiān)控[4]。其PLC 控制系統(tǒng)改造示意圖如圖6 所示。

圖6 PLC 控制系統(tǒng)改造示意圖

5 系統(tǒng)控制程序和管理程序設(shè)計(jì)

5.1 S7-1200 PLC 和HMI 程序設(shè)計(jì)

S7-1200 PLC 程序針對實(shí)際應(yīng)用功能分成操作系統(tǒng)程序、IO 數(shù)據(jù)分析程序、Modbus 通信程序、連鎖與測量程序、空燃比控制程序、控制邏輯程序和對象控制程序，在工藝對象中設(shè)計(jì)了5 路的伺服閥門的PID 控制，設(shè)計(jì)了PID 缸溫調(diào)節(jié)、PID 余氧調(diào)節(jié)、PID 功率調(diào)節(jié)、PID 速度調(diào)節(jié)和PID 壓力調(diào)節(jié)等，人機(jī)界面則開發(fā)了手自動(dòng)模式界面、參數(shù)設(shè)置界面、調(diào)節(jié)燃?xì)饪諝忾y門開度界面和查詢點(diǎn)電量數(shù)據(jù)記錄界面等共21 個(gè)界面[5]。HMI 部分可視化界面如圖7 所示。

圖7 HMI 部分可視化界面

5.2 遠(yuǎn)程集控程序設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程集控程序設(shè)計(jì)以vue2.6 作為基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)，同時(shí)使用vuex 進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理；采用antdesignUI 對UI 界面進(jìn)行布局，圖表采用了主流的echarts 作為支持、視頻監(jiān)控主要采用了flv.js 技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)展示監(jiān)控畫面，首頁大屏展示采用了組件化處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)后臺配置生成組件，每個(gè)圖標(biāo)可采用后臺配置快速生成圖標(biāo)，實(shí)現(xiàn)低代碼、高復(fù)用的快速配置方式；使用了MQTT 協(xié)議進(jìn)行鏈接數(shù)據(jù)的讀寫，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高頻刷新；使用了axios.js技術(shù)實(shí)現(xiàn)與后端的下發(fā)指令進(jìn)行交互，可做到快速下發(fā)指令，并快速獲得下發(fā)成功與否的反饋。遠(yuǎn)程集控中心看板如圖8 所示。

圖8 集控中心看板

6 結(jié)束語

改造項(xiàng)目實(shí)施后，能在電站現(xiàn)有自動(dòng)化控制水平的基礎(chǔ)上，顯著提高苞谷山電站機(jī)組就地控制系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，能在電站及集控中心全面監(jiān)視和控制電站內(nèi)機(jī)組設(shè)備及其輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對瓦斯機(jī)組及其輔助系統(tǒng)的最優(yōu)安全穩(wěn)定運(yùn)行調(diào)節(jié)和各類報(bào)表報(bào)送、故障報(bào)警及查詢、異常事件記錄、各類操作記錄、自動(dòng)聯(lián)鎖、順序控制、模擬調(diào)節(jié)、單操、歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)無延遲數(shù)據(jù)通信和就地遠(yuǎn)方一鍵啟停等，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯電站少人值守目的，有效提高自動(dòng)化水平，推動(dòng)瓦斯行業(yè)發(fā)展，提高社會影響力。