國電智深控制系統在火電廠輸煤系統中的應用

高 山，梁偉平，游松林

（1.華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071000；2.國電 福州發電有限公司，福州 350309）

0 引言

輸煤系統是火電廠輔助系統的主要組成部分之一，承擔著上煤與配煤的重要任務[1]，即把煤從火車或輪船上卸到煤場儲存，和把煤從煤場運到磨煤機以供鍋爐燃燒。輸煤設備分布廣，工作環境粉塵大，操作和維護的工作量極大。因此，實現自動控制是非常迫切的[2,3]。

筆者根據國電福州電廠輸煤改造項目，介紹EDPF-NT Plus在實際中的應用。

1 工程概述

本期工程是在原有的輸煤系統上，增加一條輸煤線路。該廠燃煤主要通過海運，大型輪船停靠在廠區碼頭，通過卸船機、輸煤皮帶，將燃煤運到煤場儲存，在需要時取出。工程的流程圖如圖1所示。黑線部分為本次工程。主要包括：1臺卸船機，6臺帶式輸送機，1臺三位置伸縮裝置，1臺斗輪堆取料機和其他相關、輔助設備。

整個系統采用順序控制，逐個啟動相應設備。在實際運行時，需要根據反饋信號，判斷設備工作狀態，防止堵煤帶來的損失。系統的控制難點在于，2#皮帶長達近3km，啟動和停止需要多部大型變頻器，堆取料機需要設計正轉反轉、順控手動等多種方式，智深系統與一期施耐德昆騰系列PLC的通訊。

2 DCS配置

DCS采用控制器、上位機的兩級控制結構，利用控制器對整個輸煤系統中的設備進行控制和數據采集，通過上位計算機發出控制命令，同時在上位機上直觀動態地顯示系統中各設備的狀態信息。上位機放置在程控室，控制器則分布在相應的轉運站，備有專用的電源柜。由于距離過長，上位機和控制器之間采用光纖通信，雙網冗余，保證整個控制網絡的暢通。

整套輸煤系統可實現完全自動控制。以功能相對自治劃分各站，不同的功能用不同的站來實現，主要有：工程師站（ENG），操作員站（OPR），接口站（SIS），過程控制站（DPU），歷史數據記錄站（HSR）[4]。重要的功能站可以設置冗余，也可以將多個工作站在同一臺物理計算機上實現。工程師站主要用于系統的組態和維護。操作員根據操作員站顯示的過程畫面，對設 備進行監控和操作。過程控制站是系統最基本的控制單元，將網絡通信，數據處理，順序控制和批處理有機的結合起來，形成可靠穩定的控制系統。歷史數據站采用二進制壓縮格式收集、存貯和管理數據，包括日志、報警、SOE、事故追憶等。接口站是智深系統與第三方計算機連接的雙向數據通訊接口[5]。在實現使用要求的前提下，廠方采購了3臺計算機和4對8個DPU。計算機功能為：1臺工程師站，1臺操作員站，1臺接口站。系統分布如圖2所示。

在現場，DPU通過高速現場總線與I/O模塊連接，實現分布式控制。結合設備特點，工程選用了DI32，DO16，AI16，AO08，RTD16五種卡件。卡件端子和模塊集成在一個底座上，方便系統的安裝，檢修和維護。RTD為熱電阻測量模塊，以橋路原理測量PT100。

3 軟件組態

EDPF-NT組態軟件基于Microsoft Visio，簡單快捷。支持SAMA圖等圖形化的組態語言，方便用戶根據需要自定義算法。算法均為模塊化封裝，并以圖標顯示，按模擬量和數字量劃分為兩大類。組態時，只需拖拽至相應的Visio圖中，用線連起來。Visio圖經過配置編譯后，生成標準SAMA圖，供操作員站查詢設備狀態，算法邏輯。

卸煤時，采用逆煤流方向：依次啟動3#斗輪機，C13皮帶，3#轉運站短皮帶，C3A皮帶，C3皮帶， C2皮帶，C1皮帶，卸船機，前一級設備的運行反饋是下一級設備的啟動允許條件之一。所有皮帶均采用AB雙路布置，提高可靠性。停止時，采用順煤流方向：停止卸船機，C1皮帶，C2皮帶，C3皮帶，C3A皮帶，3#轉運站短皮帶，C13皮帶，3#斗輪機。中間某一設備發生故障，影響正常運行時，順煤流的上級設備立刻停止，以免造成更大的堵煤，下級設備正常運行，輸送完皮帶上的存煤后停止[6]。

圖3 1#變頻器的轉矩邏輯選擇Fig.3 Torque converter selection logic 1#

由于2#皮帶過長，需要比較大的拉力，現場采用3臺變頻器控制，1主2從的工作方式。運行前，先啟動相應的變頻變壓器，風機。再通過上位機，給定相同的速度設定值。變頻器根據速度計算所需轉矩，將主轉矩作為從轉矩的輸入值。1#變頻器的轉矩邏輯選擇如圖3所示。假設1#變頻器作為主變頻器。經信號選擇模塊，如果上位機選擇2#作為主變頻器，模塊的輸出為2#轉矩輸出值，否則輸出為1#變頻器轉矩。同樣，經過第2個信號選擇模塊，如果上位機選擇3#作為主變頻器，模塊的輸出為3#轉矩輸出值，否則輸出為1#或2#變頻器轉矩。最終的轉矩輸出分別送到3臺變頻器的轉矩輸入。

智深的人機界面采用自身的GB畫圖軟件，由GD軟件顯示，可以根據用戶要求和使用習慣，畫監控畫面。該廠一期輸煤系統運行多年，值班人員也較為熟悉已有的畫面風格。為方便起見，所畫畫面模仿一期，并添加新增設備。整體系統如圖4所示。皮帶停止時為灰色，也可根據運行狀態變紅或變綠。犁煤器由抬起、落下兩種圖形表示。

考慮到緊急情況的發生，顯示界面設計了“全場急停”按鈕，一鍵立刻停止所有設備。同時，為保證安全，設置“復位”按鈕。當系統中有設備發生故障后，邏輯中故障信號會保持。只有排除故障，確認“復位”后，才能在邏輯中消除故障信號，正常操作設備。

4 Modbus通信

現代電場規模大，建設周期長，設備眾多，有時會采用不同的控制系統，而監控人員數量與精力有限，這要求不同的系統能在同一臺電腦上顯示操作。在EDPF-NT Plus中，可以用軟件或硬件實現與第三方的通訊。硬件實現需要配置一塊COM卡，它是分布式高速智能測量測控網絡中的智能通訊單元，支持Modbus協議或IEC60870-5-103規約。但其檢測通道數量相對有限，購買卡件又需要一定的費用。因此，在實際中，更多的應用軟件實現通訊。

軟件通訊可基于以太網或串口服務器。以太網通訊協議為Modbus over TCP/IP，每個第三方系統與DCS均視為網絡上的一個結點，需明確指定每個結點IP地址和端口號。串口通訊協議為Modbus RTU，第三方系統與DCS之間以串口服務器作為轉接接口。服務器一端通過RS485和第三方系統連接，另一端則通過以太網和DCS連接。一個串口服務器具有一個IP地址，每個端口具有自己的端口號[7]。

設備、任務與虛擬卡件是通訊中最重要的3個概念。設備是指與DCS通訊的第三方系統，一個DPU可與多個設備通訊，設備間彼此獨立。任務是DCS與第三方系統的事務處理，一次任務完成一次通訊。DCS與第三方系統的通訊由一個或多個任務組成，可分成輸出任務和輸入任務。虛擬卡件類似傳統的IO卡件，用于組態，創建通訊測點。

該廠一期輸煤系統采用昆騰PLC控制，廠方要求DCS側能監視整個輸煤系統。實踐中選擇以太網通訊，EDPF-NT Plus作主站，直接讀取PLC主機中的信號值。

通訊配置的主要步驟如下：

1）創建虛擬DPU。在接口站新建DPU，操作方法與真實DPU相似。

2）配置網絡環境。接口站與PLC系統處于同一個子網，用接口站的第三塊網卡與PLC主機相連。

3）組態。根據需要建立30塊虛擬卡件，繪制邏輯圖。虛擬卡件需要指定設備ID，從站ID，起始寄存器號，字節順序類型和功能碼。

4）創建配置文件。結合通訊測點清單和卡件組態信息配置任務。

5 結束語

本文以國電福州電廠為例，介紹了智深EDPF-NT Plus DCS系統在輸煤項目中的應用，說明了基于Modbus的通訊方法。近一年的運行表明，該系統設計良好，故障率低，大大降低了監控人員的工作量，實現了自動控制，對改變電廠中輸煤程控落后的狀態，具有一定的參考和指導價值。

[1]花書振.保定熱電廠輸煤程控系統的設計改造[D].保定:華北電力大學,2008.

[2]張海玲.PLC在火電輸煤程控系統中的應用研究[D].青島:中國海洋大學,2009.

[3]于學鵬.基于和利時LK大型PLC的電廠輸煤程控系統設計與研究[D].西安:西安電子科學技術大學,2010.

[4]董玉強,白焰.DCS在某電廠脫硫系統的應用[J].化工自動化及儀表,2012,39(12):1561-1566.

[5]北京國電智深控制技術有點公司. 國電智深EDPF-NT系統簡介[Z].2011.

[6]黃湘.大型火電設備手冊[M].北京:中國電力出版社,2009.

[7]北京國電智深控制技術有點公司.EDPF-NT Plus EIO使用手冊[Z].2011.