火電廠輸煤程控系統的研究與設計

譚寶成，葉國印

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

目前我國火電廠大部分還是以燃煤為主，加工、運輸、貯備足夠的燃煤是火電廠最基本、最主要的生產環節之一[1]。國外大型燃煤電廠多為基于可編程序控制器（Programmable Logic Controller即PLC），智能測量控制儀表，通用計算機等構成的集散控制系統。本文采用了國際目前最先進的3C（Control，Communication，Computer）技術，控制系統為典型的DCS系統，分為生產管理層、現場控制層、就地控制層。該系統可大大減少運行和維護人員的工作量，減少事故的發生，對電廠的安全高效運行有很大的幫助。隨著電力工業的大力發展以及電力企業之間的競爭的加劇，在“廠網分開、競價上網”的大背景下，電力生產企業面臨著前所未有的考驗，如何降低成本，提高企業的市場競爭力便成了電力企業的共同議題。該系統必將會受到越來越多的關注。

1 系統結構

輸煤程控系統主要由四部份組成，分別為卸煤部分、堆煤部分、上煤部分、配煤部分組成，一般各個電廠的卸煤部分和堆煤部分是對外來煤進行整理，以供上煤部分使用。由于各個電廠的歷史背景條件不同，所以這部分是相對獨立自由的。本系統重點研究上煤部分和配煤部分。輸煤系統框圖如圖1所示。

圖1 輸煤系統框圖Fig.1 Temperature control system structure

上煤部分是輸煤皮帶機完成將原煤從煤場輸送到原煤倉的過程；配煤部分是將從上煤系統輸送來的煤按照一定的要求、規律、順序地分配到煤倉中的過程。輸煤系統所有受控設備包括各級送料皮帶，一、二級碎煤機室中等主要設備。本設計所需要受控對象包括：碎煤機4臺，帶式輸送機8條，雙側犁式卸料器6臺，原煤倉4座，電動三通擋板2臺，振動給料機4臺，震動篩2臺，電動緩沖滾筒2臺，帶式除鐵器2臺，盤式除鐵器2臺，電子皮帶秤2臺等。由于火電廠在一定時間內煤質量相差很大，因而用煤量亦相差很大，輸煤系統必須具有靈活多樣的運行方式，只有這樣機組才能達到穩發電滿發電的目的[2]。

2 輸煤程控設計控制方式

輸煤程控系統分為上煤和配煤兩部分。為了使系統便于操作及安全可靠運行，對于上煤部分要求可分為程控自動、集控方式和手動方式。

1）程控自動：整個系統通過上位機進行鍵盤鼠標控制，首先在上位機預先流程菜單上選擇流程路徑，然后系統自動檢查是否正確，當犁煤器、盤式除鐵器、三通擋板到位，而且落煤管、篩煤機的堵煤檢測設備無報警后。這時系統提示準備就緒，運行操作人員這時可以在上位機發出指令，系統自動完成相關設備的順序啟動。每條皮帶啟動前報警器發出20 s報警，皮帶啟動后警鈴停止。程序停機時按順煤流逐一按預定的延時停機。

2）集控方式：在上位機上通過鼠標鍵盤完成操作，分為遠程聯鎖手動和解鎖手動，解鎖手動可對任何一臺設備隨意啟停，要求是在不帶負載方式下運行，主要是在設備調試時使用。聯鎖手動是按逆煤流方向對設備進行一對一的啟動，停機時按順煤流方向一對一停止。當手動關停運行的任何一臺設備時，這臺設備逆煤流方向上的所有設備聯鎖停機。

3）就地手動：在設備檢修調試或發生緊急情況下，直接在設備現場控制箱上進行。

上煤部分的輸煤設備以逆煤流方向啟動；按順煤流方向從煤源開始每一臺設備延時停車，并且延時時間可以設定使其上余煤正好走空，這樣保證下次再次啟動時設備處于空載狀態。在運行中，當任一臺設備發生重大事故，如皮帶的拉線動作和持續2S的皮帶打滑、重跑偏（≥35°）、落煤管堵煤等，PLC主機立即向此設備發停車信號，并因此設備停車而聯跳故障點以上（逆煤流方向）的設備，并且故障點設備急閃燈，顯示故障點發生的地點、及故障發生類型。但由于碎煤機的特殊性，除自身事故采取延時（破碎聲音消失1～2分鐘后）聯跳，不允許在給煤過程中停機。當按緊急停機時，運行設備立即全線停機，僅碎煤機延時停機。順序啟動和停車流程如圖2所示。

圖2 順序啟動和停車流程圖Fig.2 The flow chart of the order to start and stop

配煤控制分為程控配煤、手動配煤和就地配煤。配煤系統具有分爐計量及分場計量功能，為電廠的平衡計算創作條件。程控配煤根據鍋爐對不同煤種的加倉要求，加倉起始，先依次對出現低煤位的倉進行優先配煤，待所有煤倉低煤位信號消失后，再進行順序配煤，可以設置時間兼顧高料位信號順序轉到下一個煤倉進行順序配煤。如果又出現低煤位倉則停止原順序，優先為低煤位倉配煤并保持原配煤時間 （可設置），配至一定數量后再轉入順序配煤程序，當達到高料位設置后再按照上位機設定的順序為下一煤倉配煤。當所有煤倉出現煤位上限信號后，上煤部分停機并將皮帶上的煤配給各原煤倉，其中要自動跳過滿倉、高煤位倉和檢修倉。手動配煤是在上位機上手動操作控制犁煤器的抬落，就地配煤是就地值班員將犁煤器控制箱控制開關（三位自鎖開關）打到就地位置，實現就地操作配煤，這時該犁煤器不受上位機的控制。程序配煤流程圖如圖3所示。

圖3 程序配煤流程圖Fig.3 The program flow chart of coal blending

3 系統設計

輸煤程控采用雙主機 （雙機熱備用）配置的SIMATIC PLC S7系列S7-300完成上煤部分及配煤部分控制等功能，PLC置于輸煤程控綜合室。S7系列PLC是德國西門子公司傳統意義的PLC產品，其中S7-300是針對中等性能要求的模塊式中小型PLC，最多可擴展32個模塊，豐富的數字量和模擬量I/O，并可用STEP7對所有SIMATIC部件進行硬件組態和通信連接組態、參數設置和編程。高性能、高可靠性的可編程邏輯控制器，可以為不同工業領域提供個性化解決方案，廣泛用于各種機械設備和生產過程的自動控制系統中。

整個系統共分為三層，包括生產管理層（輸煤程控室）、現場控制層（PLC控制站）及就地控制層（遠程I/O）。現場各種數據通過PLC系統進行采集，并通過主干通信網絡—環形工業以太網傳送到中心控制室監控計算機進行集中監控和管理。由于火電廠輸煤系統設備的特殊性：聯鎖性強、設備分散、干擾性強等，系統設有一個主站和若干個遠程I/O分站，主站為S7-300系列。遠程I/O口站分別是輸煤綜合樓站、粗碎機室站、1#轉運站、2#轉運站、細碎機室站、煤倉層遠程站，由ET200分布式I/O構成[3]。現場設備（傳動設備、執行器、傳感器）等信號就進接入附近的遠程I/O分站，通過設置冗余的PROFIBUS-DP總線網絡實現于系統主站的通訊，這樣減少了大量的I/O接線。這樣以系統主站為控制中心,將上煤、配煤等過程構成了一個龐大的、聯鎖的、冗余熱備的監控網，完成對系統內設備集中管理和分散控制。輸煤程控系統結構圖如圖4所示。

圖4 控制系統結構圖Fig.4 Control structure chart

圖2 中，為了保證輸煤系統的穩定安性，系統主站S7-300系列PLC，采用互為熱備用的機架通過光纖實時更新保存數據同步[4]。其中CPU319-3PN/DP位操作指令的執行時間為0.01μs。數字量的輸入和輸出最多均為65536點，模擬量輸入和輸出均為4096個，西門子輸入輸出可由輸入輸出模塊配置，簡稱信號模塊，可分為數字量輸入模塊（DI），如SM 321；數字量輸出模塊（DO），如 SM 322；數字量輸入（DI）/輸出（DO）模塊，如 SM 323；模擬量輸入模塊（AI），如 SM 331，；模擬量輸出模塊（AO），如 SM 332；模擬量輸入/輸出模塊，如SM 334和SM 335。接口模塊采用6ES7-153-1AA01-0XBO。在本系統中I/O點配置表如表1所示。

表1 系統I/O點配置統計表Tab.1 The system I/O point configuration TAB

其中數字量I/O點數負載率和模擬量I/O負載率都很低，所以I/O點數不是考慮的重點。使用S7-300系列只需考慮RAM存儲容量的問題，整個系統內存使用量統計如表2所示。

表2 內存使用情況統計Tab.2 Statistics for used memory

S7-300系列CPU其RAM存儲量為1 400 kB，并可以插入8 MB的微存儲卡（MMC），上表可得系統所需要的內存量為784.8 kB，所占總內存量比例比較小，這樣可以保證系統運行的穩定可靠性。根據系統的控制對象，本著先進、經濟、通用的原則，選擇主站采用S7-300系列，遠程站采用STMTICET200 I/O系統。S7-300系列屬于模板式結構，可以根據需求配置不同的擴展模板，其中包括：電源模板（PS）、中央處理器（CPU）、各種信號模板（SM），通信模板（CP），功能模板（FM）。開關量輸入、輸出模塊均用繼電器隔離，模擬量輸入輸出使用隔離器隔離。

管理層為的上位機監控軟件采用西門子公司的WinCC（Windows Control Center）， 連 接 到 冗 余 的 工 業 以 太 網（Industrial Ethernet）實現對設備可靠的實時監控。WINCC不僅有監控和數據采集 （SCADA）功能，還有組態、腳本（Script）語言和OPC等先進技術，工業以太網是專為工業應用專業設計的，可用24 V冗余供電，抗干擾能力強，采用標準導軌，方便組成各種網絡拓撲結構，通訊介質根據通訊距離可以選擇光纖或屏蔽雙絞線，具有10Mbps/100Mbps自適應傳輸速率。該網絡還具有良好的擴充性，還可以通過交換機及必要的網關設置連接到MIS或SIS網實現信息的集中監控和管理。控制層網路采用雙網雙纜冗余的PROFIBUSDP現場總線與主機通信，該網絡各節點最遠傳輸距離1 000 m，最多可接32個節點，是專門為工業控制現場層的分散之間通信設計的[5]。主要滿足大容量信息傳送的要求，其最大傳輸速率為12 000 kbit/s，遠大于上表統計的傳輸載荷（784.8 kB）。

4 系統軟件設計

輸煤程控系統軟件設計包括控制程序組態設計及上位機畫面組態設計。

4.1 控制程序組態設計

輸煤程控劃分為輸煤和配煤兩部分來實現。根據現場設備和電廠實際的需求，將各個設備合理詳盡的劃分，合理的配置到就近遠端I/O站，并將輸煤線路分為若干個流程以便于上位機的操作。為了滿足集控運行，需要設置連鎖位來控制設備間的連鎖，這在PLC程序中需要設置中間變量以滿足各種控制方式的實現。對以配煤部分，通過控制犁煤器的抬落來控制煤流的走向，這些可以按照原煤倉料位計和高料位開關提供的反饋以及對煤倉、犁煤器等的設置來實現配煤的自動化。這樣系統各控制站共同實現生產過程的控制和操作管理，包括系統設備正常啟動關閉，可以進行急停、故障停止，設備間安全互鎖，報警信息的采集和報警以及與上位機數據通信、備份。系統控制流程圖如圖5所示。

圖5 系統控制流程圖Fig.5 Control flow chart

4.2 上位機畫面組態設計

在輸煤程控室內，通過兩臺上位機監控計算機進行輸煤系統的集中監測和控制，分為操作員站和工程師站[6]。上位機主畫面主要為：控制方式選擇、流程路徑的選取、緊急情況停車和連鎖等選擇按鈕。不僅能顯示電機、三通等系統的運行狀態、過程參數、報警等，還可以進行各種運行方式的選擇和切換，進行自動、手動程控操作。該系統人機界面設計是應用西門子公司的WinCC來完成，人機界面的設計首先要創建數據庫文件，本設計采用”Sybase SQL Anywhere”數據庫來存儲數據，將系統中的開關量、模擬量越限等存入到歷史數據庫中，然后再通過編寫程序查詢歷史報警。然后再繪制靜態工藝畫面，最后通過數據鏈接建立動態鏈接，使數據庫數據與靜態工藝畫面動態地連接起來。通過先導可以實現按時間段或是按照某一設備或是某一類數據來查詢歷史數據庫。考慮到煤量的統計和對各個煤倉煤位的監控，我們對以上模擬量做歷史趨勢表，可以實時的顯示、查詢以上數據。

5 結 論

火力發電廠的燃煤輸送系統是電廠生產系統重要組成部分，隨之我國火電廠裝機容量的提高，對輸煤程控系統等共用自動化控制系統提高了更高的要求。本文在對其組成進行分析的基礎上。充分利用了西門子公司S7系列PLC可靠性、擴展性好、易于使用等方面的優勢。將原來相對落后的輸煤系統提高到了一個嶄新的水平。通過PLC雙主機冗余熱備，PROFIBUS-DP的雙網雙纜冗余和工業以太網的雙冗余實際以及上位機的雙機配置，實現了系統的全冗余設計。另外該系統具有很好的開放性，為將來擴容提供了便利條件。

[1]于慶廣，閔勇，丁仁杰，等.大型火電廠輸煤程控系統的網絡控制系統設計[J].電網技術，2001（2）:44-45.YU Qing-guang，MIN Yong，DING Ren-jie，et al.Large coalfired power plant coal SPC system of network control system design[J].The Grid Technology，2001（2）:44-45.

[2]趙新華.火力發電廠燃煤輸送系統的運行與維護[J].煤礦機械，2011（2）：201-202.ZHAO Xin-hua.Thermal power plant coal conveying system running and maintenance of[J].Coal mining machinery，2011（2）:201-202.

[3]廖常初.S7-300/[M].400 PLC應用技術[M].北京:機械工業出版社，2011.

[4]殷興龍.PLC應用與實踐[M].西安：西北工業大學出版社，2009.

[5]劉國海.集散控制與現場總線[M].北京：機械工業出版社，2006.

[6]蘇昆哲.深入淺出西門子WinCCV6[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.