基于工業以太網的煤礦坑口電廠過程裝備集控系統

王 攀 韓 進 王啟立 薛 江 何 敏

(1.中國礦業大學化工學院，江蘇 徐州 221116；2.江蘇恒久機械集團，江蘇 徐州 221000；3.徐州工程學院，江蘇 徐州 221008)

隨著電力工業迅速發展，電廠過程裝備逐漸趨于復雜化和大型化，因此對廠內過程設備的監測與控制成為保障正常生產過程的一大重要環節[1～3]。電廠DCS系統主要以各生產系統為單位進行接入，核心系統有鍋爐系統和汽機系統。目前，大多數電廠僅從生產管理角度進行垂直監控，而忽略了一些輔助系統的監控與管理，如鼓風機、水泵房及壓縮機等較為分散的輔助設備，大多沒有接入DCS系統。因此，管理技術人員需要定期到各車間進行巡檢，或者就地值班人員通過電話方式向主管部門匯報運行情況，效率不高，且不符合現代化火電廠管理要求[4～6]。為此，筆者以某坑口電廠的典型過程裝備為例，基于工業以太網，結合PLC和組態軟件，將分散在各地的壓縮機、水泵和鼓風機整合到一個系統中，實現對典型過程設備的遠程集中控制。

電廠主要過程裝備的性能參數和狀態參數是設備運行工況的重要表征，對其進行實時監測與控制是電廠過程裝備監控系統的主要功能。以某電廠為例，其主要設備有5臺水泵、3臺壓縮機和3臺鼓風機，系統總體框架如圖1所示。

監控系統擬實現以下主要功能：

a. 對水泵運行參數進行監測，包括水泵轉速、軸承溫度及軸承振動等。

b. 對壓縮機運行參數進行監測，包括排氣壓力、排氣溫度、排氣量、冷卻介質溫度、油分離器溫度、電機三相繞組溫度、電機軸承溫度及軸承振動等。

圖1 過程裝備監控系統的總體框架

c. 對鼓風機運行參數進行監測，包括定子溫度、軸承溫度、負壓、全壓及軸承振動等。

d. 對水泵、壓縮機和鼓風機電氣回路的電量參數進行監測，包括三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率及功率因數等。

e. 對水泵、壓縮機和鼓風機的運行狀態和故障狀態進行監測與報警，包括啟停狀態、故障狀態、報警狀態及故障次數等；對電氣回路進行遠程控制，實現遠程啟停或分合閘操作。

f. 組態上位人機界面，實現數據顯示、模擬運行、數據存儲與查詢及實時與歷史趨勢分析等功能。

g. 實現數據共享與信息遠傳，與上級監控系統或主管部門實現信息聯網，成為數字化火電廠監控系統的一部分。

2 系統硬件

由圖1可知，系統包括3個PLC站，PLC站就地布置在各車間，通過工業以太網與上位機建立通信，實現遠程監測與控制。因此，系統硬件設計包括測量傳感器選型(表1)和PLC設備選型。選型依據3個原則：技術指標符合要求，能夠滿足監控系統的監控要求；環境適應性強，滿足工業現場實際工作條件；設備應為當前行業內領先的主流產品，質量可靠、性價比高且使用壽命長。

表1 系統測量傳感器選型

溫度測量采用Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，測量范圍滿足現場要求，且安裝方便、性價比高，輸出電阻信號，能夠直接被PLC站的模擬量輸入(AI)模塊采集，無需轉換或變送。壓力傳感器選擇微差壓變送器，測量精度高、可靠性好。振動測量采用振動加速度傳感器和振動位移變送器組合方式，振動加速度信號通過振動變送器積分放大后變為振幅信號，進入PLC站的AI模塊，即可測量旋轉設備軸承的振動幅值。電量參數測量采用EDA9033系列綜合多功能模塊，實現各設備電氣回路的三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率及功率因數等信號的采集與測量。

監控系統以S7-300 PLC為基礎，配置相關模塊。首先，根據系統監控點數配置相關I/O模塊，并考慮10%～20%的冗余，以備升級和擴展。PLC站與上位機之間采用TCP/IP通信，因此，需要配置CP343以太網通信模塊。另外，壓縮機設備自帶通信控制器，PLC站可通過CP341模塊與通信管理器實現Modbus通信，并進行數據交換。PLC站對各設備電氣回路開關量狀態的監測與控制采用繼電器輸入/輸出模塊實現。硬件設備合理布置在各PLC站的監控柜中，實現信號的采集、轉換及控制輸出等功能，控制設備選型結果見表2。

表2 控制設備選型

3 系統軟件

3.1 PLC編程軟件

分別采用Step7 V5.4和WinCC組態軟件完成下位機PLC站編程和上位機人機界面的設計。在Step7編程過程中，首先建立S7-300 PLC站，然后設置模塊參數，最后完成Hardware組態。程序編寫采用模塊化思想，將每個車間的模擬量數據處理和開關量數據處理分別放在不同的功能塊(FC)中，然后存儲在不同的共享數據塊(DB)中，供上位組態軟件循環調用。如FC1、FC3、FC5分別處理1#～3#PLC站的模擬量信號，FC105、FC106是處理模擬量輸入輸出信號的專用功能塊，在程序中被循環調用；FC2、FC4、FC6分別處理1#～3#PLC站的開關量信號，DB10、DB11、DB12分別存儲各PLC站處理后的數據。在PLC站與壓縮機控制器的Modbus通信中，采用FB8、FB7功能塊用于發送和接收報文，DB21、DB22數據塊用于存儲發送和接收的報文數據，并在相應的FC功能塊中進行數據轉換及計算等處理，處理后的數據存儲于對應的DB共享數據塊中。系統編程所用的主要功能塊如下：

OB1 主程序塊

OB86 系統故障處理

OB100 初始化

FC1 1#PLC站模擬量處理

FC2 1#PLC站開關量處理

FC3 2#PLC站模擬量處理

FC4 2#PLC站開關量處理

FC5 3#PLC站模擬量處理

FC6 3#PLC站開關量處理

F105 AI信號處理

F106 AO信號處理

FB7 Modbus接收報文

FB8 Modbus發送報文

DB10 1#PLC站數據存儲

DB11 2#PLC站數據存儲

DB12 3#PLC站數據存儲

DB21 接收報文數據存儲

DB22 發送報文數據存儲

3.2 上位組態軟件

人機界面能夠友好直觀地反映監控系統內各部分的運行情況，便于管理和維護人員作出有效決策[7]。人機界面采用MCGS組態軟件進行二次開發，為便于維護管理和性能擴展，采用模塊化設計，將人機界面分為數據處理、界面組態、控制與預警及輔助設計等功能模塊，分別實現相應功能，監控系統的軟件功能框架如圖2所示。

圖2 軟件功能框架

數據處理首先進行WinCC變量定義，建立外部變量、內部變量和公共變量，并建立外部變量與Step7程序變量的鏈接，設置數據工程格式轉換。通過VBS腳本編程，完成變量寫入、數學運算及歷史數據存儲等功能。界面組態主要由水泵監控界面、壓縮機監控界面、鼓風機監控界面、歷史數據和歷史曲線界面、報警設置和查詢界面構成。控制與預警主要完成各車間設備的遠程控制界面組態與控制變量的鏈接，同時對設備故障信號和部分關鍵監控參數建立報警處理機制，當發生報警時，記錄報警報文信息，按照預案進行報警處置。輔助系統主要功能有：建立用戶管理制度，分配權限，防止誤操作；建立網頁發布系統，可通過Web發布監控界面；建立完善的系統幫助制度，為相關人員使用維護監控系統提供幫助。

3.3 通信網絡

現代化工業控制系統要求其通信網絡具有傳輸速度快、可靠性高和兼容性好的特點，而在現有的通信網絡中，工業以太網是應用最為廣泛、可靠性最高的通信方式，可使用網關設備來進行遠程連接和控制。基于工業以太網的監控系統大都支持如TCP/IP、OPC及OLE等開放式的數據交換協議，同時也支持采用Visual Basic、Java及Visual C++等編程語言進行二次開發[8,9]。

本監控系統采用OPC協議與Web網頁發布技術相結合的通信方式，OPC通信對象主要為以太網內其他監控主機和上級管理部門主機，訪問對象為相關值班人員，可遠程控制；Web網頁發布的訪問對象為電廠系統的管理層和決策層，便于中、上層管理人員實時了解系統運行狀況，不具有控制權限。OPC是國際通用數據交換協議，將系統監控上位機作為OPC Server，將電廠工業以太網中其他需要訪問該系統的上位機作為OPC Clinet，通過DCOM配置和OPC Server.WinCC配置提供數據源，供以太網內其他上位機訪問和讀寫數據，實現監控系統與其他系統之間的數據交換和遠程控制。同時，通過WinCC的Web Navigator軟件包，將監控系統的人機界面進行網頁發布。首先在監控上位主機上安裝Web Navigator(Sever)軟件包，進行相關設置和組件服務器；然后進行瀏覽器組態，將需要Web發布的人機界面組態到瀏覽器中；最后，工業以太網內需要進行網頁訪問的客戶機便可通過TCP/IP地址訪問服務器網頁，首次訪問時需要根據要求安裝Web Navigator(Clinet)軟件包。

4 結束語

設計了一種基于工業以太網的典型電廠過程裝備遠程集控系統，實現對煤礦坑口電廠主要過程設備運行參數的遠程監控，通過數據交換和網頁發布，實時向工業以太網內其他客戶端傳輸和發布監控系統，為生產部門和管理部門提供了實時快捷信息。作為DCS系統的有益補充，極大地推動了電廠大型設備橫向集中管理設備的發展，為數字化、網絡化的電廠監控管理系統發展提供了一種新思路。

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