基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王風(fēng)金

（神華蒙西煤化股份有限公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

冶煉廠需求量持續(xù)增加下，冶煉廠用電量與裝機(jī)容量大幅度增加，電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，對(duì)冶煉廠用電質(zhì)量與可靠性也提出了更多要求[1]。電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行已經(jīng)成為冶煉廠經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)保障，為此提出冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化控制。電氣綜合自動(dòng)化控制要求電站實(shí)行綜合調(diào)控與管理自動(dòng)化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)、控制、測(cè)量等綜合性功能為一體。冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化由計(jì)算機(jī)完成電氣監(jiān)控、運(yùn)行、保護(hù)等功能，由通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換。近些年來隨著電氣自動(dòng)化水平的提高，現(xiàn)有電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)已不能滿足冶煉廠實(shí)際應(yīng)用需求，因此采用性能較高的西門子PLC系統(tǒng)，提出基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 電氣監(jiān)控設(shè)備設(shè)計(jì)

考慮到冶煉廠在金屬加工中特殊的工作環(huán)境，其電氣監(jiān)控設(shè)備功能設(shè)計(jì)主要針對(duì)金屬加工過程中對(duì)整體電氣設(shè)備的電力監(jiān)測(cè)、記錄、電力數(shù)據(jù)采集等。

電氣監(jiān)控設(shè)備采用80486的32位處理器，考慮到安裝成本，與其他設(shè)備通過I/O站相連，與控制PF線的PLCS7-400之間相互通信。設(shè)備的CPU為西門子4122DP，存儲(chǔ)器容量72KB，掃描周期為0.2ms/100KB。由于所使用西門子S7系列PLC模板功耗較低，發(fā)熱少，因此可以省去原有冷卻風(fēng)箱，節(jié)約安裝空間。設(shè)備中遠(yuǎn)程站I/O分為高航計(jì)速模板、輸出模塊、模擬輸入模塊、I/O輸出模塊、電源模塊以及接口模塊組成。I/O板輸入與輸出電壓為DC24V，輸出后信號(hào)經(jīng)過光電隔離器放大，模擬量輸出至比例閥放大板上。輸入信號(hào)主要包括工作壓力、輸送機(jī)位置、系統(tǒng)工作速度等。主控臺(tái)終端采用觸摸式操作終端，設(shè)有RS-232與Prof i bus兩個(gè)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)系統(tǒng)終端編程。

1.2 數(shù)字信號(hào)處理器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中數(shù)字信號(hào)處理器主要功能為同期控制、調(diào)速控制、綜合保護(hù)的核心控制器。采用西門子32位DSP芯片TM320F2812，內(nèi)存128KB，資源豐富。事件管理模塊EVA與EVB內(nèi)存18KB，其中包括4個(gè)16位通用定時(shí)器與16個(gè)16位脈寬調(diào)制通道以及12位16通道A/D轉(zhuǎn)換器。通道最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為80ns，支持兩個(gè)事件管理器同時(shí)觸發(fā)一個(gè)16通道輸入A/D輸入器或兩個(gè)8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)字信號(hào)處理中控制局部網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)模塊采用56個(gè)單獨(dú)變成復(fù)用輸入輸出口，外設(shè)接口設(shè)有一個(gè)MCBSP多緩沖串行接口、一個(gè)CAN總線接口、一個(gè)UART標(biāo)準(zhǔn)異步收發(fā)接口、一個(gè)SPI接口與兩個(gè)SDI串行接口，完全滿足系統(tǒng)運(yùn)行需求。

2 基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

冶煉廠由于在金屬加工中有著對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性的需求，因此數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)技術(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)拋棄傳統(tǒng)系統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)快速存取特點(diǎn)，采用CPU與存儲(chǔ)空間相結(jié)合的高效存儲(chǔ)方式[2]。數(shù)據(jù)庫(kù)由生成模塊加載設(shè)備相關(guān)信息，物理位置位于各前置機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)采集實(shí)時(shí)信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。考慮到內(nèi)存容量限制，在實(shí)際使用中將數(shù)據(jù)庫(kù)大小控制在內(nèi)存運(yùn)行容量范圍內(nèi)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)中緩沖模塊，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與刷新，解決電氣設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分發(fā)、遙控前實(shí)時(shí)狀態(tài)判定等功能。數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下表1所示：

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫(kù)通過數(shù)據(jù)組中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，由于數(shù)據(jù)庫(kù)容量有效，采集數(shù)據(jù)需要及時(shí)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)庫(kù)。考慮到同一內(nèi)存地址發(fā)生沖突情況發(fā)生，數(shù)據(jù)庫(kù)采集每5次觸發(fā)轉(zhuǎn)存方案，使系統(tǒng)運(yùn)行保持在最佳狀態(tài)。

2.2 機(jī)組自控模塊

電氣設(shè)備在滿足開機(jī)條件后，機(jī)組自控模塊將按照安全開機(jī)流程啟動(dòng)，PLC對(duì)DSP于輔助設(shè)備發(fā)出控制信號(hào)。DSP啟動(dòng)自動(dòng)調(diào)速，完成機(jī)組自控檢測(cè)[3]。電氣設(shè)備開機(jī)后，首先確定蝶閥開關(guān)與冷卻水狀態(tài)，如蝶閥關(guān)閉，則開啟蝶閥后，檢測(cè)開關(guān)狀態(tài)與冷卻水狀態(tài)，在延時(shí)180s沒有收到反饋后，系統(tǒng)則跳出開機(jī)流程，進(jìn)入報(bào)警。如檢測(cè)到蝶閥與冷卻水狀態(tài)正常，延時(shí)10s后開啟調(diào)速器。隨后檢測(cè)95%Ne狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)狀異常，則在延時(shí)60s后跳出開機(jī)流程，發(fā)出報(bào)警。如狀態(tài)正常，則進(jìn)入滅磁開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)，如狀態(tài)異常，延遲5s后，跳出開機(jī)流程，發(fā)出報(bào)警，如狀態(tài)正常，延時(shí)30s后，進(jìn)入延時(shí)8s投入自動(dòng)準(zhǔn)同期，隨后檢測(cè)發(fā)電機(jī)DL合。

圖1 設(shè)備參數(shù)顯示波形對(duì)比

如檢測(cè)到發(fā)電機(jī)狀態(tài)異常，則延時(shí)60s后跳出開機(jī)流程，發(fā)出報(bào)警。如發(fā)電機(jī)狀態(tài)正常，發(fā)電指示燈亮后，完成自動(dòng)開機(jī)，自此完成整體電氣機(jī)組自控。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

為更加直觀對(duì)基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)采用西門子系統(tǒng)操作臺(tái)，提供系統(tǒng)一個(gè)直接使用的界面程序板塊。利用模擬屏模擬冶煉廠整個(gè)電氣系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，將系統(tǒng)開關(guān)量與電力參數(shù)直觀顯示出來，并對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新。為更加直觀顯示系統(tǒng)性能，將基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)為實(shí)驗(yàn)組，傳統(tǒng)電氣自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)為對(duì)照組，對(duì)比兩組系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)顯示波形，從而觀察出兩組系統(tǒng)對(duì)設(shè)備控制精準(zhǔn)度，實(shí)驗(yàn)中兩組系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)相同。

3.2 設(shè)備參數(shù)顯示波形對(duì)比

通過實(shí)驗(yàn)，兩組系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)參數(shù)相同條件下，對(duì)100組設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其結(jié)果如下圖1所示。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組相比，其設(shè)備參數(shù)顯示波形較高，證明實(shí)驗(yàn)組具有更好的設(shè)備控制精準(zhǔn)率，從而證明設(shè)計(jì)有效性。

4 結(jié)論

為滿足冶煉廠電氣系統(tǒng)運(yùn)行安全需求，提出基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)采用性能較高的西門子PLC系統(tǒng)，以保障電氣系統(tǒng)安全運(yùn)行為基礎(chǔ)，滿足電氣系統(tǒng)的運(yùn)行、調(diào)度、監(jiān)控與管理等需求，利用開放性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)適用于大部分冶煉廠電氣管理，從而大大提升冶煉廠電氣系統(tǒng)運(yùn)行、管理水平。