大型煤化工項目輸煤程控系統的優化

祁立賓，王 珺，卓 狀，劉 宇，謝 麗

（航天長征化學工程股份有限公司 電控室，北京 101111）

0 引言

隨著國內煤化工行業的迅速發展，大型煤化工項目逐漸增加，輸煤系統的規模也隨之上升，因而對其控制方式、運行穩定的要求越來越高。對于以往小規模的輸煤系統，常采用從現場設備到控制室的硬接線方案，但對于大型煤化工項目，因現場設備布置比較分散、數量較多且離控制室較遠，若仍采用以往設計方案，會導致控制電纜需求量增多、成本增加，對設計、排查故障帶來麻煩，而且會影響系統的穩定運行。因此，經過分析輸煤程控系統的特點和研究西門子產品的功能，提出了采用西門子遠程I/O 站的解決方案，并通過項目實例對兩種方案進行了對比，可以看出新方案具有成本低、設計簡便和可靠性高的優勢，便于今后在大型煤化工項目輸煤程控系統的推廣應用。

1 輸煤系統的概況

煤化工項目中的輸煤系統包括原/燃料煤貯存和輸送，一般通過汽車或火車將煤運到卸煤地槽，再經過多個轉運站、破碎樓、配煤筒倉等裝置，實現原/燃料煤的貯存和輸送，為鍋爐煤倉間提供燃料煤和氣化煤倉間提供原料煤。主要設備有帶式輸送機、破碎機、犁式卸料器、三/四通換向閥、帶式除鐵器、皮帶除塵器等設備。輸煤系統具有組成設備多且位置分散、設備間聯鎖關系強、設備運行環境惡劣、安全性及可靠性要求高等特點。

2 以往的設計方案

輸煤程控系統主要是通過控制室中的PLC 實現全部信號的采集檢測、運算管理和控制輸出[1]，以往的設計均將操作站、PLC 和I/0 模塊集中布置在控制室內，現場設備的狀態和控制信號都需要通過控制電纜傳輸到集中的I/O 模塊，數據通訊線不出控制室，如圖1 輸煤程控系統的以往設計方案所示。

以往設計方案存在很多的缺點，主要體現在以下幾方面：

1）當輸煤系統裝置較多、現場設備比較分散，而且離控制室內的PLC 較遠時，導致控制電纜的需求量增加，相應的電纜成本會很高。同時，人工敷設的費用也會增加。

2）從圖1 可以看出，當控制電纜數量多時，就需要吊裝很多橋架。但輸煤裝置區內空間有限，除了必需的輸煤設備，還有暖通的風管和給排水的水管，經常會造成風管、水管與橋架碰撞的情況，給設計帶來很多的麻煩。

3）控制電纜與動力電纜放置在同一個橋架內敷設，這樣往往會導致控制信號受到動力電纜的電磁干擾而出現設備的誤動作，使程控系統可靠性降低。另外，也不利于動力電纜散熱和用戶排查故障。

3 新的設計方案

針對上述問題，在分析輸煤程控系統的特點和研究西門子產品功能的基礎上，提出一個理想的解決方案，即采用遠程I/O 站[2,3]。遠程I/O 站是具有通信功能的數據采集/傳送模塊，自身沒有控制調節功能，只是將現場數據送到控制中心（比如PLC），或者接受控制中心的數據，對現場設備進行控制。圖2 為采用遠程I/O 模塊的控制示意圖（以西門子模塊為例）。

從圖2 可以分析出其具有的優點，主要體現在以下幾方面：

1）遠程I/O 模塊可以分散地布置在輸煤系統的現場設備附近，利用具有高速數據傳輸能力的PROFIBUS DP（開放總線系統），通過雙重光纖回路將PLC 系統的CPU和遠程I/O 模塊連通，從而確保兩者之間穩定順暢地進行通訊[4]，從而減少控制電纜的數量。

圖1 輸煤程控系統的以往設計方案Fig.1 The previous design scheme of coal conveying program control system

2）采用光纖通訊，光纖傳輸頻帶寬、通信容量大、中繼距離長；光纖線徑細、重量輕，便于傳輸和敷設，節省金屬材料；光纖絕緣、抗電磁干擾性能強，還具有抗腐蝕能力強、抗輻射能力強、可繞性好、無電火花等優點[5]，可減少橋架數量，提高控制系統的穩定性和測量精度，減少模塊的損壞率。

3）具有系統擴展容易，便于分期投資、建設的特點。

4 方案對比

以昊源煤化工項目作為應用實例對兩種方案作對比。該項目輸煤系統一共有8 個轉運站，6 個配煤筒倉，1 個破碎樓、1 個卸煤地槽、1 個鍋爐煤倉間和1 個氣化煤倉間。經統計，裝置區內的設備一共有1722 個點信號（包括1095 個DI、392 個DO、217 個AI、18 個AO），其中最遠設備離控制室600m。

表1 配置表Table 1 Configuration table

最初設計是將I/O 模塊集中布置在控制室，因裝置區設備太分散而且數量過多，經過統計設備所需的控制電纜，發現其長度和數量大大超出預期，而且也導致橋架內無法敷設這么多的電纜。同時，該項目還有二期，包含6 個配煤筒倉。為了節省控制電纜，減少敷設工作量，便于控制系統的擴展，對原有設計進行了優化而采用遠程I/O 站的方案。新方案結合設備分布和橋架的布置情況，分別在4#轉運站、破碎樓和筒倉3 個位置設置了1 個遠程I/O 站，并預留了二期I/O 站接口。

以下按項目使用的西門子PLC 系統，對兩種方案在配置和費用兩方面進行對比，分別見表1、表2。

1）配置

2）費用

按照用戶采購設備清單的價格可以得到不同配置的兩種方案所需費用。經過統計，兩方案相差的控制電纜費用如表2。

方案二增加的費用主要是防爆I/O 柜、電源柜、光纖交換機、光纖和輔料等設備的費用，按照廠家提供的價格清單計算，設備費用總計20.3 萬元。

表2 電纜長度和費用表Table 2 Cable length and cost table

因此，兩種方案的費用相差166.54 萬元，可見采用方案二能節省一筆不菲的費用。需要指出的是此項目部分裝置未采用遠程I/O 站，同時，考慮二期全部采用遠程I/O 站的方案，可以預估，如果該項目都采用方案二的設計，帶來的經濟效益將更加可觀。

5 結束語

在煤化工項目規模逐漸大型化后，輸煤系統要求實現可靠的控制和穩定的運行目標，就要優化以往的設計方案。因此，本文提出應用遠程I/O 站的新方案，通過對兩方案的介紹及在項目應用實例中的對比，可以看出新方案能很好地解決以往設計存在的問題，同時具有節省電纜，降低成本、設計簡便、可靠性高和便于擴展的優勢。因此，可在今后大型煤化工項目輸煤系統中推廣應用。