煤倉存儲自動控制系統設計*

袁春靜，柴永生

（1.煙臺理工學院，山東 煙臺264005；2.煙臺大學，山東 煙臺264005）

輸煤自動化程度的高低關系企業的生產效率和成本，隨著計算機和PLC技術的應用和推廣，輸煤系統自動化程度也越來越高。在設計自動控制系統時候，除了要考慮正常的生產運行邏輯，還需要統籌兼顧煤的自燃可能性。

1 儲煤倉防自燃自動控制系統方案

1.1 煤自燃原因及防治措施

煤主要含有有機物和無機物兩種成分，主要的可燃元素是碳，其次是氫，并含少量氧、硫等物質，上述元素混合在一起就構成了可燃化合物。煤的氧化特性是煤發生自燃現象的主要原因。在常溫狀態下，煤炭中的碳、氫等元素在合適的化學條件下會發生一系列的氧化反應，生成一氧化碳、甲烷及其他烷烴物質，這些物質燃點都比較低。同時，在這一反應過程中，又會產生大量的熱量，如果周圍散熱條件不好，熱量揮發不夠及時，煤堆的溫度就會在短時間內提高，過高的溫度對煤的氧化過程又產生促進作用，從而會出現越來越多的可燃化合物和熱量。如果溫度上升到可燃物的燃點時，就會發生自燃現象[1]。

可以采取如下措施降低煤自燃發生的幾率：（1）合理安排儲煤場位置。儲煤場一般設置在寬敞、背陽光的地方，同時要注意遠離高溫熱源。（2）正確安排貯煤時間。貯煤時間的長短直接影響氧化程度的高低。（3）將煤分層壓實，尤其是堆邊大塊部分壓實，這樣可以排出煤堆空隙中的一部分空氣，減少煤與氧氣的接觸。（4）使煤堆水分含量保持在安全范圍內。根據分析，煤在發生自燃現象前的含水量為5%～8%，而煤的臨界安全含水量大約是12%。（5）煤在發生自燃時還伴隨著CO濃度的升高，因此可以在系統中增加CO檢測裝置，當濃度值達到一定數值可以及時報警并啟動淋水輔助裝置。

1.2 防自燃控制系統方案

圖1所示為大型儲煤倉防自燃所需檢測裝置：（1）煤層高度范圍內，沿擋煤墻每隔1.5m在防火磚及隔熱層內安裝測溫光纖。其主要的目的是隨時監測煤的溫度，當其某處溫度突然升高≥5℃時，認為該處為異常現象，煤場應自動采用噴水進行降溫。（2）在煤倉內放置CO檢測儀檢測CO濃度來判斷是否自燃，并采取處理措施。（3）煤倉頂部設置監控攝像頭，全天候對煤倉進行監視，如有問題及時處理。

圖1 大型儲煤倉檢測裝置

處理流程如圖2所示。當測溫光纖、CO檢測儀及監控攝像頭中只要有一個傳感器報警，即刻啟動噴水系統，噴水達到設定次數后，如還有異常，轉為人工干預，即用取煤機把溫度升高的上煤層迅速取出，然后再重新啟動噴水系統對自燃煤層進行降溫處理，直至所有傳感器無報警信號為止。

圖2 處理流程圖

2 儲煤倉輸煤自動控制系統方案設計

輸煤控制系統是火電廠整個控制系統中的主要組成部分，是發電機組燃煤的供給保障。輸煤系統的性能直接決定輸送給發電系統燃料的優劣好壞，從而影響整個發電工廠的發電能耗和效率。早期的控制系統一般采用繼電器接觸器控制，這種方式結構簡單，安裝方便，但是故障率高，維修成本高。后期隨著計算機技術的發展，出現了PLC控制技術，新技術的出現極大地提高了系統的穩定性和可靠性[1]。近些年來，現場總線技術的出現，使得控制系統的功能更加豐富。輸煤系統的設備數量多，類型復雜，外界因素的干擾和內部系統結構對整個生產過程的影響比較大。系統運行時控制流程復雜，需要完成的動作和指令眾多，因此在設計開發系統時必須整體考慮軟件和硬件的配置以及器件的兼容性。一般的控制系統按照控制功能可以分為四個部分：卸煤系統、堆煤系統、上煤系統及配煤系統。其中卸煤和堆煤一般統稱為儲煤系統，這一部分相對比較獨立。

由于電廠在運行過程中有可能受到意外因素的干擾而出現非正常形式的停產，這會給企業帶來重大的經濟損失，為了盡最大可能保障生產安全持續穩定運行，發電廠在采購數量上一般都會留有余量，可以根據滿足電廠滿負荷運行需要的數量，再考慮一定的安全系數，一般安全系數為10-20左右。多余的燃煤通過卸堆煤設備輸送到各種形式的儲煤倉。

上煤系統將煤場存煤通過皮帶運輸機，轉運塔送到煤倉。根據《火力發電廠及變電站設計防火規范》GB50229-2006，在上煤過程中必須安裝明火檢測裝置，因此可以通過熱紅外成像裝置對整個輸送過程進行監控，保障生產安全運行。

配煤系統是整個系統最核心的部分，包含的設備數量多，種類復雜，動作頻繁，直接關系系統的穩定運行。性能完善的配煤系統可以提供滿足要求的燃料，根據要求將燃煤輸送到煤倉里，同時按照系統設定的順序和控制流程，實現不同煤倉的合理配送[2]。

本項目輸煤控制系統采用工控計算機+PLC的控制方式，操作人員通過計算機進行指令下達和傳遞，PLC控制系統按照存儲的軟件程序對各種設備進行操作，并將操作結果及時反饋給工控計算機，實現閉環控制。主要功能包括以下幾個方面：監視報警功能、語音功能、煤量統計、順序控制功能、生產管理功能、實現程序聯鎖、自動加倉上煤功能等多種功能。

2.1 輸煤控制系統總體設計

輸煤控制系統是由PLC構成的一個分布式控制系統，系統網絡包括EtherNet/IP、ControlNet和DeviceNet等。PLC主站和遠程I/O站采集皮帶機的運行信息，與斗輪機PLC等設備之間通過ControlNet通信實現數據交換。PLC主站、遠程I/O站與取樣系統、集塵系統等設備通過DeviceNet通訊進行控制。

為了減少控制器出現故障對生產過程產生的影響，PLC與上位機之間的通信采用冗余的EtherNet/IP網絡系統，設置2臺操作員站+2臺工程師站的工作模式。當主控制器出現故障時，從控制器立即啟動，從而保證生產持續穩定運行。如圖3所示為輸煤控制系統總體框架圖。

圖3 輸煤控制系統總體框架圖

2.2 配煤

配煤流程如圖4所示。系統在加煤過程中主程序遵循順序加煤程序，在中斷程序設置有超低煤位加煤子程序和低煤位加煤子程序。加倉開始，先檢測超低煤位傳感器和低煤位傳感器信號是否有輸入，如果有，系統就執行中斷子程序，其中超低煤位中斷優先級要大于低煤位中斷優先級。當所有的超低煤位和低煤位信號消失，然后繼續執行主程序，主程序按照順序配煤的原則對所有煤倉配煤。在配煤過程中，系統如果接收到某個煤倉高煤位傳感器信號以后，自動停止對該煤倉的加煤操作，按照設定順序轉到下一個煤倉進行配煤。一直到檢測發現所有煤倉高煤位傳感器信號，系統會停止主程序執行，轉入平均分配子程序，將皮帶上沒有加倉的煤按照煤倉容量成比例分配給各煤倉。在整個過程中，如果檢測到某個倉的滿倉信號，則停止對該煤倉加煤，并將該煤倉沒有加完的煤輸送到相鄰煤倉繼續進行加煤操作[3]。

圖4 配煤流程圖

在順序配煤過程中，可以將暫時不用的煤倉設置為檢修倉。在配煤過程中系統可以自動跳過滿倉、高煤位倉及檢修倉。

3 輸煤監控系統設計

目前，在國內市場上的大型自動化系統組態軟件按照廠商可以分為三類，國外專業軟件廠家提供的產品，國外系統廠商提供的產品，以及國內企業自主開發的產品。而在輸煤控制系統中最常用的組態軟件有西門子的WinCC、萬維的InTouch、羅克韋爾的RSView、GE的iFix等。本系統采用的iFix是GE公司系列軟件中的一員，它為用戶提供一種基于Windows操作系統的現代化流水線解決方案。采用iCore為基礎，同時嵌入VBA語言，可以同時兼容OPC、COM、ActiveX等主流控件，能夠完成數據采集、數據管理、在線配置、過程監控、實時報警、用戶安全、實時曲線、任務控制等多項功能。

4 結束語

（1）整個生產過程采用現場無人值守全自動化控制，在工作過程中可以通過遠程實時監控對堆取煤過程進行全方面監控，保證了工作人員安全，消除了重大安全事故隱患。同時增加人工本地控制的策略，提高了系統的靈活性和可靠性。

（2）本方案采用雙車并行的工作機制，在保證設備安全可靠運行的同時，還提高了設備的備用系數，為煤倉的高效可靠運行提供了安全保障。