火力發電廠長距離輸渣控制系統設計與應用研究

侯春海，楊志，張晶，王鑫，蔡健，趙春朋

（北京國電富通科技發展有限責任公司，北京 100070）

長距離輸渣系統具有輸送能力大、結構簡單、運行平穩、可靠、物料輸送連續均勻、維修方便、而且便于實現自動控制和遠程控制等方面的優點。因而在火力發電廠輸渣系統能夠得到廣泛的應用。以某電廠2×350MW 機組為例，每年產生的爐渣量為28.35 萬t。一年產生的渣量還是比較大的，目前，1#、2#爐常年還是以車輛運輸的方式對渣進行運輸，消耗大量的人力、物力和財力。同時，車輛運輸的方式對周邊的環境造成了很大的影響。該發電廠屬于新建電廠，無論廠區內和廠外周邊環境都是非常好的，為了解決爐渣運輸環境和系統安全問題，采用了使用長距離輸渣的方式來替代車輛運輸的方式。

1 輸渣系統設計說明

目前，該發電廠輸渣系統的輸送機一共分為兩種。

（1）普通皮帶機，應用在此項目的1#大傾角區域、2#渣庫區域、3#皮帶機區域。普通皮帶機是一種靠摩擦驅動連續方式運輸物料的機械，主要由機架、輸送皮帶、托輥、滾筒、傳動裝置等組成。普通皮帶機屬于常規的輸送物料的運輸工具。

（2）管帶機，應用在此項目的DG200 管帶機區域和DG250 管帶機區域。管帶機是日本JPC 公司于1964年最先提出理念，并經過該公司十幾年的試驗研究，才得以成功制造。

我國于20 世紀90 年代引進并逐步推廣應用。它的頭部、尾部、受料點等位置結構和普通皮帶機基本相同。管帶機適用于卸料點至電廠之間的運輸距離較遠，地形復雜或者需要跨鐵路、河流、溝渠等情況。但要求物料不應大于管徑的1/3。管帶機輸渣具有全封閉運輸、不易撒漏爐渣，安全可靠，高效環保等優點。

1.1 輸渣系統的工藝流程

1#爐渣庫庫底現有2 套雙軸加濕攪拌機散裝設備，庫頂已有1 臺小布袋收塵器?，F通過技改，保留1 套雙軸加濕攪拌機散裝系統，利用取消加濕攪拌系統后卸料口作為皮帶輸送卸料口，設置手動閘閥、氣動閘閥及振動給料機，卸料后的爐渣進入1#大傾角皮帶機，該皮帶機通過密封鋼廊道向東南送至轉運點，倒運至1 條長度約180m DG200 管帶機，該管帶機廊道支撐在現有汽機房14.4m 平面頂部，再倒運至1 條長度約813m DG250管帶機后，由3#皮帶機送至3#爐渣鋼板庫頂，庫頂預留后期倒運至4#爐渣鋼板庫空間。

2#爐渣庫的技改方式和1#爐渣庫相同，庫內爐渣經手動閘閥、氣動閘閥及振動給料機，卸料至2#渣庫皮帶機后，倒運至長度約810m DG250 管帶機，和1#爐渣庫爐渣一起通過3#皮帶機輸送井3#爐渣鋼板庫。為了避免各個轉運點輸渣出現揚塵的現象發生，在每個轉運點和卸料處均配置相應的除塵器設備。

一旦發生事故檢修狀態時，1#、2#渣庫爐渣通過汽車運輸至4#轉運站渣斗，再通過振動給料機、斗提機、輸渣4#轉運站電動三通、3#皮帶機輸送到3#鋼板庫（預留至4#鋼板庫條件）。

輸渣系統流程圖如圖1 所示。

圖1 輸渣系統流程圖

1.2 輸渣系統的驅動方式

1#大傾角皮帶機（電機額定功率：18.5kW）、2#渣庫皮帶機(電機額定功率：7.5kW)、DG200 管帶機(電機額定功率：45kW)、3#皮帶機(電機額定功率：11kW)由于輸送距離短，采用以電機頭部工頻驅動的方式輸出驅動運行。DG250 管帶機輸送距離為813m，輸送距離比較長，采用以電機頭部變頻的方式輸出驅動。充分考慮電機功率，重載啟動等因素，選用額定功率為185kW 的變頻電機進行驅動運行。

2 控制系統設計

該控制系統的設計是以經濟實用性、安全可靠性、技術先進性等原則進行網絡配置。某電廠2×350MW 機組全廠控制系統為艾默生DCS 控制系統。以OVATION DEVELOPER STUDIO 為開發軟件對PLC 進行控制。該DCS系統具有提供畫面工具種類齊全，功能強大，編寫程序容易，程序易讀寫等特點。以DCS 為控制主站通過以太網光纖的通訊方式與通過MODBUS TCP 進行通訊連接。輸渣控制系統組態圖如圖2 所示。

圖2 輸渣控制系統組態圖

2.1 控制系統的硬件設計

2.1.1 控制站配置

目前，除渣系統總體布置了5 條皮帶。依據皮帶機的相關技術參數，結合生產實際需要，在每條皮帶機的機頭附近配置了相應的電氣間，每個電氣間配置有電源柜、檢修電源柜、電機控制柜和PLC 通訊柜，電機控制柜和PLC 通訊柜能夠對每條皮帶機實現就地控制和遠程控制。包含斗提機區域一共設計6 個PLC 通訊柜通過以太網光纖的通訊方式與DCS 系統進行通訊連接。

PLC 使用西門子S7-200 SMART 系列微型可編程控制器。CPU 為SR60 模塊，S7-200 SMART 結構緊湊、組態靈活等特點。CPU 控制器自帶36 個DI 數字量輸入，24 個的DO 數字量輸出。完全可以滿足對每條皮帶機的遠程控制和保護控制的功能需要。通過擴展相關的模擬量輸入和模擬量輸出模塊就可實現對主電機電流和變頻電機的頻率的采集和遠程調速功能。CPU 標配以太網接口，支持PROFINET、TCP、UDP、MODBUS TCP 等多種工業以太網通訊協議。S7-200 SMART 還支持多臺PLC 之間以太網通信功能：支持8 個主動和8 個被動PUT/GET 的網絡連接。目前，5 條皮帶機之間通過此功能進行皮帶機之間聯鎖設置。避免某段皮帶機一旦出現故障跳機，下游皮帶機沒有及時跳機而出現堆料的現象發生。每條皮帶機保護裝置單元可以通過CPU 控制器自帶的串口以RS485 的接線方式通過PROFINET 通訊協議將保護開關報警信息提供給DCS 系統。

采用S7-200 SMART PLC 作為從站控制單元，對主電機進行啟停、電機電流、變頻電機的頻率采集和控制。通過實際的調試證明該設計方案合理，抗干擾能力強，價格低，操作方便等特點，并達到預期的設計目的。

2.1.2 保護系統

除渣系統皮帶機保護裝置采用CANBUS 現場總線方式提供給PLC。保護裝置有拉繩開關、跑偏開關、堵料開關、縱向撕裂開關、皮帶速度檢測開關。這些保護開關都承擔著皮帶機整個系統的信號采集和報警任務。其采集和報警信號的正確性和靈敏度直接影響皮帶機監控系統的自動化運行。

每條皮帶機系統保護單元都安裝一臺綜保柜，綜保柜內有一個智能管理站，它可以管理拉繩開關、跑偏開關、堵料開關、縱向撕裂開關、皮帶速度檢測開關。智能管理站可以管理以上每種保護開關，智能管理站可以管理以上每種256 個設備，智能管理站可以管理容量為1530 個終端設備。通過PROFINET 標準設備通訊協議，可與PLC 自動化設備連接，進行數據交換。

所有保護開關內配置有地址模塊，拉繩開關和跑偏開關配有接線防護盒。整個保護開關由一條屏蔽雙絞線將所有現場總線開關串聯起來。通過CANBUS 現場總線將所有保護開關的在線數量和離線數量以及每個保護開關的狀態提供給智能管理站。

每條皮帶機配置的綜保柜一旦出現拉繩開關、跑偏開關、堵料開關、縱向撕裂開關、皮帶速度檢測開關任意一個報警信號，通過繼電器接點輸出實現緊急停機的保護功能。

智能管理站采用功能強大的高集成度的中央處理器，具有運算速度快、集成度高、維護簡單、故障率小、抗干擾能力強等特點。工作參數通過按鍵設置，使用、維護方便。設置的工作參數永久保存，可以防止掉電丟失數據，是自動化控制系統中理想的檢測儀表設備。

2.2 控制系統的軟件設計

2.2.1 控制方式

輸渣系統控制方式有以下3 種。

（1）DCS 系統遠程集中自動化運行（DCS 遠程方式）由DCS 控制系統發出指令給每個PLC（電機控制柜處于遠程狀態）自動按照系統工藝順序啟動運行、停止、完成整個系統的控制和檢測。

（2）DCS 系統遠程集中手動運行（遠程單機方式）由DCS 發出指令給PLC（電機控制柜處于遠程狀態）對每臺皮帶機和管帶機進行啟動、停機。

（3）單機手動運行（就地手動方式）人工控制PLC（電機控制柜處于就地狀態）用于檢修、試車等非正常狀態下調試。試運行完畢后，需要人工手動切換為遠程方式。

2.2.2 控制流程

輸渣系統控制流程一般要求如下。

（1）設備順序程控啟動時，首先，應發出啟動預警信號，并同時檢測各信號（繩開關、跑偏開關、堵料開關、縱向撕裂開關、皮帶速度檢測開關）是否正常。如果任一信號出現故障時，應能實現緊急停機。關于DG250 管帶機為變頻電機，啟動時需要制動器松開，同時管帶機啟動，管帶機啟動后需要保持在每4 秒升高1HZ 的加速度控制，直至達到整定運行頻率。

（2）正常停機，自動停機時需要每一段的皮帶機通過DCS 系統設置的延時時間將皮帶上的物料全部輸送完。關于DG250 管帶機需要保持每3s 減少1HZ 的減速度控制直到主電機停機且制動器抱閘。

（3）在皮帶機運行過程中，如果出現檢測信號故障（繩開關、跑偏開關、堵料開關、縱向撕裂開關、皮帶速度檢測開關）實現緊急停機。

（4）輸渣系統的主要功能是實現每條線路的皮帶機的啟動、停機的順序控制，以及當系統運行過程中出現故障時，進行故障設備的聯鎖安全控制。具有故障報警、故障顯示、記錄等功能。

3 上位機監控系統

3.1 上位機監控系統的配置

本工程使用分散控制系統（DCS）進行監視和控制。采用上海艾默生過程控制有限公司的OVATION3.6 分散控制系統，作為一個獨立控制系統接入控制室操作員站。該系統具有遠程監控、報表上傳、報表打印等功能。

在控制室內配置1 套工程師兼操作員站和2 套操作員站，監視生產線運行狀況。DCS 中將配置獨立的控制器，運行人員以DCS 的LCD 及鍵盤為中心，實現控制系統的啟停、正常運行工況的監視和調整、異常工況的報警和緊急事故工況的處理。提供的檢測儀表和控制設備應滿足DCS 對就地設備的監控，就地無人值守的全部功能。

3.2 上位機監控系統的功能

上位機監控系統是輸渣控制系統的核心單元，是輸渣系統的指揮管理中心和檢測中心，負責整個輸渣控制系統的實時監視、流程控制、單機調試等。它能迅速、準確、有效地完成對被控對象實時安全監測、實時流程控制和單機調試控制。實現數據采集和處理、輸渣控制系統實時動態運行屏幕顯示、事件順序記錄、事故處理與記錄、歷史數據記錄、系統設備運行維護管理等功能。

上位機監控系統的工程師站主控層采用光纖以太網結構，保證了皮帶機控制系統主控級監控系統具有高可靠性、良好實時性和強抗干擾能力，能夠適應皮帶機的現場環境。

上位機監控系統主畫面包括對控制系統中主要設備的監控，驅動電機的工作狀態，DG200 和DG250 管帶機電機制動器情況、DG250 管帶機冷卻風扇的運行情況、皮帶拉繩信息、皮帶輕跑偏信息、皮帶重跑偏信息、皮帶堵料信息、皮帶撕裂信息、皮帶速度檢測信息以及啟動流程畫面信息、實時報警信息、每條皮帶電機運行電流、DG250 管帶機運行頻率、輸渣系統上位機控制方式選擇等控制功能。電廠運行操作人員可以對輸渣系統的運行進行實時監視，也可以通過點擊不同的菜單按鈕對其他的監控畫面進行切換、查看設備運行狀態等畫面操作功能。

4 結語

目前，該發電廠長距離輸渣系統已經正常投入使用。節約了爐渣的處置費用，同時還治理了1#、2#渣庫區域的揚塵現象，滿足了現場環保的要求，提高了現場文明生產水平，提高了生產效率，節約了資源，給電廠帶來了非?？捎^的經濟效益，保障了電廠渣系統可靠穩定的運行。長距離輸渣系統具有十分廣闊的應用前景。