火電廠輸煤程控系統(tǒng)軟件優(yōu)化

［摘 要］基于輸煤系統(tǒng)中各設(shè)備遠(yuǎn)程控制防護(hù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測的運(yùn)行需求及智慧燃料的發(fā)展趨勢，保證網(wǎng)絡(luò)通訊的可靠性、軟件控制的穩(wěn)定性成為了輸煤系統(tǒng)安全生產(chǎn)的核心。文章通過分析現(xiàn)階段輸煤程控系統(tǒng)的PLC 應(yīng)用現(xiàn)狀，綜合現(xiàn)階段組態(tài)、遠(yuǎn)程站、程序控制邏輯、電纜敷設(shè)等軟件技術(shù)與設(shè)備選取，提出對輸煤程控系統(tǒng)的升級改造，以實現(xiàn)火電廠輸煤進(jìn)程安全可靠的運(yùn)行目標(biāo)，為智慧燃料系統(tǒng)提供設(shè)備基礎(chǔ)。

［關(guān)鍵詞］火電廠；輸煤系統(tǒng)；程控優(yōu)化

［中圖分類號］TM621.6 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）01–0112–03

火電廠輸煤系統(tǒng)承載著燃煤由入廠到入爐的全流程管控，包含燃煤接卸、燃煤輸送、燃煤堆取及燃煤摻配等流程，涉及翻車機(jī)、犁煤器、滾筒篩、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、斗輪機(jī)等設(shè)備。該系統(tǒng)的設(shè)備種類多、分布范圍廣、工藝流程復(fù)雜，因此其長期穩(wěn)定運(yùn)行和智能化控制是影響發(fā)電機(jī)組高效率、穩(wěn)生產(chǎn)的關(guān)鍵。鑒于輸煤系統(tǒng)的工作環(huán)境粉塵濃度高、噪聲大、設(shè)備運(yùn)行頻率高等因素，操作人員無法長時間在此完成工作，而其故障點又較多，經(jīng)常會出現(xiàn)皮帶的偏移、打滑、撕裂，碎煤機(jī)的超溫超振，篩煤機(jī)的堵煤，斗輪機(jī)的運(yùn)行不到位等情況，因此電廠常多采用PLC 控制系統(tǒng)完成各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控，同時完成各信號聯(lián)鎖動作的自動化運(yùn)行，以保證輸煤系統(tǒng)生產(chǎn)過程的安全穩(wěn)定性，同時提高設(shè)備的運(yùn)行效率[1]。

PLC 控制系統(tǒng)由設(shè)備層、信息層及管控層這3 層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成[2]，其中設(shè)備層為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的底層，為現(xiàn)場總線網(wǎng)，主要完成現(xiàn)場設(shè)備與控制系統(tǒng)的連接，其通過現(xiàn)場運(yùn)行裝置上安裝的檢測元器件、聯(lián)鎖驅(qū)動設(shè)備、報警設(shè)備及信號反饋傳輸設(shè)備完成檢測信號的測量采集和控制指令的執(zhí)行；信息層是網(wǎng)路結(jié)構(gòu)的中間層，負(fù)責(zé)各設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行過程的監(jiān)控、協(xié)調(diào)及優(yōu)化，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有效收集和可視化展示；管控層為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的頂層，旨在進(jìn)行管理與決策，完成設(shè)備層傳輸來的信息數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理，并根據(jù)現(xiàn)場信息完成相應(yīng)執(zhí)行工單指令的下發(fā)，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的自動化運(yùn)行和可視化控制。

PLC 控制系統(tǒng)雖可滿足輸煤系統(tǒng)的運(yùn)行要求，但其初期應(yīng)用對自動化程度和電纜敷設(shè)規(guī)范性的要求不高，且隨著系統(tǒng)的長時間運(yùn)行，經(jīng)常會出現(xiàn)設(shè)備異常跳閘與故障。因此，為改善輸煤系統(tǒng)的信號干擾、中斷、異常現(xiàn)象，保證輸煤系統(tǒng)的全流程、自動化運(yùn)行目標(biāo)的實現(xiàn)，將廠內(nèi)原控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，并選取更為安全可靠的DCS 系統(tǒng)（分散控制系統(tǒng)），為智慧燃料的發(fā)展提供設(shè)備和運(yùn)行基礎(chǔ)。

1 現(xiàn)場概況

現(xiàn)階段，德州電廠廠內(nèi)由PLC 控制系統(tǒng)控制的設(shè)備包含多套皮帶、翻車機(jī)、堆取料斗輪機(jī)、入廠入爐煤的取樣器、實物校驗及煤水系統(tǒng)等主輔設(shè)備，但該程控系統(tǒng)和現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行時間均較長，且現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境惡劣，翻車機(jī)、筒倉及個別皮帶設(shè)備的遠(yuǎn)程站防護(hù)等級低，電子元件老化，設(shè)備運(yùn)行過程中故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響了輸煤系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。

與此同時，廠內(nèi)早期機(jī)組進(jìn)行輸煤皮帶系統(tǒng)的動控電纜敷設(shè)時未采取分層操作，造成較多的強(qiáng)電信號與弱電信號集中于同一電纜，且電纜多數(shù)為鋁芯電纜，未進(jìn)行更換，絕緣老化嚴(yán)重，部分電纜還敷設(shè)在電纜溝內(nèi)，存在嚴(yán)重的安全隱患。此外，部分輸煤系統(tǒng)各設(shè)備的動控電纜進(jìn)行敷設(shè)時使用的是基建時調(diào)撥的閑置、非阻燃電纜，近年來也頻繁出現(xiàn)了電纜接地、短路故障等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅著機(jī)組的上煤和配煤流程的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

除上述電子元件老化、電纜問題引發(fā)的控制故障外，輸煤系統(tǒng)中有關(guān)皮帶的跑偏、打滑、堵煤，筒倉/ 原煤倉的料位及煤場測溫等檢測元器件受安裝時技術(shù)的限制和現(xiàn)階段信號傳輸?shù)闹萍s，出現(xiàn)了局部動作不可靠的現(xiàn)象。該現(xiàn)象的發(fā)生不僅反應(yīng)了檢測元器件安裝位置與運(yùn)行機(jī)理無法滿足運(yùn)行需求，也反應(yīng)了信號傳輸過程可能存在干擾源或潛在中斷故障，其動作的中斷與滯后已無法滿足智能化的發(fā)展需求，因此需進(jìn)行系統(tǒng)的故障分析與優(yōu)化。

2 現(xiàn)狀分析

PLC 控制系統(tǒng)故障分為自身故障和非自身故障兩種，其中自身故障主要是因外圍電路元器件損壞、端子接線接觸不良及PLC 控制系統(tǒng)受到環(huán)境干擾而引發(fā)的功能性故障，該故障一般可通過加設(shè)屏蔽、抗噪、接地保護(hù)等設(shè)備措施得以改善，其在輸煤系統(tǒng)的故障率中占比約為1%，概率較低；而非自身故障是指與PLC 控制系統(tǒng)連接的檢測元器件、動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)及運(yùn)行傳感器等硬件裝置發(fā)生的故障，該故障多為信號故障，因輸煤系統(tǒng)具備皮帶跑偏、撕裂、堵塞、速度等不同檢測，同時其他設(shè)備的狀態(tài)檢測點較多，因此該故障率占比為99% 左右，為重點防護(hù)方向。針對現(xiàn)場硬件設(shè)備的局部動作不可靠、PLC 控制系統(tǒng)的電子元件老化及電纜敷設(shè)方式的現(xiàn)狀，對輸煤系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測與動作控制進(jìn)行分析，具體如下。

（1）干擾源。因部分動控電纜進(jìn)行敷設(shè)時未采取分層操作，造成較多的強(qiáng)電信號與弱電信號集中于同一電纜，該強(qiáng)電線與弱電線平行敷設(shè)的情況增加了產(chǎn)生干擾諧波的風(fēng)險，影響了信號的穩(wěn)定傳輸，可能會導(dǎo)致現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)信號無法準(zhǔn)確完整地傳輸，進(jìn)而導(dǎo)致PLC 控制系統(tǒng)下發(fā)的指令不符合現(xiàn)場運(yùn)行需求；同時因電纜的多年使用，絕緣老化，可能出現(xiàn)了絕緣層部分破裂損傷，造成強(qiáng)電信號引入弱電設(shè)備現(xiàn)象的發(fā)生，進(jìn)而引發(fā)現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)男畔⑹д妫琍LC 控制系統(tǒng)指令失誤，導(dǎo)致現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動作或動作延遲問題，該損傷嚴(yán)重時還會造成弱電設(shè)備的損壞，甚至發(fā)生火災(zāi)等危險。

（2）傳輸距離。因輸煤系統(tǒng)的各設(shè)備分布較為廣泛，存在設(shè)備與PLC 控制系統(tǒng)的輸入模塊間距較遠(yuǎn)，需通過敷設(shè)較長的電纜進(jìn)行連接的情況。該長距離電纜敷設(shè)易造成較大的阻抗和較低的動作功率，且電纜長度與信號衰減成正比，會直接導(dǎo)致音頻信號的衰減，圖像信號的信噪比降低、亮度降低、圖像模糊及同步效果差等問題，反應(yīng)到現(xiàn)場運(yùn)行則體現(xiàn)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作滯后或不反應(yīng)。同時，電纜的各導(dǎo)線間均存在電容，而線纜的容抗決定了傳輸信號的頻率范圍，當(dāng)電纜長度較長時就會導(dǎo)致電容值超過規(guī)定范圍，造成信號的高頻段損失，進(jìn)而引發(fā)PLC 的誤動作，造成現(xiàn)場設(shè)備的誤操作。

（3）接地屏蔽。在PLC 控制系統(tǒng)中，可能會因電磁造成信號干擾，引發(fā)電網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電壓與感應(yīng)電流，進(jìn)而造成電源信號的擾動。還可能會因接地系統(tǒng)較為混亂，造成各接地點位的電位分布不均，形成電位差，并促使PLC 系統(tǒng)形成環(huán)路電流。該環(huán)路電流在短距離、小傳輸功率的條件下可保證輸煤系統(tǒng)的正常運(yùn)行，但在較長的電纜傳輸中易發(fā)生危險。同時輸煤系統(tǒng)中程控主站與子站的柜體設(shè)備具有接地電阻規(guī)范要求，其若不符合規(guī)范要求則易出現(xiàn)執(zhí)行部分動作時其他設(shè)備隨之聯(lián)停的現(xiàn)象，會對輸煤系統(tǒng)的正常生產(chǎn)運(yùn)行造成較大的影響。

（4）檢測設(shè)備。輸煤系統(tǒng)的PLC 程控旨在對現(xiàn)場的翻車機(jī)、帶式輸送機(jī)、斗輪機(jī)及筒倉/ 原煤倉等運(yùn)行設(shè)備與貯存裝置的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測控制，并在設(shè)備出現(xiàn)異常時完成控制指令的下發(fā)，促使相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動作，發(fā)生異常時完成報警與自動修復(fù)操作，緊急情況下完成停機(jī)操作，以免發(fā)生較為嚴(yán)重的事故，影響廠內(nèi)正常發(fā)電。其中，程控系統(tǒng)監(jiān)測控制的關(guān)鍵是現(xiàn)場檢測元器件能否完全準(zhǔn)確地測量狀態(tài)參數(shù)，即輸煤程控系統(tǒng)中的設(shè)備運(yùn)行的速度信號、皮帶跑偏信號、皮帶撕裂信號、煤流信號等數(shù)據(jù)信息能否得以及時獲取。若該檢測元器件不靈敏或測量偏差較大，則會直接影響PLC 程控系統(tǒng)的輸出指令，并影響輸煤系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，導(dǎo)致故障頻發(fā)，因此現(xiàn)場檢測設(shè)備尤為重要。

基于以上分析，需對現(xiàn)場檢測元器件進(jìn)行更換與增設(shè)，以保證檢測點的全面性和及時性，同時還需對PLC 程控系統(tǒng)及配套輔助系統(tǒng)進(jìn)行更新升級，以保證現(xiàn)場檢測信號傳輸、轉(zhuǎn)換、處理的完整性，進(jìn)而保證控制指令的準(zhǔn)確性，最終保證輸煤系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)改造

為解決輸煤系統(tǒng)中設(shè)備故障頻發(fā)問題，并滿足輸煤系統(tǒng)燃煤輸送和機(jī)組配煤的穩(wěn)定運(yùn)行要求，現(xiàn)通過更換現(xiàn)場檢測元器件，部分位置進(jìn)行設(shè)備的增設(shè)，同時將原僅具備單網(wǎng)傳輸，且僅可通過數(shù)字量/ 模擬量的輸入與輸出完成各現(xiàn)場設(shè)備與生產(chǎn)運(yùn)行控制的PLC程控系統(tǒng)，更換為可依托網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信完成控制系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)間信息傳輸?shù)腄CS 系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)的更換可實現(xiàn)控制單元的冗余設(shè)置與無擾切換，且具備可擴(kuò)展接口。若控制系統(tǒng)需增設(shè)新任務(wù)或功能，則可直接進(jìn)行系統(tǒng)外接或擴(kuò)展，操作便捷，同時I/O 模塊帶有CPU，可對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行干擾剔除和標(biāo)量轉(zhuǎn)換，并包含故障帶電插拔的優(yōu)勢，可在不停機(jī)的情況下完成更換。

除進(jìn)行現(xiàn)場硬件設(shè)備和系統(tǒng)軟件控制更新升級外，還針對強(qiáng)電與弱電信號同電纜敷設(shè)、電纜構(gòu)件老化等問題進(jìn)行了相應(yīng)的電纜更換，同時配備了各種抗噪聲、抗干擾裝置及繼電器，且還將各設(shè)備運(yùn)行信號接入DCS 遠(yuǎn)程站系統(tǒng)SOE 卡件通道，以保證輸煤系統(tǒng)中各設(shè)備動作具備首出、歷史追憶及報警記錄等功能，為后期的檢修維護(hù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持，同時為輸煤系統(tǒng)的安全生產(chǎn)、設(shè)備的可靠運(yùn)行、智慧燃煤的發(fā)展應(yīng)用提供保障[5]。其具體改造如下。

（1）檢測元器件。為保證各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)得以準(zhǔn)確及時檢測，針對帶式輸送機(jī)的跑偏、打滑、堵塞等問題進(jìn)行跑偏開關(guān)、打滑開關(guān)及堵煤裝置的安裝，同時在皮帶兩側(cè)各段分設(shè)拉繩開關(guān)，以保證現(xiàn)場運(yùn)行人員針對緊急情況可完成手動制停。筒倉/ 原煤倉的料位檢測也通過非接觸式雷達(dá)料位計完成檢測，且為防止高粉塵濃度和錐形落料對檢測造成影響，進(jìn)行了氣動吹掃裝置和瞄準(zhǔn)器的配置，以對雷達(dá)波的傳輸路徑進(jìn)行定時清掃和錐形料堆的識別，保證料位的準(zhǔn)確測量。上述設(shè)備更換安裝后進(jìn)行電纜的連接，實現(xiàn)與控制系統(tǒng)間通訊。

（2）DCS 遠(yuǎn)程站系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)易于組態(tài)、方便使用、具有可擴(kuò)展性，同時需具備冗余配置，保證系統(tǒng)中任意組態(tài)組件發(fā)生異常故障時，可完成自動無擾切換，不影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行。還需包含診斷至通道級的自診斷功能和數(shù)據(jù)儲存功能，保證故障的快速查找與維修。

（3）遠(yuǎn)程I/O 網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)程I/O 網(wǎng)絡(luò)是通過以太網(wǎng)或TCP 進(jìn)行I/O 狀態(tài)信息傳輸?shù)姆?wù)，其主要通過現(xiàn)場總線完成與DCS 的連接，用于解決現(xiàn)場設(shè)備與總線相連需統(tǒng)一總線接口的問題。當(dāng)其檢測到I/O 值超過所設(shè)定的閾值時，則以毫秒的速度完成信息輸出。且為保證后期功能升級需其具備在線組態(tài)功能。

（4）DCS 遠(yuǎn)程站故障。該故障需遵循單一故障不影響輸煤系統(tǒng)的整體故障，且不會導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生動作失誤或動作停止的原則，以完成各控制功能的劃分。針對某區(qū)域故障僅降低控制系統(tǒng)部分功能且可通過人員干預(yù)修復(fù)，且安全保護(hù)系統(tǒng)具備冗余通道，可實現(xiàn)測量的多重化和自檢試驗等操作。

（5）控制回路運(yùn)行順序。控制回路應(yīng)遵循保護(hù)、聯(lián)鎖、控制優(yōu)先原則，即當(dāng)模擬量、順序控制、保護(hù)聯(lián)鎖控制及單獨(dú)操作同時作用于某一對象時，控制指令以保護(hù)聯(lián)鎖控制為最高優(yōu)先級，之后依次為單獨(dú)操作、模擬量及順序控制。而當(dāng)模擬量、順序控制及保護(hù)聯(lián)鎖控制共用某一開關(guān)量信號時，該信號則優(yōu)先輸送至保護(hù)聯(lián)鎖控制回路，而后輸送于模擬量、順序控制回路，以滿足系統(tǒng)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定安全可靠性要求。

（6）接地抗干擾。為防止電纜接地后環(huán)路電流的產(chǎn)生，該系統(tǒng)的各機(jī)柜應(yīng)具備獨(dú)立的安全地、信號參考地、屏蔽地及相應(yīng)接地銅排，通過采用金屬鎧裝的電纜削減電磁干擾，增加電纜機(jī)械強(qiáng)度。且為保證信號的穩(wěn)定傳輸，系統(tǒng)采用光電隔離、高共模抑制比及合理的接地與屏蔽等技術(shù)，保證系統(tǒng)在電子噪聲、射頻干擾及較大振動的環(huán)境下，系統(tǒng)性能不降低，信號穩(wěn)定傳輸，進(jìn)而保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（7）組態(tài)與邏輯。組態(tài)主要用于對現(xiàn)場數(shù)據(jù)完成采集，對實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)完成處理，若檢測數(shù)據(jù)異常則進(jìn)行報警，并完成流程控制。其整個檢測過程可實時進(jìn)行動畫顯示、數(shù)據(jù)曲線顯示與報表輸出等工作，該系統(tǒng)的順序控制邏輯組態(tài)在本系統(tǒng)中完成，且以邏輯圖或梯形圖格式完成組態(tài)，并可在工程師站上按指令要求，以圖形的方式打印出已組態(tài)的邏輯。

4 結(jié)束語

火電廠輸煤系統(tǒng)承載著廠內(nèi)燃煤接卸、輸送、堆取、摻配及貯存等一系列任務(wù)，其任務(wù)的執(zhí)行由檢測元器件的及時檢測、檢測信號的穩(wěn)定傳輸及運(yùn)行指令的精確輸出決定。現(xiàn)因電廠原有PLC 控制系統(tǒng)和電纜電線的自身技術(shù)特性限制、老化、故障頻繁等問題無法保證現(xiàn)場檢測信號的完整及時傳輸，常引發(fā)現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動作或不動作，為改善該問題采取現(xiàn)場檢測設(shè)備更換、PLC 控制系統(tǒng)升級改造、電纜強(qiáng)弱電分開敷設(shè)及降噪抗干擾等措施，以提高現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行的可靠性，同時為智慧燃煤的應(yīng)用提供基礎(chǔ)保障。

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