歐旭劍

(廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角A電廠，廣東 東莞 523936)

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基于可編程控制器的熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

歐旭劍

(廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角A電廠，廣東 東莞 523936)

以某企業(yè)循環(huán)水熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造為例，介紹了基于可編程控制器的熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)的需求分析及整體設(shè)計(jì)思路。

火力發(fā)電；熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)；可編程序控制器

在國家倡導(dǎo)節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境的形勢下，環(huán)保指標(biāo)的審核越來越嚴(yán)格。部分老電廠由于投入時(shí)間長，機(jī)組容量小，熱工控制系統(tǒng)落后，能耗和排放問題突出，所以如何提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能創(chuàng)效的目標(biāo)是老電廠亟待解決的問題。因此，為適應(yīng)電力市場發(fā)展的新形勢，老電廠必須進(jìn)行機(jī)組擴(kuò)容、設(shè)備規(guī)模升級(jí)等現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)化改造。而無論采取何種方式，熱工控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改造升級(jí)都是必不可少的。

本文通過研究如何使計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與熱工自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合，采用可編程序控制器(PLC)平臺(tái)，將沙角A電廠循環(huán)水設(shè)備分散的熱工控制系統(tǒng)整合為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)，進(jìn)行集中監(jiān)視與控制，促進(jìn)安全生產(chǎn)的健康發(fā)展。

1　現(xiàn)狀

沙角A電廠一、二期共5臺(tái)機(jī)組于20世紀(jì)80年代及90年代陸續(xù)投產(chǎn)。受當(dāng)時(shí)自動(dòng)化和投資水平的限制，電廠各輔助車間的控制均按車間集中控制的模式設(shè)置，運(yùn)行人員在集控室內(nèi)通過常規(guī)儀表盤柜對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與操作。循環(huán)水泵系統(tǒng)的控制采用常規(guī)儀表和大量的后備硬手操實(shí)現(xiàn)。這樣的模式存在如下缺點(diǎn)：設(shè)備經(jīng)過多年的使用，目前已經(jīng)陳舊、老化，有的還被淘汰，備品備件稀缺；由于系統(tǒng)采用常規(guī)儀表和繼電器接線，造成運(yùn)行人員操作監(jiān)視范圍大、勞動(dòng)強(qiáng)度大、控制系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備維護(hù)工作量大等問題，其自動(dòng)化水平不能適應(yīng)電廠運(yùn)行管理水平的要求；回路邏輯設(shè)計(jì)呆板，難以進(jìn)行后期優(yōu)化改造；系統(tǒng)自動(dòng)化程度低，運(yùn)行效率低。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)思路

采用帶液晶監(jiān)視器(LCD)顯示的上位機(jī)(工控機(jī))和PLC構(gòu)成的自動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)循環(huán)水工藝系統(tǒng)的控制。

每臺(tái)泵配置1套PLC設(shè)備(一、二期循環(huán)水泵12臺(tái))，通過對PLC進(jìn)行程序組態(tài)、邏輯優(yōu)化、參數(shù)修正后，使其對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)輸入掃描、處理與邏輯運(yùn)算、輸出掃描，以控制現(xiàn)場設(shè)備；運(yùn)行人員通過操作員站與PLC設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，對循環(huán)水系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。運(yùn)行人員對整個(gè)循環(huán)水工藝系統(tǒng)的控制和操作通過監(jiān)視器、鍵盤以及鼠標(biāo)來完成，不再設(shè)置常規(guī)控制儀表盤。PLC控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　PLC控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

2.2主要功能

PLC控制系統(tǒng)主要有以下幾項(xiàng)功能：數(shù)據(jù)采集與處理；LCD畫面顯示，包括工藝流程及測量參數(shù)，控制對象狀態(tài)也能顯示成組參數(shù)；記錄功能，包括報(bào)警打印、趨勢記錄、定期打印(值班記錄、班報(bào)、日報(bào)、月報(bào))；歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與檢索；設(shè)備的遠(yuǎn)方手動(dòng)單操功能；重要設(shè)備的聯(lián)鎖保護(hù)功能；重要液位的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

3 改造內(nèi)容

3.1設(shè)備選型

1)PLC設(shè)備。綜合其性能、價(jià)格、穩(wěn)定性等各方面的因素，并考慮到施耐德Modicon Quantum系列PLC設(shè)備在沙角A電廠輔控系統(tǒng)長期投運(yùn)以來，運(yùn)行穩(wěn)定，且熱控人員及值班員均對此套設(shè)備熟悉，降低了新系統(tǒng)的學(xué)習(xí)成本。因此，本自動(dòng)控制系統(tǒng)PLC設(shè)備選擇施耐德莫迪康的Quantum PLC[1]。

2)控制電源。為保證控制系統(tǒng)供電電源的可靠性，PLC系統(tǒng)配置雙路電源供電，由廠用電提供兩路220 V單相二線制50 Hz交流電源接入控制電源柜，并通過設(shè)置1臺(tái)雙路電源快速切換裝置，以實(shí)現(xiàn)兩路電源間的無擾切換[2]。

3)上位機(jī)及外圍設(shè)備。配置2臺(tái)性能等于或高于研華工控機(jī)IPC-610-H的設(shè)備作為操作員站；選用山特在線式不間斷電源(UPS)MT1000S作為后備電源，電池供電時(shí)間滿足不少于30 min的技術(shù)要求；設(shè)置1臺(tái)工程師站，采用DELL Optiplex 760MT產(chǎn)品；配置2 臺(tái)激光黑白打印機(jī)(A4)HP P1008，1臺(tái)激光彩色打印機(jī)(A3)HP5550。

3.2 網(wǎng)絡(luò)配置

PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2所示。本系統(tǒng)使用的PLC平臺(tái)為施耐德Modicon Quantum，控制器上自帶1個(gè)以太網(wǎng)RJ45端口、1個(gè)Modbus接口，可充分利用該特性，實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)通信，設(shè)計(jì)方案如下。

圖2　 PLC控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1)循環(huán)水控制系統(tǒng)一期1～6#PLC分別通過CPU控制器，一路經(jīng)以太網(wǎng)RJ45端口連接到一期網(wǎng)絡(luò)柜中的1#交換機(jī)，一路由Modbus接口經(jīng)過Modbus/TCP接口轉(zhuǎn)換器(MOXA-交換機(jī))轉(zhuǎn)換為RJ45端口接到2#交換機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)鏈路連接。同理，二期7～12#PLC分別通過控制器，一路經(jīng)以太網(wǎng)RJ45端口連接到二期網(wǎng)絡(luò)柜中的3#交換機(jī)，一路由Modbus接口經(jīng)過Modbus/TCP接口轉(zhuǎn)換器(MOXA-交換機(jī))轉(zhuǎn)換為RJ45端口接到4#交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)冗余網(wǎng)絡(luò)鏈路連接。一期網(wǎng)絡(luò)柜中的1#、2#交換機(jī)和二期網(wǎng)絡(luò)柜中的3#、4#交換機(jī)通過環(huán)網(wǎng)光纖建立物理網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)雙環(huán)網(wǎng)的冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[3]。

2)工程師站、1#操作員站、2#操作員站分別通過雙網(wǎng)卡連接到一期網(wǎng)絡(luò)柜中的1#、2#交換機(jī)上，使監(jiān)控系統(tǒng)與1～12#PLC控制系統(tǒng)建立冗余網(wǎng)絡(luò)通信方式。

3)為保證設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸，需對一、二期循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行配備。

3.3系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.3.1系統(tǒng)組態(tài)軟件

PLC控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)需要進(jìn)行兩方面的組態(tài)工作：下位機(jī)——PLC設(shè)備的程序邏輯組態(tài)，使用Unity Pro軟件開發(fā)；上位機(jī)——操作員站的畫面操作組態(tài)，使用組態(tài)王6.53。

3.3.2基礎(chǔ)功能

PLC控制系統(tǒng)經(jīng)過程序組態(tài)，實(shí)現(xiàn)以下基礎(chǔ)功能。

1)畫面顯示的數(shù)據(jù)刷新頻率為1次/s。所有工藝流程圖畫面均能在1 s或是更短的時(shí)間內(nèi)完全顯示出來。

2)任意畫面的調(diào)用，操作次數(shù)小于3次。

3)系統(tǒng)響應(yīng)及時(shí)，工作人員在進(jìn)行鍵盤、鼠標(biāo)操作時(shí)，任意指令都能在1 s內(nèi)執(zhí)行。

4)操作員站具有系統(tǒng)組態(tài)、畫面修改、系統(tǒng)診斷、程序開發(fā)以及數(shù)據(jù)庫管理等功能。

5)鼠標(biāo)器應(yīng)作為可選的光標(biāo)定位裝置。

6)每臺(tái)操作員站配備1個(gè)鍵盤。每個(gè)鍵盤除具有正常的數(shù)字、字母輸入功能外，還應(yīng)能通過編程自定義部分快捷鍵，使操作員能直接調(diào)出各種所需的畫面。

7)操作員站監(jiān)控軟件設(shè)置保護(hù)密碼，防止一般員工擅自變更或誤動(dòng)控制策略、應(yīng)用程序設(shè)置、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫等。

8)工程師站具有在線、離線組態(tài)功能。

3.3.3數(shù)據(jù)采集功能

1)PLC設(shè)備硬件組態(tài)及輸入/輸出(I/O)通道分配。統(tǒng)計(jì)每套PLC系統(tǒng)的I/O點(diǎn)所要求配置的點(diǎn)數(shù)，如表1所示。因本工程中每套PLC系統(tǒng)單獨(dú)控制1臺(tái)循環(huán)水泵設(shè)備，所以每套PLC系統(tǒng)中的I/O卡件要嚴(yán)格按照表中I/O點(diǎn)數(shù)進(jìn)行配置，并留有20%裕量以備擴(kuò)展使用。

表1　單臺(tái)循環(huán)泵I/O點(diǎn)數(shù)配備

2)PLC數(shù)據(jù)采集。PLC需對模塊采集的模擬量輸入(AI)(4～20 mA)、熱電阻PT100、CU50等信號(hào)進(jìn)行內(nèi)部換算，轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)和量程標(biāo)定，才能進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用。

3)上位機(jī)監(jiān)控畫面組態(tài)。監(jiān)控軟件組態(tài)王與PLC之間建立連接，調(diào)用I/O點(diǎn)、中間變量數(shù)據(jù)。在上位機(jī)上完成參數(shù)采集、數(shù)據(jù)通信、指令下達(dá)等功能。組態(tài)王根據(jù)系統(tǒng)工藝過程生成工藝流程圖。工藝流程圖涵蓋了系統(tǒng)設(shè)備信息、參數(shù)顯示、運(yùn)行工藝流程等內(nèi)容，操作人員能直觀地對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和操作，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)水控制系統(tǒng)人機(jī)交互的數(shù)據(jù)采集功能。

根據(jù)工藝流程設(shè)計(jì)LCD畫面，主要包括主菜單、子菜單、設(shè)備和標(biāo)題4部分畫面。標(biāo)題畫面顯示當(dāng)前畫面的系統(tǒng)名稱、日期及時(shí)間；子菜單畫面顯示每個(gè)系統(tǒng)的若干個(gè)按鈕；主菜單顯示主系統(tǒng)的按鈕、報(bào)警欄等[4]。LCD工藝流程圖畫面顯示包括工藝流程、運(yùn)行設(shè)備及測量參數(shù)，其中運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)也能顯示成組參數(shù)。鍵盤和鼠標(biāo)的操作應(yīng)有反饋，即畫面上應(yīng)有反應(yīng)。當(dāng)發(fā)生參數(shù)越限報(bào)警、運(yùn)行設(shè)備故障或狀態(tài)變化時(shí)，通過不同顏色進(jìn)行顯示，并有音響提示。所有被監(jiān)控的信號(hào)應(yīng)都能打印記錄。

3.3.4設(shè)備操作

每套PLC均需對應(yīng)1套循環(huán)水泵設(shè)備操作進(jìn)行邏輯組態(tài)，針對不同設(shè)備編寫不同的操作程序，使控制系統(tǒng)能接收上位機(jī)的操作指令，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)，有效地對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、控制。對工藝流程圖進(jìn)行組態(tài)，使運(yùn)行人員能直觀地對設(shè)備進(jìn)行操作、控制，并接收現(xiàn)場設(shè)備的反饋信息。

3.3.5順序控制[5]

每臺(tái)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)1套濾網(wǎng)沖洗順控程序，相互間控制獨(dú)立、參數(shù)獨(dú)立。旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗順控工藝流程圖如圖3所示。

圖3　旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)沖洗順控工藝流程圖

3.3.6自動(dòng)調(diào)節(jié)與聯(lián)鎖保護(hù)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，一、二期循環(huán)水公共系統(tǒng)的冷、熱水池的水位，集水井水位等需要通過自動(dòng)調(diào)節(jié)保持一定的液位；另外，冷水泵、熱水泵進(jìn)行冗余配備，存在聯(lián)鎖保護(hù)邏輯，循環(huán)水泵與出口蝶閥間聯(lián)鎖。部分泵體因其重要性，采取了冗余配備。當(dāng)泵體出力下降或非正常退出，又或是系統(tǒng)工況發(fā)生變化時(shí)，聯(lián)鎖啟動(dòng)備用泵，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

4　結(jié)束語

本文從設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、系統(tǒng)主要功能的分析與設(shè)計(jì)等方面，對基于PLC為核心的熱工自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。在本次循環(huán)水熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng)的PLC設(shè)計(jì)方案中，控制邏輯由PLC軟件組態(tài)完成，原眾多分散的繼電器、按鈕等控制設(shè)備由計(jì)算機(jī)運(yùn)算取代，減少了系統(tǒng)故障環(huán)節(jié)，優(yōu)化了部分操作策略，提高了系統(tǒng)集成及自動(dòng)化程度。PLC具備高效性、適用性、可擴(kuò)展性、穩(wěn)定性和高靈活性等優(yōu)點(diǎn)，采用以PLC為核心的新一代自動(dòng)控制系統(tǒng)，將具有很好的使用推廣價(jià)值。

[1]Schneider. Modicon TSX Quantum 硬件手冊[M].Schneider Automation,inc.,1998.

[2]耿曉峰,劉衛(wèi)國.輔助車間集中控制網(wǎng)在電廠中的應(yīng)用[C]//2010年全國發(fā)電廠熱工自動(dòng)化專業(yè)會(huì)議論文集.烏魯木齊：中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì),2010：1 534-1 538.

[3]格爾德·凱澤.光纖通信[M].北京：電子工業(yè)出版社,2012.

[4]徐文輝.溫州發(fā)電廠輔控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)改造的實(shí)現(xiàn)[C]//2010年全國發(fā)電廠熱工自動(dòng)化專業(yè)會(huì)議論文集.烏魯木齊：中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì),2010:577-1 581.

[5]白建云,楊晉萍.程序控制系統(tǒng)[M].北京：中國電力出版社,2005.

A Study on the PLC-Based Thermal Automation Control System

OU Xujian

(Shajiao A Power Plant of Guangdong Yudean Group Co., Ltd.，Dongguan Guangdong 523936，P.R.China)

Taking the design and renovation of the circulating water-based thermal automation control system of an enterprise，this paper introduces the demand analysis and overall design ideas of the PLC-based thermal automation control system．

thermal power generation；thermal automation control system；programmable logic controller(PLC)

2016-04-22

歐旭劍(1985-)，助理工程師，技師，主要從事熱控專業(yè)設(shè)備維護(hù)檢修及技改工作。

TM621.4

A

1008- 8032(2016)03- 0056- 04