基于PLC的輸煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及典型故障分析

金崇偉,黃　峰

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

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基于PLC的輸煤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及典型故障分析

金崇偉1,2,黃峰1,2

(1.湖南工程學(xué)院 電氣信息學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411104)

利用施耐德Qunatum PLC設(shè)計(jì)了溫州電廠大型輸煤控制系統(tǒng)，包括主機(jī)模塊、電源模塊、通訊模塊等.研究輸煤控制系統(tǒng)的典型故障，針對(duì)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的具體故障，提出解決方案.經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，控制系統(tǒng)工作可靠、運(yùn)行良好，提高了效率，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求.

輸煤系統(tǒng)；PLC；中繼器

0　引　言

輸煤系統(tǒng)是傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的重要部分，其控制系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性對(duì)于火電廠的安全、高效運(yùn)行起關(guān)鍵作用[1].傳統(tǒng)輸煤系統(tǒng)通常采用繼電器作為邏輯元件，控制精度差、效率低，難以滿足火電廠生產(chǎn)的需要[2].本文基于溫州電廠輸煤系統(tǒng)，利用施耐德的Qunatum系列PLC，設(shè)計(jì)了輸煤控制系統(tǒng).實(shí)際運(yùn)行表明，系統(tǒng)具有良好的電氣質(zhì)量，能顯著提高生產(chǎn)效率和工作精度.分析了輸煤控制系統(tǒng)的典型故障，針對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的通訊故障，給出了解決方案，實(shí)際運(yùn)行表明，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

1　系統(tǒng)方案

輸煤系統(tǒng)由輸煤皮帶機(jī)、滾軸篩、碎煤機(jī)、犁煤器、除塵器、煤采樣機(jī)、電子皮帶秤、除鐵器等設(shè)備組成.輸煤控制系統(tǒng)主要采用程控和就地兩種控制方式.從提高效率、安全性考慮，通常采用程控方式.就地控制一般在具體設(shè)備要進(jìn)行專門(mén)維修或者試驗(yàn)時(shí)選用.

設(shè)計(jì)了基于PLC的輸煤控制系統(tǒng)，如圖1所示.系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)控管理層，PLC控制層以及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層.在PLC控制層，各子站之間采用光纖通信.輸煤方式通過(guò)PLC軟件編程實(shí)現(xiàn)，具有分散控制、集中管理、構(gòu)建靈活、組態(tài)方便以及高可靠性等突出優(yōu)點(diǎn).

控制系統(tǒng)主要由電源柜、程控柜、電腦、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)構(gòu)成.輸煤系統(tǒng)在主控室和遠(yuǎn)程站分別配置電源柜和程控柜.柜子采用下進(jìn)線方式.電源柜主要用于實(shí)現(xiàn)程控電源的變換及切換.電源柜內(nèi)包括：交流電源切換器，直流電源.從現(xiàn)場(chǎng)引入不同兩路AC220V電源至電源柜交流電源自動(dòng)切換分路器.平時(shí)一路工作，一路備用，可以通過(guò)手動(dòng)切換，也可在工作電源消失情況下自動(dòng)切換.如其中任意一路失電時(shí)能立即切換到另一路，切換時(shí)間滿足現(xiàn)場(chǎng)需要.程控柜上安放PLC機(jī)架、模塊，下面安放繼電器或隔離器.為了滿足輸入、輸出驅(qū)動(dòng)電流較大的要求，提高系統(tǒng)抗干擾能力，同時(shí)可對(duì)I/O模塊進(jìn)行保護(hù)，全系統(tǒng)輸入、輸出信號(hào)均采用繼電器隔離.繼電器為日本歐姆龍公司產(chǎn)品.

輸煤系統(tǒng)的上位機(jī)布置在主控室內(nèi).上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采用InTouch HMI軟件.與PLC柜之間采用雙以太網(wǎng)通訊，通訊介質(zhì)為超五類雙絞線.

采集信號(hào)包括輸煤系統(tǒng)各種數(shù)字量信號(hào)：拉繩保護(hù)、跑偏保護(hù)、拉緊保護(hù)、輸煤電機(jī)溫度保護(hù)、高煤位信號(hào)、堵煤信號(hào)、犁煤器位置信號(hào)等.模擬量信號(hào)：速度保護(hù)、電機(jī)電流保護(hù)等.數(shù)字量信號(hào)經(jīng)就地控制箱轉(zhuǎn)接，再輸入數(shù)字量模塊.采用繼電器隔離.模擬量信號(hào)經(jīng)變送器轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)輸入模擬量模塊.

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

輸煤控制系統(tǒng)的中心是140CPU67160主機(jī).上位機(jī)作為人機(jī)接口設(shè)備，將現(xiàn)場(chǎng)的各種信息反映在顯示器上，并將操作員的各種指令傳入主機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制.

采用施耐德的Qunatum系列PLC，如圖2所示.編程軟件采用UnityPro.UnityPro是一種基于Microsoft Windows環(huán)境的編程工具，提供包括FBD、LD、SFC、IL、ST等多種編程語(yǔ)言的單一開(kāi)發(fā)環(huán)境，用于生成控制系統(tǒng)程序.

系統(tǒng)模塊包括：

140CPU67160主機(jī)模塊：系統(tǒng)采用施耐德公司的Quantum型控制主機(jī)140CPU67160，采用雙機(jī)熱備方式，采用雙工冗余電纜來(lái)提高系統(tǒng)通訊的可靠性.

140CPS11420電源模塊：電源模塊包括PLC系統(tǒng)的主機(jī)、通訊模塊、I/O模塊提供所需的直流電源.輸入交流220 V/110 V，輸出DC 5.1 V.安裝在機(jī)架的第一個(gè)槽位上，便于散熱.

圖2　輸煤系統(tǒng)可編程控制器組成

140NOE77101以太網(wǎng)模塊：以太網(wǎng)絡(luò)通訊模塊提供10/100 M自適應(yīng)RJ45以太網(wǎng)絡(luò)接口，可以連接到以太網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，供上位機(jī)、輔機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與PLC通訊使用.

140CRP93200及140CRA93200通訊模塊：遠(yuǎn)程I/O是PLC的一部分, 它安裝在遠(yuǎn)離主機(jī)的遠(yuǎn)程站內(nèi)，通過(guò)140 CRA93200遠(yuǎn)程I/O適配器和主控室的140CRP93200 I/O處理器進(jìn)行通訊.遠(yuǎn)程站和主機(jī)的最大通訊距離可達(dá)4.5 km，通訊速率為1.544兆波特.遠(yuǎn)程I/O處理器支持單根或雙根(冗余)電纜，采用冗余電纜可有兩根電纜同時(shí)傳送數(shù)據(jù),使用中只采用第一根電纜的數(shù)據(jù)，但對(duì)兩根電纜的通訊數(shù)據(jù)作檢驗(yàn).

140NRP95400光纖中繼器模塊[3]：光纖中繼器模塊通過(guò)多模光纖介質(zhì)在兩個(gè)或多個(gè) RIO 節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)段之間進(jìn)行通訊.每個(gè)中繼器都包含一個(gè) RIO 電氣接口和兩個(gè)光纖收發(fā)器.

I/O模塊:開(kāi)關(guān)量輸出模塊選用140DDO353000型模塊，每模塊為32點(diǎn)輸出；模擬量輸入模塊選用140ACI04000型模塊，每模塊為16路輸入；熱電阻輸入模塊選用140ARI03010，每模塊為8路輸入.在所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和開(kāi)關(guān)量輸出模塊通道之間安裝有隔離繼電器，用以將現(xiàn)場(chǎng)電氣回路和控制回路完全分開(kāi).保護(hù)了控制模塊，提高系統(tǒng)抗干擾能力.

2　輸煤機(jī)控制器典型故障及解決方案

輸煤系統(tǒng)典型故障有膠帶跑偏、輸煤廊道粉塵超標(biāo)及皮帶燒損等[4].控制系統(tǒng)故障又可分為軟件故障和硬件故障兩大類.軟件故障通常由于程序編譯不合理造成，可以重新修改程序并重啟PLC，排除故障.硬件故障又分為內(nèi)部故障和外部故障.內(nèi)部故障是由于PLC本身硬件損壞，這可以從硬件本身的指示燈F燈亮來(lái)判斷.或者是外部確定有輸入信號(hào)，而程序檢測(cè)不到輸入信號(hào)(輸出模塊檢測(cè)亦同)，這時(shí)可以確定為某一個(gè)I/O點(diǎn)損壞，這兩種情況下都是要更換硬件模塊.通信線問(wèn)題會(huì)造成PLC各個(gè)模塊或者各子站之間通信故障.

在溫州電廠輸煤控制系統(tǒng)實(shí)際調(diào)試過(guò)程中，遇到故障如下：上位機(jī)顯示#5號(hào)站所有信號(hào)(煤位信號(hào)以及犁煤器位置信號(hào))時(shí)有時(shí)無(wú)，其它分站信號(hào)正常，所有PLC分站通訊模塊CRA顯示B路通訊故障.這些故障并不影響輸煤系統(tǒng)整體運(yùn)行.

原因分析及故障排除：

#5號(hào)站所有信號(hào)丟失，首先懷疑#5號(hào)站電源模塊問(wèn)題，因?yàn)殡娫磫?wèn)題會(huì)造成整個(gè)站的輸入信號(hào)丟失.現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間觀察發(fā)現(xiàn)，輸入繼電器無(wú)閃動(dòng)現(xiàn)象，這表明現(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)很穩(wěn)定，排除電源原因.查看煤控上位機(jī)#5號(hào)站的通信狀態(tài)字，發(fā)現(xiàn)通信狀態(tài)字在變化.正常情況下此連接運(yùn)行正常，則顯示為1，如果PLC和子站之間的連接出現(xiàn)故障，則此位顯示為0，而現(xiàn)在是0、1變化.這表明#5號(hào)站與PLC主站的通信出現(xiàn)中斷[3].返回#5號(hào)站查看NRP中繼模塊，NRP中繼模塊運(yùn)行正常，光纖盒的光纖、光纜無(wú)扭曲或破損現(xiàn)象，但通信模塊CRA顯示B路故障，A路正常，聯(lián)系故障現(xiàn)象，可以基本排除通訊模塊CRA問(wèn)題.查看系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，發(fā)現(xiàn)#5號(hào)站是#3號(hào)站的延伸，因?yàn)?5號(hào)站的信號(hào)必須通過(guò)#3號(hào)站的NRP中繼模塊才能與PLC主站通信.在#3號(hào)站，發(fā)現(xiàn)#3號(hào)站的NRP中繼模塊與光纖盒之間的光纖成90°彎曲，并且表面有破損現(xiàn)象，但未傷及光纖內(nèi)部.更換NRP中繼模塊與光纖盒之間的4根光纖后，發(fā)現(xiàn)所有PLC分站通訊模塊CRA顯示B路通訊正常，上位機(jī)顯示#5號(hào)站所有信號(hào)無(wú)閃動(dòng)，上位機(jī)查看#5號(hào)站的通信狀態(tài)字也顯示正常.至此故障解除.

結(jié)論：光纖不同于電信號(hào)傳輸線，它有許多優(yōu)點(diǎn)如傳輸穩(wěn)定、不受外部干擾，但是光纖內(nèi)部是玻璃或塑料纖維，扭曲或強(qiáng)受力會(huì)造成內(nèi)部損壞，而外表不易發(fā)現(xiàn).所以在安裝的時(shí)候盡量讓光纖處于自然狀態(tài)，避免成90°彎曲或強(qiáng)受力狀態(tài).

3　總　結(jié)

輸煤控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，已經(jīng)成功運(yùn)行.在設(shè)計(jì)階段充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用PLC系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控軟件，方便實(shí)現(xiàn)輸煤設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)讀取，改善了輸煤系統(tǒng)自動(dòng)化程度，提高了輸煤的效率.在調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的通訊故障，得到解決，可為同類故障排除提供參考.

[1] 王航宇. S7-400H在輸煤控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].自動(dòng)化與儀器儀表,2015(1):139-141.

[2] 韓冰. PLC在火電廠輸煤系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2014,33(2):38-40.

[3] 施耐德電氣. Modicon140NRP95400光纖中繼器模塊用戶指南[M]. 2011,11.

[4] 閆學(xué)偉. 輸煤系統(tǒng)常見(jiàn)設(shè)備故障檢修與治理[J]. 科技視界, 2014,32:104-105,125.

A Design of PLC Control System of Coal Handling and Its Fault Analysis

JIN Chong-wei1,2,HUANG Feng1,2

(1. College of Electrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. The Cooperative Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion, Xiangtan 411104, China)

A PLC control system of coal handling by using Schneider Qunatum PLC is designed. The system includes main module, power module and communication module. Some faults of the control system are also stadied. A solution to an actual system of communication failure is proposed. Practical operation shows that the control system runs well and meets the design requirements

coal handing system; PLC; fiber optic repeater

2016-03-09

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(15K03214k029).

金崇偉(1984-)，男，碩士研究生，研究方向：PLC控制.

TM621.6

A

1671-119X(2016)03-0017-03