火力發(fā)電廠輸煤控制系統(tǒng)的研究

田建文

（華能新疆吉木薩爾發(fā)電有限公司，新疆 昌吉 831700）

開發(fā)控制系統(tǒng)是輔助火力發(fā)電廠安全、穩(wěn)定、高效運行的重要舉措，利用控制系統(tǒng)對電廠的相關設備作業(yè)進行有效控制，使各裝置與機械能夠有效、協(xié)同工作，從而保證了煤炭的正常輸送。由于控制系統(tǒng)需要控制的設備種類繁多、結構復雜，所以隨著電廠規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)結構與設計運行程序也日趨復雜，需要采用更加自動化、智能化的技術為系統(tǒng)運行提供保障。

1 輸煤控制系統(tǒng)總體設計

輸煤控制系統(tǒng)總體由可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）構成一個具有典型分布式特點的控制系統(tǒng)框架，系統(tǒng)結構當中包含了EtherNet/IP 協(xié)議接口、ControlNet 網關以及DeviceNet 接口[1]。圖1 為輸煤控制系統(tǒng)總體框架結構示意圖。

圖1 輸煤控制系統(tǒng)總體框架結構示意圖

PLC 控制主站與各個遠程I/O 控制站通過12 條皮帶及設備實現連接，并完成對控制信息的傳輸。根據火力發(fā)電廠輸煤工藝流程，實現對其的自動化控制?；鹆Πl(fā)電廠輸煤中所需的斗輪機、卸料小車以及取樣裝置等，均通過PLC 實現相互獨立控制[2]。PLC 與遠程I/O 站和各個設備之間的通信數據傳輸，采用上述選擇的ControlNet 網關實現。同時，在系統(tǒng)運行過程中，要求各個主站與I/O 站都具備DeviceNet 接口，確保其實現通信傳輸[3]。PLC 與上位機之間的通信，采用冗余的EtherNet/IP 網絡實現，為方便控制人員操作，分別設置兩臺工程師站和兩臺操作員站。

2 PLC 控制硬件設計

根據以往火力發(fā)電廠輸煤控制系統(tǒng)的研發(fā)經驗，對系統(tǒng)中PLC 控制硬件進行設計。在選擇PLC時，需要按照下述性能要求選擇：輸出頻率應控制在50～60 Hz 范圍內；可實現在-25～60 ℃環(huán)境中運行；支持WinCC 操作系統(tǒng)；需集成控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）總線或RS232/485總線或以太網總線，或3 種總線均可集成；支持常見的CANopen 通信協(xié)議、ModbusRTU 通信協(xié)議和ModbusTCP 通信協(xié)議[4]。圖2 為PLC 的硬件部分結構組成示意圖。所選擇的PLC 硬件結構必須包含圖2 中所示的各個結構。

圖2 PLC的硬件部分結構組成示意圖

在確定PLC 硬件結構后，為確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定運行，還需要對系統(tǒng)供電硬件設備進行合理選擇。在設計和研制過程中，利用UPS 設備為系統(tǒng)供電，并對兩路集中供電進行輔助[5]。當電源開關設備失效時，電源自動斷開并告警，將故障信號以硬接電形式傳送給PLC[6]。同時，在控制系統(tǒng)全部斷電時，所有的設備都要處于斷開狀態(tài)，將其作為系統(tǒng)的應急跳閘，防止在斷電后自動啟動，確保系統(tǒng)安全運行。

3 火力發(fā)電廠輸煤控制方式設計

將控制系統(tǒng)的控制方式劃分為遠程和就地兩種，其中前者又可以進一步分為自動和手動控制方式，后者僅有手動一種控制方式。遠程控制和就地控制方式的設置通過安裝在現場控制盒上的遙控/現場選擇開關來實現[7]。當選定開關設定為遠程時，控制系統(tǒng)由輸煤機控制室進行控制，僅在選擇開關設定為原位時，可在現場進行控制，并與遠程手動控制方式一樣。通過硬連接將各個現場控制盒的選擇開關和按鍵的狀態(tài)信息通過硬接線路傳輸到PLC中，從而實現遠程控制和現場控制。不管現場控制盒上的選擇開關是在遠端還是在原位，只要按下現場控制盒上的停止鍵，就可以由PLC 串聯連接到PLC 的硬接合跳閘環(huán)來完成。

遠程自動控制是指在上位機上，用鼠標選擇卸煤、送煤、配煤等功能鍵，PLC 實現自動控制卸煤、運煤、配煤等過程的設備，并具有獨立的開鎖功能。當采用遠程控制方式時，上位計算機將全部的煤炭生產流程顯示在CRT上，當選擇煤炭輸送后，PLC 會對與此過程有關的裝置進行檢測，當整個過程中的設備都在控制狀態(tài)時，由控制人員向上位機下達起動指令，以此實現對輸煤工藝流程整體的控制[8]。

4 實證分析

4.1 火力發(fā)電廠簡介

此電廠位于城市北區(qū)，背靠山，前臨河，為發(fā)揮此電廠在地區(qū)經濟建設中的更高效益，決定開發(fā)三期工期進行火力發(fā)電廠的擴建與改建，擴建工程位于火力發(fā)電廠渣場區(qū)域內，渣場呈現東西方向展布，長度約為875 m，廠內可用地面積約為25 km2。工廠的西側為原渣場的大堤，東側為碼頭引橋。

4.2 火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)規(guī)劃

為提高火力發(fā)電廠的運行效率，保證運輸過程的自動化與智能化，選用3 臺100 MW 的發(fā)電機組作為主要供電設備，同時，為了提高碼頭的卸載能力，采用在不增加碼頭泊位的同時，延長一條碼頭的軌道，并購置一套裝卸機械，將其與三期建設工程進行銜接的方式。通過上述方式，確?，F場機械滿足三期工程耗煤運行需求。

其中三期工程中輸煤、運煤作業(yè)模式見圖3、第132 頁圖4。

圖3 三期工程中輸煤、運煤中皮帶機的工作模式

圖4 三期工程中輸煤、運煤整體作業(yè)模式

4.3 控制系統(tǒng)開發(fā)

為實現火力發(fā)電廠輸煤、運煤作業(yè)模式的自動化與智能化，使用上述提出的方案，對此電廠的控制系統(tǒng)進行開發(fā)。配置系統(tǒng)軟件運行環(huán)境，見表1。

表1 控制系統(tǒng)軟件運行環(huán)境配置

在以上內容的基礎上，設計系統(tǒng)的網絡配置。配置中，使用iFix 在各個節(jié)點上建立一個連通網絡，確保在網絡連通條件下，任意兩個節(jié)點之間可以保持通信。網絡組態(tài)主要有建立動態(tài)連接、組態(tài)協(xié)議、遠程組態(tài)等。在遠程節(jié)點的組態(tài)中，遠端節(jié)點名稱就是冗余SCADA 伺服器的邏輯結點名稱，其主備用伺服器都是“FIX”，將遠端結點名稱設定為“主備伺服器”的本機結點名稱。至此，實現對系統(tǒng)網絡在運行中網絡的配置。

4.4 系統(tǒng)測試

對比該系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)，對火力發(fā)電廠輸煤路徑的控制效果。設定多個傳輸終端，分別使用該系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)進行輸煤路徑的設計，完成設計后，控制系統(tǒng)將對輸煤過程進行控制，此時，操作界面上呈現輸煤路徑簡圖，并實時記錄、追蹤輸煤過程。

在傳輸過程中，驅動操作端的軟件程序，發(fā)出控制指令，對輸煤過程進行控制。對比系統(tǒng)對指令的響應時間與指令的執(zhí)行時間。對比結果見表2。

表2 系統(tǒng)對指令的響應時間與指令執(zhí)行時間（s）

5 結論

通過本次研究，得到以下結論。

1）根據表2 中系統(tǒng)對指令的響應時間與指令執(zhí)行時間，本文系統(tǒng)對指令的響應時間在1.0 s 范圍內，對指令的執(zhí)行時間在2.5 s 范圍內。傳統(tǒng)系統(tǒng)對指令的響應時間在5.5 s 范圍內，對指令的執(zhí)行時間在10.0 s 范圍內。對比表格中的數據可以發(fā)現，本文系統(tǒng)無論是對指令的響應時間或是對指令的執(zhí)行時間，都小于傳統(tǒng)系統(tǒng)。因此，綜合上述研究結果可以證明，本文設計系統(tǒng)的綜合運行效率、控制水平較高。

2）本系統(tǒng)的開發(fā)研制為同類電廠煤炭輸運控制系統(tǒng)的升級改造提供了參考。但是，由于煤炭輸送系統(tǒng)是電廠中的一個輔助設備，因此在未來還應根據火力發(fā)電廠的建設與發(fā)展現狀，對設計成果進行進一步的完善與優(yōu)化。