1.前言
為緩解我國電力供應(yīng)嚴(yán)重不足的現(xiàn)狀,許多大容量的火電廠在全國各地紛紛投入建設(shè)和使用,因此對煤炭的需求量也就越來越大,對輸煤等公用系統(tǒng)的自動化控制要求也就越來越高。
山西某發(fā)電廠2×600MW機(jī)組自動控制系統(tǒng)由兩類控制設(shè)備組成:主控部分(包括鍋爐、汽機(jī)和發(fā)電機(jī)等)使用的是HONEYWELL公司的DCS控制系統(tǒng);公用部分(包括輸煤、化水和除灰等)使用的是ROCKWELL公司生產(chǎn)的Contrologix5000系列PLC系統(tǒng),上位軟件使用的是iFix3.5,并且數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)與DCS系統(tǒng)連接,使得本系統(tǒng)即可以在輸煤程控上位機(jī)上操作,又可以在DCS上操作。
輸煤系統(tǒng)的主要功能是把通過火車和汽車等交通工具運(yùn)送到火車卸煤溝和汽車卸煤溝的煤炭,通過一系列運(yùn)送設(shè)備運(yùn)達(dá)原煤倉的過程。
由于該電廠發(fā)電機(jī)組容量大,并且是兩臺機(jī)組公用一套輸煤系統(tǒng),對煤炭的需求量非常大,為了避免一條上煤通路成為瓶頸,耽誤正常生產(chǎn),設(shè)計(jì)了兩條上煤通路,一路運(yùn)行,一路備用,也可以兩條通路同時(shí)運(yùn)行,分別向兩個不同的目的地運(yùn)煤。
2.控制設(shè)備
本套輸煤系統(tǒng)的控制對象有:皮帶機(jī)21條(其中5#甲和7#甲皮帶可雙向運(yùn)行),斗輪堆取料機(jī)2臺,滾軸篩2臺,環(huán)式碎煤機(jī)2臺,清水泵2臺,振動器30臺,刮水器2臺,電動三通擋板16臺,入爐煤取樣器2臺,除塵器15臺,葉輪給煤機(jī)6臺,盤式電磁除鐵器2臺,帶式電磁除鐵器8臺,皮帶采樣裝置2臺,卸料車2臺,共計(jì)114臺設(shè)備。
程控系統(tǒng)所有的輸入、輸出信號均通過繼電器隔離,以提高系統(tǒng)的抗干擾能力并保護(hù)PLC模塊以避免大電流信號的進(jìn)入而損毀。
本套輸煤系統(tǒng)采用了16個電動三通擋板,為的是使系統(tǒng)組合更加靈活多樣。當(dāng)有設(shè)備出現(xiàn)故障需要檢修時(shí),可以通過使用其他設(shè)備,調(diào)整三通擋板的通路繞過故障設(shè)備繼續(xù)上煤,使整個系統(tǒng)不至于因某一個或幾個設(shè)備的故障造成癱瘓。
3.設(shè)備的控制方式
設(shè)備的控制方式有以下幾種:
1) 實(shí)驗(yàn)方式:即手動操作方式。這種方式是在上位機(jī)上對單個設(shè)備進(jìn)行開、關(guān),啟、停的操作,設(shè)備間的聯(lián)鎖關(guān)系已經(jīng)被解除了,不存在聯(lián)跳功能,因此這種方式下不能帶負(fù)載運(yùn)行。
2) 集中聯(lián)鎖手動:此方式是對要啟動的流程中的設(shè)備按逆煤流方向一對一的啟動,按順煤流方向一對一停機(jī),要求設(shè)備啟動前須先將三通擋板啟動到位,設(shè)備的保護(hù)動作處理均同自動控制方式。
3) 自動方式:按照預(yù)先設(shè)定的流程啟動或停止相關(guān)的設(shè)備,是一種正常運(yùn)行方式,要求現(xiàn)場設(shè)備必須處于正常狀態(tài)。自動方式為系統(tǒng)的最佳控制方式,在此方式下,設(shè)備的空載運(yùn)行時(shí)間最短,操作員的操作步驟最少。
4) 就地方式:在就地操作箱上把手自動選擇按鈕打在就地位置,從操作箱上發(fā)出啟停或開關(guān)命令,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的操控。在此種方式下,PLC就失去了控制此設(shè)備的功能了。
輸煤系統(tǒng)主要有8種流程可供選擇,分別是:
a) 汽車卸煤溝→1號煤場;
b) 汽車卸煤溝→2號煤場;
c) 火車卸煤溝→1號煤場;
d) 火車卸煤溝→2號煤場;
e) 汽車卸煤溝→主廠房煤倉間;
f) 火車卸煤溝→主廠房煤倉間;
g) 1號煤場→主廠房煤倉間;
h) 2號煤場→主廠房煤倉間;
在上位畫面上有選擇流程的分畫面,通過這些畫面實(shí)現(xiàn)流程和設(shè)備的選用。
4.輸煤程控系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施
1) 硬件系統(tǒng)(參見下圖)
a) 上位機(jī)系統(tǒng)
本系統(tǒng)配置兩臺上位機(jī),都可作為操作員站,其中一臺兼作工程師站,且兩臺工控機(jī)可互為備用。上位機(jī)使用屏蔽雙絞線同以太網(wǎng)交換機(jī)相連,通過以太網(wǎng)模塊同PLC主機(jī)進(jìn)行通訊。所有的數(shù)據(jù)顯示和操作都可以在上位機(jī)上完成,并且還有報(bào)警,歷史趨勢和報(bào)表功能,給操作人員提供最完備的使用環(huán)境。
b) 控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)使用了兩臺型號是1756-L55M13的CPU,內(nèi)存1.5M。兩個CPU分別安裝在兩個機(jī)架上,互為熱備用,先上電的CPU為主。為了避免同時(shí)失電,兩個機(jī)架的電源分別取自廠用電和UPS電源。兩個CPU中的程序完全一樣,采集信息、處理程序、發(fā)出命令由主CPU完成,備用CPU在實(shí)時(shí)跟蹤主CPU工作。一旦主CPU失電或者通訊中斷,備用CPU將代替主CPU繼續(xù)完成工作。
主機(jī)通過以太網(wǎng)同PC機(jī)相連進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,其下面帶的3個本地I/O機(jī)架通過ControlNet網(wǎng)與主站相連(ControlNet網(wǎng)為冗余配置),由CPU通過判斷采集的輸入信號,經(jīng)過預(yù)先編制好的程序進(jìn)行運(yùn)算處理后,再通過輸出模塊發(fā)出命令,來達(dá)到控制的目的。
c) 遠(yuǎn)程系統(tǒng)
本系統(tǒng)設(shè)置了一個I/O遠(yuǎn)程站,通過多模光纜與主站的I/O機(jī)架相連。這種應(yīng)用方式極大地減少了控制電纜的數(shù)量和長度,減少了因電纜過長而引起的接地或接線不良等故障,也減少了費(fèi)用的投入。另外采用光纜連接遠(yuǎn)程站的通訊方式,使得通訊距離比應(yīng)用同軸電纜通訊長了很多,并且消除了電壓、電流的干擾,提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠焚|(zhì)。
d) 同其他系統(tǒng)的通訊
同DCS系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊,使用光纜連接兩臺交換機(jī),DCS就可以很容易地直接從PLC主機(jī)中讀取所需要的數(shù)據(jù)了。
同斗輪機(jī)系統(tǒng)和軌道衡系統(tǒng)通訊也是采用了光纜連接兩臺交換機(jī)的方式,由于輸煤系統(tǒng)本身設(shè)備比較分散,距離又比較遠(yuǎn)(輸煤主控室距離軌道衡控制室的距離超過了3公里),使用普通電纜或多模光纜不加中繼器根本無法達(dá)到要求,而使用單模光纜就簡單了,不加中繼器的最遠(yuǎn)通訊距離可達(dá)到幾十公里。
e) 工業(yè)電視系統(tǒng)
共有4臺工業(yè)電視放置于前排的工業(yè)電視屏上,通過攝像鏡頭把相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行情況和事故情況顯示在屏幕上,并可通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄存儲,以便日后隨時(shí)可以調(diào)出想要察看的那段時(shí)間的畫面記錄情況,分析事故原因。四臺工業(yè)電視通過屏幕分割技術(shù)最多可同時(shí)顯示16幅畫面,通過選擇按鈕,把畫面調(diào)整到自己想要觀察的地方進(jìn)行監(jiān)測。
2)軟件配置
a) 上位機(jī)監(jiān)控軟件
本系統(tǒng)的上位監(jiān)控軟件選用的是Intellution公司的iFix3.5作為開發(fā)平臺,利用該軟件的變量存檔編輯器和水晶報(bào)表設(shè)計(jì)器,可以很方便地為運(yùn)行用戶過程數(shù)據(jù)生成用戶檔案并生成報(bào)表。利用ODBC功能,把所有設(shè)備的報(bào)警和人員的操作都記錄下來,通過聲音通知操作人員,以便使操作人員能夠立即進(jìn)行處理,并給日后事故原因的分析創(chuàng)造有利條件。
b) PLC控制軟件
PLC控制軟件采用ROCKWELL公司的RSLogix 5000編程軟件、RS-LINX通訊驅(qū)動軟件和RSNetWorx組態(tài)軟件作為編程調(diào)試軟件的開發(fā)平臺。既可以使用梯形圖編程方式,又有IEC的編程方法,給了編程者更大的自由度。這種軟件的優(yōu)點(diǎn)是有強(qiáng)大的功能塊系統(tǒng),針對不同功能都有一種功能塊兒與之相對應(yīng),編程簡便、靈活。
5.系統(tǒng)控制
自動啟動時(shí),按照逆煤流方向順序啟動設(shè)備;自動停機(jī)時(shí),按照順煤流方向延時(shí)停止設(shè)備;當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)事故跳閘時(shí),由故障設(shè)備開始進(jìn)行逆煤流跳閘(除鐵器、電子皮帶秤、取樣器不參與跳閘)。并且本系統(tǒng)允許有多個流程在運(yùn)行中,但不允許同時(shí)操作兩個及以上流程啟動或停機(jī)。當(dāng)有兩條流程在運(yùn)行時(shí),如果其中一條流程的某一設(shè)備出現(xiàn)故障造成此流程設(shè)備聯(lián)跳時(shí),不能影響另一條正在正常工作的流程。具體設(shè)備的位置和流程順序參看“系統(tǒng)總貌”圖:
在系統(tǒng)投入自動啟動前,需要進(jìn)行流程選擇。如果兩個流程同時(shí)選擇了一個設(shè)備,則會發(fā)出報(bào)警。
流程選擇需要通過上位機(jī)流程選擇畫面進(jìn)行,在本次輸煤程控項(xiàng)目中,我們總共設(shè)置了8個流程選擇分畫面,見“流程選擇”圖:
每一個流程選擇分畫面都設(shè)置了一個全選甲帶鍵和一個全選乙?guī)фI,一旦按下全選甲帶鍵,這個流程內(nèi)的所有甲帶就都變成深藍(lán)顏色,表示被選中。
另外每一條皮帶自身也有一個選擇鍵,利用此鍵可以把有故障的皮帶退出流程,選擇另一側(cè)的皮帶來替代它,這樣就可以做到甲、乙側(cè)設(shè)備交叉使用。在設(shè)備選擇完成后,按下確認(rèn)鍵后就可以知道所選的通路是否正確,如果正確,則可以繼續(xù)下一步操作,否則需要重新進(jìn)行選擇。當(dāng)此流程使用完畢后,使用清流程鍵把這個流程清除,以免在另外的流程中使用相同設(shè)備時(shí)出現(xiàn)錯誤。參見“1號煤廠至煤倉間流程”選擇圖:
若所選流程為有效流程,則由語音提示下一步的“預(yù)啟”操作。此操作發(fā)出后,三通擋板打到所選通路,滾軸篩(如果在流程內(nèi))、碎煤機(jī)(如果在流程內(nèi))運(yùn)行。如在30秒預(yù)啟過程中擋板正常啟動到位,則發(fā)出“允許啟動”語音提示,此時(shí)可以進(jìn)行“程啟”操作。選擇“程啟”后沿線設(shè)備從末端皮帶機(jī)按所選流程逆煤流方向延時(shí)啟動各設(shè)備直到煤源。當(dāng)上煤結(jié)束時(shí),立即進(jìn)行“程?!辈僮?。在多流程同時(shí)運(yùn)行時(shí)要先選擇煤源再進(jìn)行“程停”操作,程停操作根據(jù)所選流程從煤源設(shè)備開始順煤流方向逐臺按預(yù)定的延遲時(shí)間順序停止各設(shè)備直到最末一臺設(shè)備。延遲時(shí)間是為保證每臺運(yùn)行設(shè)備上的煤走完后該設(shè)備才停機(jī)。
在自動運(yùn)行中,某一設(shè)備出現(xiàn)故障或事故時(shí),如皮帶撕裂、拉繩,持續(xù)2秒以上的重跑偏、打滑或堵煤時(shí),立即停止該皮帶,同時(shí)聯(lián)跳逆煤流方向的所有設(shè)備。但故障點(diǎn)下游設(shè)備保持原工作狀態(tài)不變。待故障解除后,先進(jìn)行“復(fù)位”操作,再重新進(jìn)行“預(yù)啟”操作,從故障點(diǎn)向上游重新延時(shí)啟動設(shè)備;也可在故障未解除時(shí),執(zhí)行“程?!辈僮鳎瑥墓收宵c(diǎn)下游開始順煤流方向逐臺按預(yù)定的延遲時(shí)間順序停止各設(shè)備直到最末。碎煤機(jī)和滾軸篩除本身事故外延時(shí)30秒后停機(jī)。當(dāng)按“緊急停機(jī)”按紐(操作臺上和上位機(jī)都有此開關(guān))全線運(yùn)行設(shè)備立即停止運(yùn)行,碎煤機(jī)和滾軸篩延時(shí)30秒后停機(jī)。
1)皮帶機(jī)的控制
無論是手動還是自動啟動皮帶機(jī)前,都要先響警鈴20秒,通知在皮帶周圍的人員盡快遠(yuǎn)離,以免發(fā)生事故。皮帶機(jī)是輸煤系統(tǒng)的主要運(yùn)輸設(shè)備,因此對它的保護(hù)和要求也就相應(yīng)的多了一些。在皮帶機(jī)兩側(cè)設(shè)事故拉線開關(guān),巡檢人員發(fā)現(xiàn)皮帶及其附近設(shè)備有異常情況時(shí),可直接拉事故拉線,使皮帶停止。
皮帶重跑偏、縱向撕裂、打滑、管道堵煤等信號都直接進(jìn)入了PLC,一旦其中某一個事故出現(xiàn)時(shí),都要使皮帶機(jī)立即停止。但是為了避免由于這些事故的假信號影響正常上煤,還設(shè)置了一些屏蔽這些信號的鍵,當(dāng)操作人員能夠確認(rèn)某個信號為誤動作時(shí),就可以使用屏蔽鍵令這個信號不起作用,等信號處理好后,要馬上恢復(fù)此信號的功能,以免造成更大的損失。參看“一號甲皮帶控制狀態(tài)”圖,本設(shè)備的所有控制和狀態(tài)都可以在這一幅圖中顯示出來。
本系統(tǒng)對每個設(shè)備都設(shè)置了一個“檢修”鍵,當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備需要檢修時(shí),在上位機(jī)中設(shè)定此設(shè)備為“檢修”狀態(tài),則PLC控制程序禁止此設(shè)備運(yùn)行。
2)電動三通擋板的控制
為了使上煤系統(tǒng)更加靈活,設(shè)置了16個電動三通擋板,并且要求其參與系統(tǒng)聯(lián)鎖,且能就地、程控操作。在自動工作狀態(tài)下,當(dāng)按下預(yù)啟動鍵時(shí),三通擋板根據(jù)選定的在其前后兩條皮帶的位置,自動完成通甲路或通乙路的動作(例如現(xiàn)在選中的是1#甲皮帶和2#乙皮帶,按下預(yù)啟動鍵后,1#三通擋板就自動打在了通乙路的位置上),為下一步的程啟做好準(zhǔn)備。
但是由于種種原因,甲、乙路到位信號有可能在使用過一段時(shí)間后失靈,因此就又增加了甲路通到位和乙路通到位的假信號,在到位信號失靈后替代實(shí)際信號工作。
為了避免由于誤操作而引起上煤中斷,在已經(jīng)運(yùn)行的流程中對所有三通擋板操作無效(閉鎖操作)。
3)除塵器
系統(tǒng)設(shè)置了15個除塵器,自動時(shí),在預(yù)啟動時(shí)啟動,但在啟動皮帶時(shí)不判斷除塵器是否運(yùn)行。聯(lián)鎖手動時(shí)與所在帶式輸送機(jī)聯(lián)動,在啟動皮帶前先輸出啟動除塵器信號,但不論除塵器啟動與否,都繼續(xù)向下啟動皮帶機(jī)。除塵器自身故障不連跳主設(shè)備。
4)除鐵器
系統(tǒng)共有2個盤式除鐵器和8個帶式除鐵器,自動時(shí),在預(yù)啟動時(shí)啟動,但在啟動皮帶時(shí)不判斷除塵器是否運(yùn)行。聯(lián)鎖手動時(shí)與所在帶式輸送機(jī)聯(lián)動,在啟動皮帶前先輸出啟動除鐵器信號,但不論除鐵器啟動與否,都繼續(xù)向下啟動皮帶機(jī)。除鐵器自身故障不連跳主設(shè)備。
5)振動器
本系統(tǒng)共有30個振動器。它的功能是在出現(xiàn)堵煤的情況自動振打,或每隔20分鐘自動振打10秒,也可切換到手動方式,由操作人員手動隨時(shí)啟停。
6)皮帶秤
皮帶秤輸出的脈沖累加點(diǎn)用于計(jì)算累計(jì)上煤量。
7)葉輪給煤機(jī)
葉輪給煤機(jī)利用行走和撥動功能把在火車、汽車卸煤溝中的煤炭運(yùn)送到皮帶上。自動工作狀態(tài)下,給煤機(jī)啟動和停止取決于在它后面的皮帶的動作,而給煤機(jī)的前進(jìn)和后退,則需要操作人員根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況進(jìn)行手動操作。參見“一號葉輪給煤機(jī)控制狀態(tài)”畫面。
8)斗輪機(jī)
兩個斗輪機(jī)分別在兩個煤廠,負(fù)責(zé)煤廠煤炭的堆取工作。在機(jī)組使用煤炭量較少時(shí),利用斗輪機(jī)的堆料功能,配合5#甲、7#甲皮帶正轉(zhuǎn),把卸煤溝的煤炭存儲在煤廠中;當(dāng)鍋爐使用大量煤炭時(shí),利用斗輪機(jī)的取料功能,配合5#甲、7#甲皮帶反轉(zhuǎn),把存儲在煤廠中的煤炭運(yùn)往原煤倉。
9)滾軸篩
滾軸篩位于8#皮帶和9#皮帶之間,其作用是把煤炭進(jìn)行篩分,篩下物直接落到9#皮帶運(yùn)往原煤倉,篩上物通過11#皮帶和碎煤機(jī)進(jìn)行破碎后返回煤廠。當(dāng)滾軸篩出現(xiàn)故障時(shí),煤炭直接從8#皮帶落在9#皮帶上運(yùn)往原煤倉,可保證原料的供應(yīng)不會因?yàn)闈L軸篩的故障而停止。
10)卸料小車
卸料小車共有兩個,10#甲帶和10#乙?guī)厦娓饕粋€,可在皮帶上行走。其功能是把10#皮帶上的煤炭卸到原煤倉中。
原煤倉共有12個,1~6#原煤倉給1#機(jī)組提供燃料,7~12#原煤倉給2#機(jī)組提供燃料,6#倉與7#倉之間有一段距離,其它倉都是并在一起的。原煤倉上裝有12個位置開關(guān),可標(biāo)識小車處于哪一個原煤倉上。
卸料小車上面有三個擋板,可以使小車處于卸料/直通狀態(tài)。初始位置為直通狀態(tài),當(dāng)開始卸料時(shí),兩側(cè)的擋板打開,位于皮帶上的擋板關(guān)閉,煤炭從皮帶兩側(cè)落入選定的原煤倉;當(dāng)小車經(jīng)過6#倉與7#倉之間時(shí),為了避免煤炭撒落到外面,兩側(cè)的擋板關(guān)閉,皮帶上的擋板打開,此時(shí)小車處于直通位置,煤炭經(jīng)過小車后依然還落在皮帶上,最終進(jìn)入12#原煤倉中。
小車有兩種卸料方式,定點(diǎn)/連續(xù)方式。定點(diǎn)方式是小車走到選定的原煤倉后,停止不動向原煤倉內(nèi)卸料;連續(xù)方式是小車在選定的原煤倉上來回行走,把煤炭均勻地卸到原煤倉中。
配煤方式分為自動配煤、手動配煤和就地配煤三種方式。
在自動配煤方式下,當(dāng)輸煤系統(tǒng)發(fā)出“程啟”操作后,配煤皮帶(10號甲、乙)即先運(yùn)行。當(dāng)配煤皮帶出現(xiàn)運(yùn)行信號后,首先按照煤倉的順序進(jìn)行檢測,從第一倉開始進(jìn)行順序配煤,將所有煤倉配至高煤位。此時(shí)如果某些倉不使用,則需要把這些倉置于停用狀態(tài),這樣在輪到這個倉配煤的時(shí)候,就會把它跳過去,繼續(xù)為下一個倉配煤。當(dāng)所有倉都處于高煤位時(shí),配煤就完成了。
手動配煤是由操作人員根據(jù)現(xiàn)場的煤位和卸料小車的信號,在上位機(jī)上手動操作小車的運(yùn)行/停止,卸料/直通,定點(diǎn)/連續(xù)等功能,完成原煤倉的配煤工作。
就地配煤是在現(xiàn)場由操作人員根據(jù)實(shí)際情況,操作小車的運(yùn)行/停止,卸料/直通,定點(diǎn)/連續(xù)等功能,完成原煤倉的配煤工作。
6.結(jié)束語
這套系統(tǒng)目前已經(jīng)運(yùn)行了半年時(shí)間了,根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行情況證明:整個系統(tǒng)安全可靠,穩(wěn)定性高,控制靈活性強(qiáng)。隨著計(jì)算機(jī)和PLC技術(shù)的提高,輸煤系統(tǒng)的自動化水平也在不斷提高,目前已經(jīng)做到了把相對分散的各個設(shè)備統(tǒng)一集中到一起控制的情況,幾乎涵蓋了全部的設(shè)備,這其中大部分設(shè)備可以自動順序啟/停,個別設(shè)備只能夠上位機(jī)手動操作,表明了目前自動化水平的提高。相信隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)、PLC硬件及軟件水平的不斷提高,程序控制作為輸煤系統(tǒng)的主要控制方式,在火力發(fā)電廠將得到更加廣泛的應(yīng)用。