PLC在火电厂监控系统中的应用研究

侯秀丽 王松林 阮进军

摘要：为保证发电机组不间断工作，对机组运行状态进行监控是必不可少的，监控系统已成为火电厂重要组成部分。PLC以其可靠性高、功能强大、编程简单、维护方便、设计调试周期短、易于扩充等突出优点在火电厂监控系统得到了广泛应用。文章阐述了PLC在火电厂监控系统中的应用现状，分析了PLC控制系统常见故障现象与原因，探讨提高PLC控制系统运行可靠性措施，提出四点举措以切实保证发电机组正常运行，大幅提高发电效率，为国民经济发展提供能源保障。

关键词：PLC；火电厂；监控系统；故障；可靠性

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）31-0191-02

电力作为国民经济发展的基石，尽管有风能、核能、水力及太阳能多种发电方式，但往往受制于地理因素与资源环境条件。我们国家目前多数电能生产仍靠火力方式来发电。仔细分析华能、大唐、华电、中电投、国电五大电力集团每年的装机容量就会发现，利用燃烧煤炭、石油、液化天然气等燃料所产生的热能，在不断受热下使水变成高压高温蒸汽，然后运用此高温高压蒸汽的能量，推动汽轮机运转带动发电机发电。这种传统的“火力发电”方式，仍然是主要发电方式。

为了保证机组能够不间断工作、持续发电，对发电机组运行状态进行监控是必不可少的，监控系统已经成为火电厂的重要组成部分。PLC是专为工业环境下应用而设计的电子装置，采用微处理器为核心，内部具有存储器，可以执行算术、逻辑、顺序运算，还能计时、计数等。PLC具有可靠性高、抗干扰能力强、组网简单、功能强大、编程简单，设计安装与调试周期短、容易扩充升级、体较小、质量轻、维护方便等众多优点，它已被广泛应用于电厂辅机监控系统中。

1 PLC在火电厂监控系统中的应用现状

PLC 由于其逻辑处理功能强、环境适应性好、系统独立性强、系统构成成本较低等特点， 是电厂辅助生产系统（水、煤、灰）的首选控制系统[2]。

火电厂一般在公用辅助系统中大量应用PLC，如锅炉脉冲吹灰系统、水处理系统、斗轮机系统、输煤系统，翻车机系统、卸船机控制系统等，在上述系统中，通常使用I/O点数多于256点的大型PLC。用作下位机，主要用于采集各种工艺过程的数据、对设备运行状态进行监测与控制。采用串口与上位机通信，组成大型分散系统，常用RS485或者RS232串行总线实现通信。

PLC具体控制原理如下：就地设备运行的开关量信号进入PLC的DI模块，例如电动或气动阀门的开、关状态，水泵等转动设备的启、停状态及设备的状态报警信号；就地设备如压力、料位、温度、流量、振动检测仪表输出的模拟量信号进入PLC的AI模块；PLC控制器通过DO模块发出开关量启停指令去控制现场设备的运行。PLC控制器通过AO模块输出模拟量4-20mA信号指令，调节电动、气动调节执行器的0-100%开度，变频器输出频率等。

以火电厂输煤系统为例，其承担将煤场的煤通过输煤皮带运输到锅炉制粉系统上煤的重要任务，是保证火电厂稳定运行的重要组成部分。作为火力发电厂发电的源头，输煤系统是否正常运行关系重大。通过运用PLC对输煤过程进行控制，可以实现自动化控制，减轻工人劳动强度，降低生产成本。PLC作为下位机，负责接收传感器采集的各种现场信息，按照程序指令来完成输煤过程控制。系统运行状态等信息，可以通过串行接口传给上位机，构成一个控制网络，上位机能实时显示，以便运行人员操作PLC控制[3]。

2 PLC系统构成与常用编程语言

2.1 PLC控制系统构成

PLC系统硬件组成主要有CPU单元、存储器模块、I/O单元，电源，编程器等。PLC控制系统除了PLC硬件以外，还有软件系统，包括系统程序和用户程序。前者有又包含系统系统管理程序，用户指令解释程序等。火电厂监控系统中常用的PLC品牌有西门子、施耐德、莫迪康、AB等，不同厂家生产的PLC，尽管其编程软件无法通用，但是编程思想是一致的，PLC编程软件一般由厂家开发，提供给用户使用。

2.2 PLC编程语言简介

PLC控制程序是设计人员根据不同控制系统具体工艺控制要求，使用PLC编程语言来编制设计的。根据国际电工委员会（IEC）制定的工业控制编程语言标准（IEC1131-3），其中的第三部分专门做了规定。标准中共有五种语言，如表1所示。表中初步总结了不同编程语言的特点以及所需的编程基础。

实际编程中常用的PLC编程语言有梯形图、指令语句表和顺序功能图。一般不同厂家开发的程序设计环境都支持这三种编程方法。梯形图语言作为一种图形化的编程语言，形象直观，比较简单，不需要太深的基础；指令语句表编程方法编写程序快捷，不需要转化即可执行。顺序功能图是位于其他编程语言之上的图形语言，编程简单、逻辑性强、容易为初学者所接受。构成SFC的三要素是步、转换和动作，只要熟悉控制过程，合理分步，根据它可以很迅速的画出梯形图。

表1 IEC1131-3标准中规定的PLC编程语言及主要特点

[

特点 名称＼&指令语句表

（IL）＼&梯形图

（LD）＼&顺序功能图

（SFC）＼&功能块图

（FBD）＼&结构文本

（ST）＼&显著特点＼&助记符语言＼&图形化语言＼&流程图语言＼&图形化语言＼&高级语言＼&通用性＼&常用＼&常用＼&常用＼&不常用＼&不常用＼&编程基础＼&汇编基础＼&继电器、接触器＼&程序流程图＼&数字逻辑电路＼&数据结构＼&]

3 PLC系统常见故障现象与原因分析

国内各大电厂都运用了不同类型PLC控制小型相对独立的系统，这些PLC基本由不同厂家配套设计生产安装调试，体系都是封闭的，能够满足具体控制要求，具有相对独立性。由于PLC是专门为了工业恶劣条件应用而生产的计算机，其内部做了特殊处理，可靠性通常很高。AB、施耐德等公司生产的PLC，其CPU模块平均无故障时间可达50万小时，输入/输出模块是PLC与工业控制现场各类信号连接的部分，一般用光电耦合器，其寿命很高，能够安全工作几千万次，电源与I/O模块耐瞬变冲击电压在1kV以上。

但目前火电厂自动化程度还不够高，PLC构成的自动控制系统偶尔也会出现故障，导致设备瘫痪，故常排查检修困难，影响电力的正常生产与充足供应。PLC系统常见故障现象有很多，以热工保护系统为例，主要有DI卡件故障指示灯闪烁报警，辅助DPU控制器故障、所有数据状态显示为离线，通信网络无故中断、数据画面显示为粉色，控制机柜一路电源失去报警，AI卡件故障指示灯闪烁报警，PLC网络交换机故障。

PLC系统故障可能来自于外部设备，如传感器、各种开关、执行机构和负载等；也可能来自于系统内部，如CPU、存储器、系统总线、电源等。实践经验表明，PLC本身一般很少发生故障的。大量的故障不是出在PLC系统本身上，而是集中发生在各种开关、传感器和执行机构等外部设备上[4]。根据实际解决上述热工故障积累的经验可知，引起以上故障的原因包括现场信号不稳定，电源串扰，卡件本身质量不过关，交换机有问题等多种多样。实际遇到故障报警时要具体问题具体分析。

4 提高PLC控制系统运行可靠性的举措

4.1 合理设计PLC电源模块

PLC供电电源一般采用开关稳压电源，其特点是体积小、散热低，当输入电压有大幅度波动时，仍能保持输出稳定。电源模块给PLC系统提供24V的直流工作电源，也可以供给现场模拟量输入模块的两线式测量仪表使用。

由于电源是构成PLC硬件的重要组成部分，为系统正常工作能够能量，对于电厂各个监控系统中大量使用的PLC，必须要合理设计供电方式才能提高系统可靠性。设计时尽量把输入输出模块外部电路供电采用单独几组直流24V电源，各程控柜分开供电，PLC系统电源和外部电路供电电源不能共地，防止串扰。在供电电源之间连接1：1的隔离变压器以提高系统安全性[5]。

4.2 选用高质量的外围器件与可靠的现场设备

PLC系统接收的输入信号主要有现场设备启停信号，接触器、断路器、热继电器运行、各种保护检测及主要生产参数检测等信号，PLC输出信号有被控设备的启停、预告、报警以及对所测参数的显示和处理等信号[6]。到底有多少路信号，复杂程度如何，怎样分组，应根据控制系统不同用途及具体控制需求来确定。

为了进一步提高PLC控制系统的无故障工作时间，降低故障发生率，一定要选择质量过硬的现场设备，如各种DI、AI卡件，传感器，交换机等。

4.3 选择通用的人机界面软件来完成组态

著名PLC品牌厂家都有专用人机界面软件，比较知名的有IFIX、Intouch、昆仑通态MCGS、组态王等组态软件。上述软件应用范围广、市场占有率高、功能强大，能与ORACLE，DBASE，SQL，C，VB等软件兼容，而且具有二次开发和可扩展性。

人机界面软件可学习性强，大大方便了用户，生产管理人员通过系统培训和学习，较容易对控制系统进行逻辑组态。在设备技术改造及设备控制逻辑完善优化时，可通过操作软件来完成组态的修改，使现场设备的稳定性及安全性大大提升。

4.4 定期进行巡检，积极进行常规保养与维护

利用PLC构建的火电厂辅机控制系统（不管是废水处理系统，输煤系统，还是除灰系统等）一般都没有冗余的概念，更谈不上冗余控制策略。由于系统之间联网，这就意味着一旦其中一个单元出线问题时，必须将整个系统停下来。若是等到故障现象出现了，再去查找故障原因、分析解决办法，会耽误很多宝贵的时间，有时还会造成机组不必要的停机，影响安全发电，这是很不科学的。因此一定要定期对PLC设备进行巡检，积极对正常工作的设备进行及时保养与维护，不要等出现了问题再去解决。定期去除设备油污，维持环境洁净。值班员定期巡视、检查工况，记录设备运行状态等，发现问题及时处理。对于有些老化接触不良的传感器或者有锈蚀和损坏的卡件进行更换，注意通信线的屏蔽完好，电源的可靠隔离等。

5 结束语

随着大型火电厂发电机组容量不断增大，要求日益提高，在电厂辅机监控系统中广泛应用PLC控制技术，才能提高自动化水平，降低人力投资成本，节约发电成本。针对PLC系统常见的故障现象与原因分析，可以通过合理设计电源模块、选用高质量的外围配件和可靠的现场设备、选择通用的人机界面组态软件、定期维护与保养等措施降低PLC控制故障率，进一步提高系统工作可靠性，防止事故扩大，保证机组安全运行，提高发电效率，为国民经济发展提供坚实的能源保障。

参考文献：

[1] 李宁. 选煤厂PLC应用系统设计选型浅析[J]. 工业仪表与自动化装置， 2007（2）. （下转第198页）

（上接第192页）

[2] 葛修军. PLC 在电厂输煤程控系统中的应用[J]. 煤炭技术， 2009（8）.

[3] 李波勇. PLC 在电厂输煤自动化监控系统中的应用[J]. 控制工程， 2003（1）.

[4] 袁从明. 火电厂PLC工业监控系统在设计、安装及调试过程中应注意的几个问题[J].宁夏电力， 2008（1）.

[5] 莫仕勋. 基于PLC的自备电厂监控系统的设计与实现[J]. 自动化技术与应用， 2006（ 8）.

[6] 吴雷. 电厂热控设备检修工艺规程[M]安徽华电芜湖发电有限公司内部手册， 2010.

[7] 史桂苹. PLC在电厂输煤控制系统中的应用分析[J]. 数字技术与应用， 2012（ 12）.

[8] 习宝全. PLC控制技术在热工保护系统中的应用研究[J]. 科技创新导报， 2013（1）.