东欢坨选煤厂配电控制系统的智能化建设

王海生，艾新朋

(1.开滦集团东欢坨矿业分公司选煤厂，河北 唐山 064002；2.北京万博图科技有限公司，北京 100088)

建立智能化选煤厂，实现选煤厂的管理及生产自动化，完成生产管控、决策分析，提高生产效率，离不开智能控制、智能配电和云服务系统。本文以开滦集团东欢坨干法选煤厂智能控制系统建设为依托，进行干法选煤厂智能控制系统及智能装置的研究及应用。

1 智能控制系统的构建

开滦集团东欢坨选煤厂处理能力为4.5 Mt/a，采用干法选煤和两产品重介选煤工艺。

选煤厂干法选煤系统装机容量2 384 kW，采用近百台套电气设备，使用21台GGD配电柜提供电力输送并完成控制功能。

选煤厂的设备控制层网络采用最新的第五代控制系统——现场总线系统，基于智能测控装置，构建了智能化配电控制系统，实现了设备控制、状态监测、故障报警、信息交换等功能，完成了生产过程的运行、管理和监控。

2 智能控制系统基本结构

东欢坨选煤厂智能配电控制系统采用现场总线技术，由上位机、PLC、PROFIBUS-DP通讯系统和配电柜构成，见图1。

图1 现场总线系统结构

2.1 现场总线控制系统(FCS)优点

(1)现场总线控制系统是最新的过程控制系统，用2根DP通讯线联接PLC与DP单元，构成底层系统构架。

(2)信号传输全数字化、控制功能分散、标准统一全开放。远程传输速度快、稳定性强。

(3)系统完全开放。用户可按需要和对象，将不同厂商的产品组成大小随意的系统。

(4)把微机处理器嵌入现场设备，使其具有处理、控制和通信能力，能执行较为复杂的任务。

(5)现场总线控制系统实现了现场设备智能化和控制分散化，简化了系统结构，大大提高了系统可靠性和运行速度。

截至目前，基于现场总线的智能配电控制系统在煤炭行业的应用较少。融入智能测控装置的现场总线控制系统在东欢坨干法选煤厂的应用，可推动智能配电控制系统创新发展。

研发并应用于工业现场的智能测控装置和DP单元，也是基于FCS对国内设备层装置的迫切需求，补缺了智能配电控制的短板。

2.2 工业控制计算机

工控机采用研华IPC60系列，对生产过程中的机器设备、生产流程、数据参数等进行监测与控制。

工控机装有系统软件、工控应用软件和应用软件开发环境等三大部分。

工控应用软件就是用户程序，主要是根据用户工业控制和管理需求而生成的，因此具有专用性。

2.3 可编程逻辑控制器PLC

采用GE公司PLC1套：由1台PACRX3i系列CPU，1台IC695PSD电源模块以及1台PBM300DP通讯模块组成，没有A/D、D/A和I/O等模块。PLC主要完成的控制功能：通信功能、数据处理功能、过程控制功能、条件控制功能、扩展功能、定时/计数控制功能、远程I/O功能、监控功能等。

SIMENS、OMRON、AB以及其他品牌PLC均可作为现场总线系统的控制器，只要配置DP通讯功能即可。

2.4 配电装置

配电装置的主要作用是在配电系统进行配电和电能转换的过程中，进行开关、控制和保护用电设备。

配电装置内的部件主要由DP单元、智能测控装置、互感器、隔离开关、断路器、接触器以及各种保护装置等组成。

3 智能配电系统

智能配电系统由DP总线、配电装置和智能测控装置等构成。智能测控装置是智能配电系统的最关键部件，是构建智能配电系统的核心单元。通过对现场总线控制系统的实际应用研究，开发出适合FCS应用的DP通讯控制单元和馈电回路智能测控装置，以保证基于现场总线系统的配电控制对硬件配置的需求。

3.1 DP通讯和控制单元ET201

DP通讯控制单元ET201用于PLC和智能测控装置的通讯，且具有24入/16出的控制数字端口。

ET201可以连接8台FMCU。采用ET201的特色是大大减少了DP分站数量，保证了DP总线的稳定性和实效性，满足大型控制系统DP通讯结构简化、连接便捷的需求。

40路I/O满足了配电装置对I/O控制接口的需求。

整个配电系统的配电柜有21套，分列2排布置安装。

每台配电柜装配1台ET201，共计19台(补偿柜未配置)，DP总线将PLC和19台ET201连接起来，构成现场总线控制系统主干网络。这样，配电控制系统具有19个DP分站。

3.2 测控装置(FMCU)

FMCU测控装置采集回路电流和电压，完成过载、短路、缺相、不平衡等常规保护，完成电量计量、功率测量和功率因数测量等功用，采用MODBUS-RTU通讯协议与ET201通讯。

FMCU采集零序电流，通过微处理器处理，对回路进行超前漏电和运行漏电保护。同时具有2路温度采集通道，采集接触器、断路器的温度，并完成超温报警。

FMCU还具有8路I/O接口，便于集控系统对设备进行控制。

其离线参数设置，超前漏电闭锁具有工作现场最为实用的功能。

每台配电柜根据自身的馈出回路数量，一一对应配置FMCU测控装置(回路智能监控)，完成回路、电动机的各种测量、保护、电量计量、功率计量、功率因数测量、超前漏电保护、运行漏电保护、断路器与接触器温度测量、设备控制等功能。

该系统共计配置FMCU总线型测控装置98台。

上位机和PLC通讯采用以太网。

PLC和ET201采用PROFIBUS-DP通讯。

ET201和FMCU采用MODBUS通讯。

4 电器配置

配电柜内具有母线、断路器、接触器、继电器等常规器件。

5 云服务系统

云服务基于通讯、互联网的相关服务，融入了计算、网络、存储等各种软件和硬件技术的应用。

在东欢坨选煤厂控制系统中，将数据交换服务与现场控制系统结合，搭建了设备智能诊断平台。

5.1 数据采集

将鼓风机、引风机等大型设备的电机定子温度、轴承箱的轴承温度、风机的振动、风机出入口的压力等参数采用不同的传感器完成采集。

数据采集装置采集的设备运行参数，首先在现场进行初步处理。

5.2 数据传输

数据采集装置将处理的现场设备的工况数据，通过数据口与DTU设备相连，DTU通过2G、3G、4G网络与阿里云相连。由DTU与物联网平台进行数据通信，实现阿里云平台的接入。

5.3 数据推送

5.3.1 设备运行状态监控

根据需求，将采集的温度、压力、震动以及巡检等信号，传输到云端服务器，并对数据进行分析、处理和存储。

设备运行参数的历史数据通过手机端用曲线图形式来直观显示，见图2。

图2 手机端设备运行信息

一旦现场设备运行有参数值超出设定的阈值，系统立即通过微信推送到相关人员，提示预警。

在ET201扩接CTU单元，将现场重要设备传输到云端的数据转送到选煤厂集控网，进行数据采集分析和处理。

5.3.2 集控系统信息上传至云端

为满足不同情形需求，将集控信息选择部分数据，上传至云端，由云端进行二次处理，并传输至移动端。

6 智能配电系统的特点

(1)智能配电控制系统仅仅采用了具有DP总线功能的ET201单元和FMCU智能测控装置，就完成了设备的运行、监测和控制等功能，系统构架极为简单，循环时间极短，测量参数完善，功能齐全。

(2)ET201单元和FMCU智能测控装置是构成智能配电控制系统的关键部分。

(3)ET201单元是现场总线控制系统的网络节点，承上启下，兼具控制。

(4)智能测控装置具有齐全的电动机智能保护和控制功能，监测电机过流、欠流、断相、堵转、短路、过压、欠压、漏电及三相不平衡状态监测控制。

(5)测控装置除了保护功能外，还有8路IO接口参与控制，对断路器、接触器等电气部件进行超温监控控制；计量和统计每台设备的用电量，测量功率因数；检测每台设备的超前漏电和运行中漏电情况；检测所控回路带电量。

(6)重要设备的运行温度、风压、振动数据，借助云平台通过工控网传输到控制室，纳入自动化系统监控；通过云平台传输到管理人员手机，便于管理人员实时监控。

(7)现场总线控制系统是智能化配电控制最有效的系统，系统全数字化传输，运行速度快，东欢坨选煤厂智能配电控制系统循环时间小于65 ms。

(8)系统设计、施工和维护变得简单、省时、便捷。

(9)仅仅用2根通讯线联接配电柜内的ET201控制装置，完成系统对配电柜的控制功能，取代了常规控制系统每台配电装置、仪器仪表所需的多根传输线。

(10)现场总线控制系统省去大量的端子柜、输入输出单元、隔离器等，同时也节省了端子柜装置的空间与占地面积。

(11)现场总线控制系统减少了大量从输入输出单元到配电柜之间的电缆与敷设电缆用的桥架等，同时节省了设计、安装和维护费用。

(12) 将配电室边界入侵防范纳入控制系统。配备的入侵探测器也纳入控制系统，一旦发现非法入侵，即可发出报警。

(13)电气火灾报警。与相关传感器连接，直接将信息上传至控制中心。

7 应用效果

现场总线智能配电系统使得集控系统先进性、可靠性、适用性、配套性大大增强，在东欢坨选煤厂的应用，取得了良好的经济和社会效益。

(1)集控和云传输系统将风选鼓风机和引风机的风压和风量传输到控制系统，生产过程中对运行风力的监控和调节，提高了风选精度和效率，提高了选煤效率，增加了经济效益。

(2)控制系统设计大大简化，仅仅2根DP通讯线贯穿配电柜。节省安装工程及线缆万米以上，节省费用20万元以上。

(3)采用FCS比DCS系统减少了I/O接口模块50台左右，节省采购费用30余万元。

(4)对设备运行电能进行计量，优化调配设备运行过程和时间，年度节省电费30余万元。

(5)漏电保护功能使得设备接地故障及时排除，配电单元的温度监测功能可以避免电器火灾的发生，提前预警接触器、断路器的过热损坏，减少了电气故障处理时间，节省电能及机械消耗。每年可以节省电能30万元以上。

(6)云平台实时监测主要设备的运行参数，风压大小、轴承损伤、温度超限，可以提前预警，极大地降低了机械设备事故率，降低了年度配件采购量，年节约50万元以上。

(7)现场总线系统，大大提高了自动化装备水平，减少了维护岗位人员，可降低工资性支出30余万元。

(8)系统简化减少了故障，每年可节约机械、材料等维修费用约50万元。

8 结 语

东欢坨选煤厂智能配电控制系统完全采用最新的控制模式——现场总线控制系统，在煤炭行业智能配电及控制系统应用中具有创新性。该系统具有智能化程度高，系统易构、保护功能强大，系统运行速度快等特点，支持大数据所需的多种数据信息交换，提高了集控系统的先进性、可靠性、适用性和配套性，同时选煤厂也取得了良好的经济效益和社会效益。