火力发电厂输煤控制系统的研究

田建文

（华能新疆吉木萨尔发电有限公司，新疆 昌吉 831700）

开发控制系统是辅助火力发电厂安全、稳定、高效运行的重要举措，利用控制系统对电厂的相关设备作业进行有效控制，使各装置与机械能够有效、协同工作，从而保证了煤炭的正常输送。由于控制系统需要控制的设备种类繁多、结构复杂，所以随着电厂规模的不断扩大，系统结构与设计运行程序也日趋复杂，需要采用更加自动化、智能化的技术为系统运行提供保障。

1 输煤控制系统总体设计

输煤控制系统总体由可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）构成一个具有典型分布式特点的控制系统框架，系统结构当中包含了EtherNet/IP 协议接口、ControlNet 网关以及DeviceNet 接口[1]。图1 为输煤控制系统总体框架结构示意图。

图1 输煤控制系统总体框架结构示意图

PLC 控制主站与各个远程I/O 控制站通过12 条皮带及设备实现连接，并完成对控制信息的传输。根据火力发电厂输煤工艺流程，实现对其的自动化控制。火力发电厂输煤中所需的斗轮机、卸料小车以及取样装置等，均通过PLC 实现相互独立控制[2]。PLC 与远程I/O 站和各个设备之间的通信数据传输，采用上述选择的ControlNet 网关实现。同时，在系统运行过程中，要求各个主站与I/O 站都具备DeviceNet 接口，确保其实现通信传输[3]。PLC 与上位机之间的通信，采用冗余的EtherNet/IP 网络实现，为方便控制人员操作，分别设置两台工程师站和两台操作员站。

2 PLC 控制硬件设计

根据以往火力发电厂输煤控制系统的研发经验，对系统中PLC 控制硬件进行设计。在选择PLC时，需要按照下述性能要求选择：输出频率应控制在50～60 Hz 范围内；可实现在-25～60 ℃环境中运行；支持WinCC 操作系统；需集成控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线或RS232/485总线或以太网总线，或3 种总线均可集成；支持常见的CANopen 通信协议、ModbusRTU 通信协议和ModbusTCP 通信协议[4]。图2 为PLC 的硬件部分结构组成示意图。所选择的PLC 硬件结构必须包含图2 中所示的各个结构。

图2 PLC的硬件部分结构组成示意图

在确定PLC 硬件结构后，为确保控制系统的稳定运行，还需要对系统供电硬件设备进行合理选择。在设计和研制过程中，利用UPS 设备为系统供电，并对两路集中供电进行辅助[5]。当电源开关设备失效时，电源自动断开并告警，将故障信号以硬接电形式传送给PLC[6]。同时，在控制系统全部断电时，所有的设备都要处于断开状态，将其作为系统的应急跳闸，防止在断电后自动启动，确保系统安全运行。

3 火力发电厂输煤控制方式设计

将控制系统的控制方式划分为远程和就地两种，其中前者又可以进一步分为自动和手动控制方式，后者仅有手动一种控制方式。远程控制和就地控制方式的设置通过安装在现场控制盒上的遥控/现场选择开关来实现[7]。当选定开关设定为远程时，控制系统由输煤机控制室进行控制，仅在选择开关设定为原位时，可在现场进行控制，并与远程手动控制方式一样。通过硬连接将各个现场控制盒的选择开关和按键的状态信息通过硬接线路传输到PLC中，从而实现远程控制和现场控制。不管现场控制盒上的选择开关是在远端还是在原位，只要按下现场控制盒上的停止键，就可以由PLC 串联连接到PLC 的硬接合跳闸环来完成。

远程自动控制是指在上位机上，用鼠标选择卸煤、送煤、配煤等功能键，PLC 实现自动控制卸煤、运煤、配煤等过程的设备，并具有独立的开锁功能。当采用远程控制方式时，上位计算机将全部的煤炭生产流程显示在CRT上，当选择煤炭输送后，PLC 会对与此过程有关的装置进行检测，当整个过程中的设备都在控制状态时，由控制人员向上位机下达起动指令，以此实现对输煤工艺流程整体的控制[8]。

4 实证分析

4.1 火力发电厂简介

此电厂位于城市北区，背靠山，前临河，为发挥此电厂在地区经济建设中的更高效益，决定开发三期工期进行火力发电厂的扩建与改建，扩建工程位于火力发电厂渣场区域内，渣场呈现东西方向展布，长度约为875 m，厂内可用地面积约为25 km2。工厂的西侧为原渣场的大堤，东侧为码头引桥。

4.2 火力发电厂控制系统规划

为提高火力发电厂的运行效率，保证运输过程的自动化与智能化，选用3 台100 MW 的发电机组作为主要供电设备，同时，为了提高码头的卸载能力，采用在不增加码头泊位的同时，延长一条码头的轨道，并购置一套装卸机械，将其与三期建设工程进行衔接的方式。通过上述方式，确保现场机械满足三期工程耗煤运行需求。

其中三期工程中输煤、运煤作业模式见图3、第132 页图4。

图3 三期工程中输煤、运煤中皮带机的工作模式

图4 三期工程中输煤、运煤整体作业模式

4.3 控制系统开发

为实现火力发电厂输煤、运煤作业模式的自动化与智能化，使用上述提出的方案，对此电厂的控制系统进行开发。配置系统软件运行环境，见表1。

表1 控制系统软件运行环境配置

在以上内容的基础上，设计系统的网络配置。配置中，使用iFix 在各个节点上建立一个连通网络，确保在网络连通条件下，任意两个节点之间可以保持通信。网络组态主要有建立动态连接、组态协议、远程组态等。在远程节点的组态中，远端节点名称就是冗余SCADA 伺服器的逻辑结点名称，其主备用伺服器都是“FIX”，将远端结点名称设定为“主备伺服器”的本机结点名称。至此，实现对系统网络在运行中网络的配置。

4.4 系统测试

对比该系统与传统系统，对火力发电厂输煤路径的控制效果。设定多个传输终端，分别使用该系统与传统系统进行输煤路径的设计，完成设计后，控制系统将对输煤过程进行控制，此时，操作界面上呈现输煤路径简图，并实时记录、追踪输煤过程。

在传输过程中，驱动操作端的软件程序，发出控制指令，对输煤过程进行控制。对比系统对指令的响应时间与指令的执行时间。对比结果见表2。

表2 系统对指令的响应时间与指令执行时间（s）

5 结论

通过本次研究，得到以下结论。

1）根据表2 中系统对指令的响应时间与指令执行时间，本文系统对指令的响应时间在1.0 s 范围内，对指令的执行时间在2.5 s 范围内。传统系统对指令的响应时间在5.5 s 范围内，对指令的执行时间在10.0 s 范围内。对比表格中的数据可以发现，本文系统无论是对指令的响应时间或是对指令的执行时间，都小于传统系统。因此，综合上述研究结果可以证明，本文设计系统的综合运行效率、控制水平较高。

2）本系统的开发研制为同类电厂煤炭输运控制系统的升级改造提供了参考。但是，由于煤炭输送系统是电厂中的一个辅助设备，因此在未来还应根据火力发电厂的建设与发展现状，对设计成果进行进一步的完善与优化。