鄭志強(qiáng)
1 項(xiàng)目簡介自二十世紀(jì)九十年代以來,火力發(fā)電廠廣泛采用分散控制系統(tǒng)(DCS),使其成為機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不可缺少的重要組成部分。但隨著單機(jī)容量的不斷增大,電廠現(xiàn)代化管理要求的日益迫切和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,火力發(fā)電廠廠級自動(dòng)化系統(tǒng)開始在電廠中得到應(yīng)用。廠級自動(dòng)化系統(tǒng)可分為廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)和管理信息系統(tǒng)(MIS)。MIS用于完成電廠內(nèi)部的日常管理工作,以及與上級部門的信息交換;SIS則用于廠級生產(chǎn)過程的自動(dòng)化,它的下級控制系統(tǒng)包括DCS和輔助車間自控系統(tǒng),選擇合理的輔助車間自控系統(tǒng)既可以減輕DCS的負(fù)擔(dān)、提高機(jī)組的綜合自動(dòng)化水平,又可降低工程造價(jià)。但是,什么樣的輔助車間自控系統(tǒng)才叫合理,這是當(dāng)前自控領(lǐng)域急需研究的重點(diǎn)課題之一。
在此形勢下,廣東省電力設(shè)計(jì)研究院與汕頭經(jīng)濟(jì)特區(qū)電器儀表成套廠合作,設(shè)計(jì)開發(fā)出本套基于現(xiàn)場總線技術(shù)的PLC,并將其應(yīng)用于韶關(guān)電廠#10機(jī)組鍋爐除灰除渣系統(tǒng)的控制。
2 工藝系統(tǒng)控制要求
韶關(guān)電廠#10機(jī)組鍋爐除灰除渣系統(tǒng)控制對象較多,工藝邏輯控制要求也比較復(fù)雜,它包括四個(gè)子系統(tǒng)。
(1) 電除塵器除灰系統(tǒng)
韶關(guān)項(xiàng)目電除塵器為雙通道四電場,共有32個(gè)灰斗。每個(gè)灰斗下方設(shè)置閘板門、三通門、鎖氣器各一個(gè)。控制要求為:當(dāng)灰斗灰位高或上位機(jī)要求程序啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)鎖氣器→開三通門→開閘板門;當(dāng)灰斗灰位低或上位機(jī)要求程序停止時(shí),關(guān)閘板門→關(guān)三通門→停止鎖氣器。
(2) 爐底除渣和尾部煙道除灰系統(tǒng)
爐底除渣裝置控制順序?yàn)椋洪_渣斗激流噴嘴→開碎渣機(jī)→開排渣門→排渣15~30分鐘后關(guān)排渣門→關(guān)碎渣機(jī)→渣斗水位正常后再關(guān)激流噴嘴。
尾部煙道除灰系統(tǒng)的每個(gè)灰斗設(shè)有閘板門和鎖氣器,其控制要求為:當(dāng)灰斗灰位高或上位機(jī)要求程序啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)鎖氣器→開閘板門;當(dāng)灰斗灰位低或上位機(jī)要求程序停止時(shí),關(guān)閘板門→停止鎖氣器。
(3) 灰渣泵系統(tǒng)
此部分控制比較復(fù)雜,因灰渣泵共有5臺,灰渣輸送管卻只有3根,因此需要裝設(shè)很多閥門實(shí)施管間切換。本設(shè)計(jì)以灰渣管的運(yùn)行方式來決定灰渣泵的運(yùn)行狀態(tài)。#1灰渣管上運(yùn)行#1~3灰渣泵,#2灰渣管上運(yùn)行#2~4灰渣泵,#3灰渣管上運(yùn)行#3~5灰渣泵。控制邏輯為:根據(jù)選定的灰渣管和灰渣泵,先開泵前的灰渣閥,到位后啟動(dòng)泵,然后打開泵出口的各個(gè)灰渣閥。
(4) 沖洗、沖灰水泵系統(tǒng)
① 軸封水泵,邏輯控制要求為:先開泵入口閥門,接著啟動(dòng)泵,泵啟動(dòng)后開泵出口閥門。關(guān)的順序與開的順序相反。兩臺泵互為備用,工作泵故障或泵出口母管壓力低時(shí),備用泵及相應(yīng)閥門自動(dòng)投入。
② 沖洗水泵,邏輯控制要求與軸封水泵基本相同。
③ 沖灰水泵,邏輯控制要求與沖洗水泵相同。
3 控制系統(tǒng)硬件配置說明
本系統(tǒng)按2×300MW機(jī)組容量設(shè)計(jì),采用冗余配置,系統(tǒng)內(nèi)任一模塊故障,均不會影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。自診斷功能可診斷至模塊級,因此系統(tǒng)具有高度的可靠性。控制系統(tǒng)的硬件配置方案見圖1。它由上位機(jī)(工業(yè)監(jiān)控計(jì)算機(jī))、雙機(jī)熱備Q系列PLC和遠(yuǎn)程工作站組成。上位機(jī)與Q系列PLC組成工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò),Q系列PLC與遠(yuǎn)程工作站的信息通訊是通過CC-Link現(xiàn)場總線進(jìn)行雙向傳遞。
圖1 除灰渣控制系統(tǒng)硬件配置圖
3.1 上位機(jī)
上位機(jī)是人機(jī)界面的基本硬件平臺,其性能及品質(zhì)的好壞直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。本系統(tǒng)上位機(jī)冗余配置2臺臺灣研華610型計(jì)算機(jī),CPU主頻PII 300,內(nèi)存128MB,美國3COM公司的10M以太網(wǎng)卡。CRT為PHILIPS的21寸彩色顯示器,同時(shí)配置一臺HP4L型激光打印機(jī),實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控、報(bào)警、報(bào)表打印和事故分析。
3.2 雙機(jī)熱備的Q系列PLC
這是本控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分,負(fù)責(zé)沖洗沖灰子系統(tǒng)的邏輯和聯(lián)鎖控制、部分模擬量輸入和輸出、通訊總線和CPU的切換等。
(1) 主基板
系統(tǒng)采用的A32RB主基板,是冗余電源雙CPU配置用基板。板上插有下列模塊:
① 電源模塊A61RP,給主基板供電,主基板再為CPU和其它模塊提供5VDC電源。模塊額定電流為8A,輸入電壓為220VAC。
② CPU模塊Q4ARCPU,內(nèi)置128KB的RAM存儲器。
③ 系統(tǒng)控制模塊AS92R,用于監(jiān)視:1)CPU的自診斷結(jié)果;2)CPU的操作監(jiān)視器;3)AS92R的自監(jiān)視器;4)5VDC電源電壓;5)24VDC電源電壓;6)電源模塊故障。當(dāng)發(fā)現(xiàn)其中任何故障時(shí),AS92R提供信號給總線切換模塊,使之實(shí)施系統(tǒng)切換,并給出相應(yīng)的系統(tǒng)報(bào)警信號。
④ 總線切換模塊A6RAF,負(fù)責(zé)切換總線。運(yùn)行狀態(tài)下其面板設(shè)置一般為:A站為主控站,B站為熱備狀態(tài)。
(2) 擴(kuò)展基板
擴(kuò)展基板采用A68RB型冗余電源基板,通過AC12B擴(kuò)展電纜與主基板連接,擴(kuò)展基板上插有下列模塊:
① 電源模塊A61RP。
② CC-Link通訊模塊AJ61QBT11。
③ 以太網(wǎng)通訊模塊AJ71QE71,支持TCP/IP或UDP/IP協(xié)議,可選擇固定的緩沖器、隨機(jī)的緩沖器和PLC服務(wù)三種通訊方式。傳輸速率為10Mbps,傳送的最遠(yuǎn)距離為2500m。
④ 模擬量輸入模塊A616AD,可接收-10V~+10V電壓信號或4~20mA電流信號。隔離方式是輸入端子與內(nèi)部電路之間光電隔離,但通道間不隔離。
⑤ 開關(guān)量輸入模塊AX41,可接受32個(gè)信號。輸入回路與內(nèi)部電路間采用光電隔離,各輸入回路均有LED顯示燈。
⑥ 開關(guān)量輸出模塊AY13,可輸出32個(gè)信號。同樣采用光電隔離,輸出點(diǎn)容量2A。
⑦ 溫度輸入模塊A68RD3,可接三線制Pt100測溫傳感器。溫度輸入范圍為-180℃~+600℃,分辨率0.025℃,輸出可用16位或32位二進(jìn)制數(shù)表示。
3.3 遠(yuǎn)程工作站
遠(yuǎn)程工作站是在常規(guī)的低壓開關(guān)柜上增設(shè)智能控制裝置,智能控制裝置與開關(guān)柜之間的接口設(shè)計(jì)和制作是本控制系統(tǒng)研制的重點(diǎn)內(nèi)容之一。
遠(yuǎn)程工作站(共12臺)就地安裝在被控對象附近,擔(dān)負(fù)著各泵、閥門、鎖氣器等的數(shù)據(jù)采集、順序控制和聯(lián)鎖保護(hù)等功能。
遠(yuǎn)程工作站內(nèi)的智能控制裝置選用FX2N-128MR,它是超小型、多功能的可編程裝置,其主要功能和性能為:
① 數(shù)據(jù)采集和處理 輸入64點(diǎn),接收無源觸點(diǎn)信號,查詢電壓24VDC。輸出64點(diǎn),外接交流負(fù)載,工作電壓220VAC。輸入輸出均有狀態(tài)指示燈。
② 順序和邏輯控制 可獨(dú)立編程處理各個(gè)I/O信號,程序容量8K,可擴(kuò)展至16K,指令運(yùn)算速度0.08μs / 基本指令。
③ 通訊速率 可選300bps~19600bps。
④ 通信協(xié)議 可選RS232C/422/485、CC-Link或按IEC61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)采用冗余CC-Link現(xiàn)場總線,通訊模塊為FX2N-32CCL,共2塊,24VDC電源。
⑤ 自診斷 CPU或程序出錯(cuò)時(shí)由LED燈顯示,可通過查看特殊數(shù)據(jù)寄存器來查詢錯(cuò)誤信息。
3.4 以太網(wǎng)
上位機(jī)和Q系列PLC的通信采用10Base5標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)絡(luò),總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)硬件有50Ω粗同軸電纜,外部收發(fā)器,以太網(wǎng)卡。網(wǎng)絡(luò)有4個(gè)站,包括2臺PC,2臺PLC,各站通過IP地址區(qū)分。
PC1的IP地址:192.0.1.11;
PC2的IP地址:192.0.1.10;
PLC1的IP地址:192.0.1.1(主PLC);
PLC2的IP地址:192.0.1.2(備PLC)。
正常情況下,PC1和PC2均可監(jiān)控雙機(jī)熱備的PLC。如PLC1出現(xiàn)故障,由總線切換模塊將PLC2切換為工作主站。
3.5 CC-Link現(xiàn)場總線
CC-Link網(wǎng)絡(luò)由主站、從站和通信網(wǎng)線構(gòu)成。主站是Q4ARCPU,從站包括遠(yuǎn)程數(shù)字量I/O、遠(yuǎn)程模擬量I/O、遠(yuǎn)程高速計(jì)數(shù)器等。主、從站需設(shè)置站號、傳輸速率、占用站數(shù)等。主站與從站的通信由兩塊主/從通訊模塊完成,主站靠站址辨識從站,即每個(gè)從站都有一個(gè)不同的站號,主站發(fā)送的信息,只有相應(yīng)站號的從站才能響應(yīng)。
CC-Link技術(shù)規(guī)范參見表1。
本系統(tǒng)中,Q系列PLC與遠(yuǎn)程工作站GCR(Z)柜間的CC-Link網(wǎng)絡(luò)通訊采用冗余技術(shù):① AJ61QBT11通訊模塊,共6塊,每個(gè)子系統(tǒng)各有2塊,一工作一備用。正常情況時(shí),通訊模塊1采集現(xiàn)場信號,收發(fā)信息,如有故障切換到備用通訊模塊。② FX2N-32CCL通訊模塊的設(shè)置與對應(yīng)的主通訊模塊連接有關(guān)。
冗余總線上對應(yīng)同一遠(yuǎn)程工作站,有2塊開關(guān)設(shè)置相同的通訊模塊FX2N-32CCL,一工作一備用。總線上的通訊模塊站號依次為:01,05,09,13,17。模塊的通信速率,按不同子系統(tǒng)的距離遠(yuǎn)近,設(shè)置成與對應(yīng)的主通訊模塊的速率相同。
CC-Link網(wǎng)絡(luò)中所有站均要編程初始化,才能使網(wǎng)絡(luò)正常工作。
表1
項(xiàng)目 |
規(guī)范 | |
控制規(guī)格 |
最大鏈接點(diǎn)數(shù) |
遠(yuǎn)程輸入/輸出(RX,RY):2048點(diǎn) 遠(yuǎn)程寄存器(RWw):256點(diǎn)(主站-遠(yuǎn)程/從站) 遠(yuǎn)程寄存器(RWr):256點(diǎn)(遠(yuǎn)程/從站-主站) |
每站的鏈接點(diǎn)數(shù) |
遠(yuǎn)程輸入/輸出(RX,RY):32點(diǎn)(在一個(gè)從站中為30點(diǎn)) 遠(yuǎn)程寄存器(RWw):4點(diǎn)(主站-遠(yuǎn)程/從站) 遠(yuǎn)程寄存器(RWr):4點(diǎn)(遠(yuǎn)站/從站-主站) | |
最大占用的站數(shù) |
4站(最大輸入/輸出點(diǎn)數(shù)為128點(diǎn),鏈接寄存器:32點(diǎn)) | |
瞬間傳送 |
最大1024個(gè)字節(jié)/站 | |
性能 |
鏈接的掃描時(shí)間(10Mbps) |
3.9ms(遠(yuǎn)程輸入/輸出2048點(diǎn)) 6.7ms(遠(yuǎn)程輸入/輸出2048點(diǎn),遠(yuǎn)程寄存器512點(diǎn)) |
通信規(guī)范 |
通信速度 |
10M/5M/2.5M/625K/156Kbps |
通信方式 |
廣播投票方式 | |
同步系統(tǒng) |
幀同步系統(tǒng) | |
代碼 |
NRZI | |
傳送通道 |
總線系統(tǒng)(遵照EIA RS485標(biāo)準(zhǔn)) | |
傳送格式 |
根據(jù)HDLC | |
出錯(cuò)的控制系統(tǒng) |
CRC(X16+X12+X5+1) | |
可連接的模塊數(shù) |
(1H a)+(2H b)+(3H c)+(4H d)≤64站 a:占用1站的模塊數(shù),b:占用2站的模塊數(shù),c:占用3站的模塊數(shù),d:占用4站的模塊數(shù) 16H A+54H B+88H C≤2304 A:遠(yuǎn)程I/O站模塊數(shù) 最多64個(gè)模塊 B:遠(yuǎn)程設(shè)備站模塊數(shù) 最多42個(gè)模塊 C:從站/智能設(shè)備站模塊數(shù) 多26個(gè)模塊 | |
RAS功能 |
自動(dòng)復(fù)線功能、從站切斷功能、檢查數(shù)據(jù)連接狀態(tài)、離線測試(硬件測試、環(huán)路測試、參數(shù)校驗(yàn)測試)、后備主站 |
4 軟件開發(fā)
4.1 PLC軟件編制
本系統(tǒng)PLC控制部分采用三菱公司的GPPW編程軟件,它提供指令表、梯形圖和順序功能圖三種編程方法。
指令表是最原始的編程方式,它是將控制指令按順序逐個(gè)排列,生成文本程序文件,因其編制方法落后,本項(xiàng)目沒有用來直接編程,只是在程序檢查時(shí)偶爾用之。梯形圖編程是當(dāng)前工業(yè)上應(yīng)用最為廣泛的PLC編程方法,其最大的特點(diǎn)是類似工業(yè)控制電氣圖的繼電器邏輯,容易被習(xí)慣于看電氣圖的工程技術(shù)人員看懂,本系統(tǒng)的PLC控制編程正是使用這一編程方法。順序功能圖則將控制過程分成多個(gè)步序和傳送,一步序代表一個(gè)具體操作或功能子程序,一個(gè)傳送代表從一個(gè)執(zhí)行步序過渡到另一個(gè)執(zhí)行步序的傳送條件,此種編程方式比較適應(yīng)于查找故障點(diǎn)。
本系統(tǒng)編程的基本流程是:根據(jù)已經(jīng)確定的工藝系統(tǒng)控制要求→畫出流程圖→標(biāo)注各信息流之間的關(guān)系→安排輸入、輸出的配置→對輸入、輸出進(jìn)行地址編號→畫出信號端子和現(xiàn)場信號聯(lián)絡(luò)圖表。控制程序的設(shè)計(jì)采用的是所謂的邏輯設(shè)計(jì)法,即根據(jù)生產(chǎn)過程中各檢測元件(如行程開關(guān),力矩開關(guān)等)狀態(tài)的不同組合和變化,確定所應(yīng)滿足的中間環(huán)節(jié),再按各執(zhí)行元件的工作要求,用觸點(diǎn)的串并聯(lián)組合在電路上實(shí)現(xiàn)邏輯表達(dá)式,最終形成程序文件。
4.2 上位軟件編制
本系統(tǒng)2臺上位監(jiān)控機(jī)的監(jiān)控軟件選用了當(dāng)今市場上較為流行的美國Intellution公司的iFIX,它與PLC的數(shù)據(jù)交換如下述:
4.2.1 數(shù)據(jù)流向及過程數(shù)據(jù)庫
iFIX實(shí)施監(jiān)控所需的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息取自于下層的PLC,PLC可供iFIX讀取的數(shù)據(jù)源包含數(shù)據(jù)塊變量、I/O地址、對象屬性、歷史數(shù)據(jù)、畫面屬性、VBA事件、全局變量和表達(dá)式。iFIX數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)源的連接是通過I/O Driver來實(shí)現(xiàn)的(I/O Driver不從屬于iFIX,需要另外安裝),iFIX讀取內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到應(yīng)用程序的過程,則由驅(qū)動(dòng)器映象表(DIT)和掃描、報(bào)警、控制程序(SAC)完成,無需操作干預(yù)。數(shù)據(jù)流向?yàn)椋?BR>Process→PLC→I/O Driver→DIT→SAC→PDB→View
iFIX的過程數(shù)據(jù)庫由塊和鏈組成。塊是由iFIX提供的執(zhí)行一定功能的指令集合,鏈?zhǔn)沁B接各個(gè)功能塊的邏輯關(guān)系,塊與鏈的合理搭配即形成所謂的邏輯塊鏈,一系列邏輯塊鏈連接在一起便生成一個(gè)控制或監(jiān)視回路。塊分兩類:① 基本塊 (Primary blocks) 邏輯塊鏈的起點(diǎn),一般用于處理數(shù)據(jù)庫的輸入或輸出,如AI、AO、DI、DO等塊;② 二級塊 (Secondary block) 從前繼塊獲取數(shù)據(jù)并執(zhí)行某種類型動(dòng)作或計(jì)算,如計(jì)算塊CA。
例如:在灰渣泵房控制中,#1泵處于運(yùn)行狀態(tài),#2泵被選為備用泵,當(dāng)#1泵跳閘,#2泵自動(dòng)啟動(dòng)時(shí),其控制策略需要設(shè)置以下邏輯塊鏈:
#1泵跳閘信號處理塊DI→跳閘/自起動(dòng)控制計(jì)算塊CA→輸出#2泵啟動(dòng)信號處理塊DO
4.2.2 報(bào)警處理
iFIX提供了一套功能完善的報(bào)警生成程序,它可通過設(shè)定報(bào)警區(qū)及報(bào)警區(qū)路徑,將某一參數(shù)值超過預(yù)先設(shè)定值的基本塊的報(bào)警狀態(tài)傳送至相應(yīng)的報(bào)警匯總表或報(bào)警顯示窗口。
在本項(xiàng)目的報(bào)警包括壓力、溫度、物位、電流、設(shè)備故障等。
4.2.3 數(shù)據(jù)安全設(shè)置
為了保護(hù)數(shù)據(jù)庫不受未授權(quán)的寫操作,iFIX提供了安全保護(hù)區(qū),它可以將數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)塊按安全級別分類存儲。不同操作權(quán)限的人員只能對相應(yīng)級別數(shù)據(jù)區(qū)寫操作。本系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)置三個(gè)權(quán)限:① 操作員:只能在WorkSpace運(yùn)行狀態(tài)下操作;② 工程師:能進(jìn)入WorkSpace組態(tài)模式編輯文件;③ 系統(tǒng)管理員:享受本系統(tǒng)的最高權(quán)限。
對數(shù)據(jù)安全的設(shè)置稱為安全組態(tài),這些工作在安全組態(tài)程序中進(jìn)行,包括:① 允許/禁止安全系統(tǒng);② 生成和編輯用戶及組帳號;③ 建立啟動(dòng)時(shí)的自動(dòng)登錄;④ 定義用戶使用程序功能的權(quán)限;⑤ 定義用戶名和口令;⑥ 定義安全區(qū)名。
5 調(diào)試
所有的PLC控制程序和上位機(jī)操作畫面編制完成后,系統(tǒng)曾在制造廠進(jìn)行模擬調(diào)試,方法是用小型開關(guān)模擬遠(yuǎn)程工作站的輸入,將遠(yuǎn)程工作站的輸出接至顯示燈泡,短接所需輸入(即開關(guān)合上),觀察程序的輸出是否響應(yīng)(即是燈泡亮否)以判斷程序的正確性。調(diào)試時(shí)對所有被控對象的單操和程序控制分別進(jìn)行試驗(yàn)。
裝置在韶關(guān)電廠安裝完成后又進(jìn)行一次現(xiàn)場調(diào)試,期間曾根據(jù)現(xiàn)場條件的變化作過程序修改。
6 投運(yùn)
經(jīng)過近一年的設(shè)計(jì)、組態(tài)、編程和調(diào)試,系統(tǒng)于2000年7月裝配完畢,同月交付韶關(guān)電廠工地施工,2000年9月,由廣東省電力設(shè)計(jì)研究院、廣東省試驗(yàn)研究所、廣東省工程監(jiān)理公司、汕特儀表成套廠及韶關(guān)電廠等單位組成驗(yàn)收小組,對本控制系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)收,隨后投入運(yùn)行。從移交生產(chǎn)至今,控制系統(tǒng)運(yùn)行正常,使用起來方便、可靠,維護(hù)工作極為簡單,降低了運(yùn)行和維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。這套控制系統(tǒng)投運(yùn)至今已穩(wěn)定運(yùn)行一年多,電廠反映有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢:
通過CRT畫面直接控制現(xiàn)場設(shè)備,操作方便且直觀。
一些主要設(shè)備的正常啟停與事故切換可由程序自動(dòng)控制,無須人工逐步操作,體現(xiàn)高度自動(dòng)化。
灰斗排灰由智能遠(yuǎn)程工作站根據(jù)灰斗灰位自成閉環(huán)控制,令控制周期縮短,減輕操作員負(fù)擔(dān)。
監(jiān)控系統(tǒng)具備過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和存儲,查看、打印運(yùn)行報(bào)表方便及時(shí)。
采用現(xiàn)場總線技術(shù)節(jié)省了大量控制電纜,也令系統(tǒng)的安裝、檢修和維護(hù)更加方便。