PLC在电厂输煤自控系统中的应用
可编程逻辑控制器（PLC）是八十年代发展起来的新一代工业控制装置，是自动控制、计算机和通信技术相结合的产物，是一种专门用于工业生产过程控制的现场设备。由于控制对象的复杂性，使用环境的特殊性和运行的长期连续性，使PLC在设计上有自己明显的特点：可靠性高，适应性广，具有通信功能，编程方便，结构模块化。在现代集散控制系统中，PLC已经成为一种重要的基本控制单元，在工业控制领域中应用前景极其广泛。
在笔者参与开发的某电厂输煤自控系统中，系统要求在远离输煤廊的主厂房控制室里，对两条输煤线的18台设备进行控制，并实时监测设备的运行状态及皮带跑偏的情况。鉴于电厂输煤系统的重要性，我们采用PLC实现输煤设备的联锁控制以保证其可靠性和特殊性，工业控制计算机则作为上位机与PLC互相配合，共同完成输煤系统的监控功能。
本文将主要介绍PLC的控制应用。
1 输煤系统控制要求
输煤系统有两条输煤线，包括给煤机、皮带机、振动筛、破碎机等共18台设备，在电厂中有着极为重要的地位，一旦不能正常工作，发电就会受到影响。为了保证生产运行的可靠性，输煤系统采用自动（联锁）、手动（单机）两种控制方式，自动、手动方式由开关进行切换。由于输煤廊环境恶劣，全部操作控制都在主厂房的主控制室里进行，仪表盘上设有各个设备的启、停按钮，还有为PLC提供输入信号的控制开关。输煤设备控制功能由PLC实现，设备状态监测和皮带跑偏监测以及事故纪录功能则由上级工业控制计算机完成。
为了保证输煤系统的正常、可靠运行，该系统应满足以下要求：
· 供煤时，各设备的启动、停止必须遵循特定的顺序，即对各设备进行联锁控制；
·各设备启动和停止过程中，要合理设置时间间隔（延时）。启动延时统一设定为12s。停车延时按设备的不同要求而设定，分为10s、20s、30s、40s、60s几种，以保证停车时破碎机为空载状态，各输煤皮带上无剩余煤；
·运行过程中，某一台设备发生故障时，应立即发出报警并自动停车，其前方（指供料方向）设备也立即停车。其后方的设备按一定顺序及延时联锁停车；
·各输煤皮带设有双向跑偏开关，跑偏15度时发出告警信号，跑偏30度时告警并自动停车；
·可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
·可在线选择启动备用设备。在特殊情况下可由两条输煤线的有关设备组成交叉供煤方式；
·可显示各机电设备运行状况，并对输煤过程有关情况（报警、自动停机等）做出实时纪录。
2 PLC控制系统设计
2.1 PLC选型
根据输煤系统的自控要求，我们选用了德国SIEMENS 公司最新推出的S7-200型PLC，具有可靠性高、体积小、扩展方便，使用灵活的特点。
基本CPU单元选用的是CPU214，性能如下：2048程序存储器；2048数据存储器；14点输入，10点输出；可扩展7个模块；128个定时器；128个计数器；4个硬件中断、1个定时器中断；实时时钟；高速计数器；可利用PPI协议或自由口进行通信；3级密码保护。
扩展模块选用EM221,8个输入点；EM223,16个输入点，16个输出点。
2.2 系统关系
系统关系如图1所示。
在输煤自控系统中，工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通信，对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样，并在屏幕上显示输煤系统仿真画面，可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏（跑偏15度）时，在屏幕上显示报警画面；当设备发生故障或皮带严重跑偏（跑偏30度）时，在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。
输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号，执行对应程序块，控制电机实现对应的功能：向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号，实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的监测和控制功能。
上级工业控制计算机同时实现对电厂其他系统的监控，由工业控制计算机、输煤系统PLC和其他系统的现场设备（PLC、监控仪表）共同构成分布式系统（DCS）。
2.3 运行模式
根据输煤过程的要求，本系统设计了两种运行模式。在一般情况下，采用并行模式，可根据需要单独选用或同时运行输煤一线和输煤二线。交叉模式是由输煤一线和输煤二线的有关设备组成的，仅在特殊情况下选用。
2.3.1并行模式
并行一线：
联锁开车顺序：10＃皮带机→8＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机→4＃给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机某中一台备用。
并行二线
联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→5＃皮带机→1＃破碎机→1＃振动筛→3＃皮带机→1＃皮带机→1＃给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。
2.3.2 交叉模式
交叉线
联锁开车顺序：9＃皮带机→7＃皮带机→6＃皮带机→2＃破碎机→2＃振动筛→4＃皮带机→2＃皮带机→2＃（3＃）给煤机。
联锁停车顺序：与开车顺序相反，延时时间按上述要求设定。2＃、3＃给煤机其中一台备用。
2.4 PLC程序设计
针对输煤系统的控制要求以及具体控制方案的实现，设计程序流程如图2所示。
2.4.1 程序说明
·子模块0：初始化子程序。在PLC加电时根据各个开关的位置设立标志位。仅在第一个扫描周期执行。
·子模块1：并行一线联锁启停控制程序。根据启动标志位1实现并行一线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
·子模块2：并行二级联锁启停控制程序。根据启动标志位2和实现并行二线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
·子模块3：交叉线联锁启停控制程序，根据启动标志位3实现交叉线的联锁启动、联锁停车，并判断事故停车信号以实现事故停车。
·PLC的输出信号控制电机的接触器，启动送高电平，停止送低电平。但是，1＃破碎机功率达90kW，2＃破碎机功率达110KW，需要降压启动，所以启动时PLC送一个正脉冲，停车时PLC送一个负脉冲。
2.4.2 程序特点
·特殊标志位的使用：使用特殊标志位SM0.1，使得初始化子程序（子模块0）仅在第一个扫描周期执行，而在以后的扫描周期不再执行。这样，个别标志位在PLC加电后不受开关变化的影响。例如，并行模式和交叉模式对应标志位仅在关掉主控开关后才能改变。
·内部标志位的使用：在程序中，利用标志位来表示不同的现场情况和程序状态，增加了程序的可靠性和灵活性。
·程序模块化：程序由不同子模块构成，各子模块独立完成各自功能，互不干扰，因而程序结构清晰，便于修改。
·定时器的使用：程序中，利用不同的定时器来设定不同设备的延时时间，可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。
2.5 部分程序梯形图
图3所示为部分联锁启停控制梯形图，T37用于控制设备的启动延时，T40～T46用于控制相应设备的停车延时，接收到停车信号时，经过相应的延时，对应定时器置位从而实现联锁停车。Q0.3是1#破碎机的启动控制输出通道，启动1＃破碎机时送出一个宽度为2s的正脉冲。Q0.7、Q1.0分别是2＃给煤机、3＃给煤机的控制输出通道，M0.1、M0.2 是内部标志位，用于保证2＃、3＃给煤机始终为一台工作，一台备用。
总之，本系统中，PLC作为现场控制设备，能够可靠、准确地完成控制操作，并且可以通过与上级工控机通信，组成分布式系统共同完成输煤系统的监测、控制要求，是现代工业控制中比较先进的控制方案，应用前景广泛。
目前，本系统已经在内蒙古伊化集团苏尼特碱矿电厂投入运行，能够可靠、准确地完成控制操作，实时监测和记录输煤过程运行状况，并且能对现场出现的各种突发事件及时做出响应，取得了良好的效果。
火电厂输煤系统的任务是卸煤、堆煤、上煤和配煤，以达到按时保质、保量为机组（原煤
仓）提供燃煤的目的。整个输煤系统是火电厂十分重要的支持系统。它是保证机组稳发满发的
重要条件。
输煤系统是火电厂的重要组成部分，其安全可靠运行是保证电厂实现安全、高效不可缺少的环节。输煤系统的工艺流程随锅炉容量、燃料品种、运输方式的不同而差别较大，并且使用设备多，分布范围广。作为一种具有本安性且远距离传输能力强的分布式智能总线网络，lonworks总线能将监测点做到彻底的分散（在一个网络内可带32000多个节点），提高了系统的可靠性，可以满足输煤系统监控的要求。火电厂输煤系统一般都采用顺序控制和报警方式，为相对独立的控制单元系统，系统配备了各种性能可靠的测量变送器。通过运用Lonworks现场总线技术将各种测量变送器的输出信号接入对应的智能节点组成多个检测单元，然后挂接在Lonworks总线上，再通过Lonworks总线与已有的DCS系统集成，实现了对输煤系统更加有效便捷的监控。
在输煤系统中，常用的测量变送器一般有以下几种： （1）开关量皮带速度变送器（2）皮带跑偏开关（3）煤流开关（4）皮带张力开关（5）煤量信号（6）金属探测器（7）皮带划破探测（8）落煤管堵煤开关（9）煤仓煤位开关。
每一种测量变送器和其相对应节点共同组成智能监测单元，对需要监测的工况参数进行实时的监控。监测单元通过收发器接入Lonworks总线网络进行通信，可根据监测到的参数进行控制和发出报警信号，系统的结构如图1所示。
3、 Lonworks总线智能节点的一般设计
智能节点是总线网络中分布在现场级的基本单元，其设计开发分为两种：一种是基于neuron芯片的设计，即节点中不再包含其它处理器，所有工作均由neuron芯片完成。另一种是基于主机的节点设计，即neuron芯片只完成通信的工作，用户应用程序由其它处理器完成。前者适合设计相对简单的场合，后者适应于设计相对复杂的场合。一般情况下，多采用基于芯片的设计。由于智能节点不外乎输入/输出模拟量和输入/输出开关量四种形式，节点的设计也大同小异，对此本文只给出了节点设计的一般方法。
基于芯片的智能节点的硬件结构包括控制电路、通信电路和其它附加电路组成，其基本结构如图2所示。
图2 智能节点基本结构图
Fig 2 Basic Structure Of Node Based On The Neuron Chip
控制电路
①神经元芯片：采用Toshiba公司生产的3150芯片，主要用于提供对节点的控制，实施与Lon网的通信，支持对现场信息的输入输出等应用服务。
②片外存储器：采用Atmel公司生产的AT29C256（Flash存储器）。AT29C256共有32KB的地址空间，其中低16KB空间用来存放神经元芯片的固件（包括LonTalk协议等）。高16KB空间作为节点应用程序的存储区。采用ISSI公司生产的IS61C256作为神经元芯片的外部RAM。
③I/O接口：是neuron芯片上可编程的11个I/O引脚，可直接与外部接口电路连接，其功能和应用由编程方式决定。
通信电路
通信电路的核心收发器是智能节点与Lon网之间的接口。目前，Echelon公司和其他开发商均提供了用于多种通信介质的收发器模块。通常采用Echelon公司生产的适用于双绞线传输介质的FTT-10A收发器模块。
附加电路
附加电路主要包括晶振电路、复位电路和Service电路等。
①晶振电路：为3150神经元芯片提供工作时钟。
②复位电路：用于在智能节点上电时产生复位操作。另外，节点还将一个低压中断设备与3150的Reset引脚相连，构成对神经元芯片的低压保护设计，提高节点的可靠性稳定性。
③Service电路：专为下载应用程序设计。Service指示灯对诊断神经元芯片固件状态有指示作用
节点的软件设计采用Neuron C编程语言设计。Neuron C是为neuron芯片设计的编程语言，可直接支持neuron芯片的固化，并定义了34种I/O对象类型。节点开发的软件设计分为以下几步：
（1）定义I/O对象：定义何种I/O对象与硬件设计有关。在定义I/O对象时，还可设置I/O对象的工作参数及对I/O对象进行初始化。
（2）定义定时器对象：在一个应用程序中最多可以定义15个定时器对象（包括秒定时器和毫秒定时器），主要用于周期性执行某种操作情况，或引进必要的延时情况。
（3）定义网络变量和显示报警：既可以采用网络变量又可以采用显示报警形式传输信息，一般情况采用网络变量形式。
（4）定义任务：任务是neuron C实现事件驱动的途径，是对事件的反应，即当某事件发生时，应用程序应执行何种操作。
（5）定义用户自定义的其它函数 ：可以在neuron C程序中编写自定义的函数，以完成一些经常性功能，也将一些常用的函数放到头文件中，以供程序调用。
4、基于Lonworks总线的火电厂输煤系统与DCS的网络集成
现场总线技术与传统的系统DCS系统实现网络集成并协同工作的情况目前在火电厂中尚为数不多。进一步推动火电厂数字化和信息化的发展，逐步推行现场总线技术与DCS系统的集成是火电厂工业控制及自动化水平发展的趋势。就目前来讲，现场总线技术与DCS集成方式有多种，且组态灵活。根据现场的实际情况，我们知道不少大型火电厂都已装有DCS系统并稳定运行，而现场总线很少或首次引入系统，因此可采用将现场总线层与DCS系统I/O层连接的集成，该方案结构简便易行，其原理如图3所示。从图中可以看出现场总线层通过一个接口卡挂在DCS的I/O层上,将现场总线系统中的数据信息映射成与DCS的I/O总线上的数据信息，使得在DCS控制器所看到的从现场总线开来的信息如同来自一个传统的DCS设备卡一样。这样便实现了在I/O总线上的现场总线技术集成。火电厂输煤系统无论是在规模上，还是在利用已有生产资源的基础上，采用该方案都是可行的，同时也体现了把火电厂某些相对独立控制系统通过现场总线技术纳入DCS系统的合理性。由此可见，现阶段现场总线与系统的并存不仅会给生产用户带来大量收益，而且使用户拥有更多的选择，以实现更合理的监测与控制。
参考文献：
大跨度输煤栈桥结构设计探讨
火电厂输煤控制系统的开发
发电厂输煤计量集控的理论与实践
参考资料：
