摘  要 本文介紹基于和利時(shí)公司 LK系列PLC的熱電廠秸稈上料自動(dòng)化控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)工藝要求提供了一種降低成本、增加可靠性的控制方案，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電廠秸稈上料系統(tǒng)工藝過程及生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制。該系統(tǒng)為冗余熱備CPU配置，性能穩(wěn)定、功能齊全、性價(jià)比高、擴(kuò)展靈活。

　　關(guān)鍵詞  秸稈發(fā)電；上料系統(tǒng)；LK；

　　1 引言

　　高速發(fā)展的中國(guó)經(jīng)濟(jì)對(duì)能源和環(huán)保提出了越來越高的要求，利用秸稈燃燒發(fā)電是充分利用能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效途徑之一。據(jù)測(cè)算，每?jī)蓢嵔斩挼陌l(fā)電量相當(dāng)于一噸煤，不僅如此，環(huán)境國(guó)際能源機(jī)構(gòu)的研究表明，秸稈還是一種很好的清潔可再生能源，其平均含硫量只有3.8‰，而煤的平均含硫量卻高達(dá)1%。除了具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，秸稈發(fā)電還具有可觀的社會(huì)效益，根據(jù)清潔發(fā)展機(jī)制（CDM），秸稈發(fā)電項(xiàng)目可以通過出售溫室氣體減排量來獲取建設(shè)資金。因此，從節(jié)能環(huán)保、充分利用農(nóng)村再生資源、建設(shè)環(huán)境友好型社會(huì)的角度出發(fā)，利用秸稈燃燒發(fā)電在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，成為利國(guó)利民的“朝陽”產(chǎn)業(yè)。

　　本文介紹的基于LK系列PLC的控制系統(tǒng)在滿足熱電廠設(shè)備安全、高效運(yùn)行的同時(shí)，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，社會(huì)效益和推廣前景，目前已成功應(yīng)用于連云港協(xié)鑫熱電廠和寶應(yīng)協(xié)鑫熱電廠秸稈上料系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)。

　　2 工藝流程介紹

　　2.1 秸稈發(fā)電工藝介紹

　　協(xié)鑫熱電廠采用秸稈為原料，將其打碎并包裝成捆，上料系統(tǒng)將深加工后的秸稈燃料通過散包機(jī)進(jìn)行二次打碎，并將二次打碎后的燃料分散成碎料送至皮帶機(jī)，皮帶將分散后的秸稈碎料送入蒸汽爐的加熱系統(tǒng)內(nèi)充分燃燒，使蒸汽爐循環(huán)水轉(zhuǎn)變?yōu)樗魵馔苿?dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，再由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。整個(gè)上料系統(tǒng)包括散包機(jī)的原料分散和皮帶機(jī)的物料輸送兩部分。

　　2.2 秸稈發(fā)電上料系統(tǒng)

　　散包機(jī)原料分散系統(tǒng)

　　散包機(jī)由壓料輥、導(dǎo)料輥、輸送輥、一次側(cè)散包機(jī)、二次側(cè)散包機(jī)幾部分組成。秸稈燃料進(jìn)入散包機(jī)后，先由壓料輥將其進(jìn)行二次粉碎，粉碎后的燃料通過導(dǎo)料輥進(jìn)入輸送輥。后由輸送輥送入一次側(cè)散包機(jī)進(jìn)行分散作業(yè)，分散后再次經(jīng)由輸送輥送至二次側(cè)散包機(jī)進(jìn)行二次分散作業(yè)。

　　皮帶機(jī)物料輸送系統(tǒng)

　　經(jīng)二次分散作業(yè)后的秸稈燃料由散包機(jī)進(jìn)入皮帶機(jī)內(nèi)，燃料由0#皮帶機(jī)/1#皮帶機(jī)→2#皮帶機(jī)→3#皮帶機(jī)，最后由3#皮帶機(jī)將其送入加熱爐的爐膛內(nèi)進(jìn)行燃燒。

圖  1   上料系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　3 自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　協(xié)鑫秸稈發(fā)電廠控制系統(tǒng)分為生產(chǎn)管理級(jí)、現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)和就地控制級(jí)三層結(jié)構(gòu)，利用高速工業(yè)以太網(wǎng)（TCP/IP協(xié)議）進(jìn)行連接以實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享，其優(yōu)先級(jí)分別為就地控制級(jí)最高，其次為現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，最低為生產(chǎn)管理級(jí)。由LK組成的現(xiàn)場(chǎng)控制站位于該系統(tǒng)的的現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)，并接入電廠原有的DCS系統(tǒng)中。

圖  2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　生產(chǎn)管理級(jí)

　　位于蒸汽爐、汽輪機(jī)聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)控制室內(nèi)，由原有DCS監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。各監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)主要工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及顯示。上料輸送系統(tǒng)的PLC控制站通過串口通訊，與DCS系統(tǒng)的通訊服務(wù)器連接并由該服務(wù)器將PLC控制站數(shù)據(jù)傳入DCS的I/O服務(wù)器內(nèi)，I/O服務(wù)器上運(yùn)行的監(jiān)控軟件將該數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示并下發(fā)控制命令。

　　現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)

　　即PLC控制級(jí)，由LK大型PLC構(gòu)成，采用CPU雙機(jī)熱備的冗余結(jié)構(gòu)，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。其功能是讀取上料系統(tǒng)中散包機(jī)和各皮帶機(jī)的運(yùn)行參數(shù)并根據(jù)生產(chǎn)管理系統(tǒng)下發(fā)的指令來控制系統(tǒng)中各設(shè)備的運(yùn)行。采集數(shù)據(jù)主要包括散包機(jī)各組成部分變頻器的運(yùn)行狀態(tài)、反饋電流以及故障信號(hào)；皮帶機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、反饋電流及各皮帶機(jī)的在線檢測(cè)開關(guān)信號(hào)。現(xiàn)場(chǎng)控制級(jí)接受生產(chǎn)管理級(jí)的調(diào)度，但并不依賴于生產(chǎn)管理級(jí)而運(yùn)行，若監(jiān)控計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障或并沒有投入使用亦或通信網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，該控制站仍能正常工作，對(duì)整個(gè)工藝過程沒有影響。

　　就地控制級(jí)

　　將設(shè)備切換到現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的就地手動(dòng)控制。就地手動(dòng)控制具有最高的優(yōu)先級(jí)，主要應(yīng)用在設(shè)備調(diào)試、維護(hù)階段。

　　秸稈發(fā)電廠上料控制系統(tǒng)采集原料分散系統(tǒng)中負(fù)責(zé)控制壓料輥、導(dǎo)料輥、送料輥、一次側(cè)散包輥和二次側(cè)散包輥等設(shè)備的變頻器狀態(tài)信號(hào)及數(shù)據(jù)信號(hào)并對(duì)以上設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)；實(shí)時(shí)讀取并控制物料輸送系統(tǒng)中各皮帶機(jī)的工作狀態(tài)，包括各皮帶機(jī)組的A/B兩條皮帶的啟停控制及防撕裂、打滑、堵料、跑偏、拉繩等在線檢測(cè)開關(guān)。

　　4 工藝控制策略

　　A/B組傳動(dòng)系統(tǒng)分為兩個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示，系統(tǒng)1是輸送整料的，需要散包機(jī)分散，然后進(jìn)入2#皮帶機(jī)、3#皮帶機(jī)，最后進(jìn)料倉；系統(tǒng)0是輸送散料的，不需要散包機(jī)分散，經(jīng)0#皮帶機(jī)、2#皮帶機(jī)、3#皮帶機(jī)進(jìn)入料倉。具體過程如下4.1 系統(tǒng)0控制

圖  3 系統(tǒng)0控制順序圖

　　系統(tǒng)0啟動(dòng)

　　3#皮帶機(jī)是系統(tǒng)的末端，直接進(jìn)料倉或鍋爐。必須先起動(dòng)，否則就會(huì)發(fā)生堵料現(xiàn)象，即優(yōu)先級(jí)最高，在皮帶機(jī)3# 啟動(dòng)60s正常運(yùn)行后在啟動(dòng)2#皮帶機(jī)。同理順次啟動(dòng)皮帶機(jī)0#。

　　系統(tǒng)0停止

　　系統(tǒng)停止控制與啟動(dòng)順序正好相反，從進(jìn)料端順序停止。相應(yīng)的皮帶機(jī)要做延時(shí)停止，保證物料完全被傳送出去。

　　4.2 系統(tǒng)1控制

　　系統(tǒng)1啟動(dòng)

　　3#皮帶機(jī)是系統(tǒng)的末端，直接進(jìn)料倉或鍋爐。必須先起動(dòng)，否則就會(huì)發(fā)生堵料現(xiàn)象，即優(yōu)先級(jí)最高，在皮帶機(jī)3# 啟動(dòng)60s正常運(yùn)行后在啟動(dòng)2#皮帶機(jī)。同理順次啟動(dòng)皮帶機(jī)0#、散包機(jī)。

　　系統(tǒng)1停止

　　系統(tǒng)停止控制與啟動(dòng)順序正好相反，從進(jìn)料端順序停止。相應(yīng)的皮帶機(jī)要做延時(shí)停止，保證物料完全被傳送出去。

圖  4 系統(tǒng)1控制順序圖

　　故障處理

　　系統(tǒng)中的設(shè)備都提供了故障信號(hào)，根據(jù)故障信號(hào)停止相應(yīng)的設(shè)備。一般在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)某一個(gè)皮帶機(jī)或散包機(jī)發(fā)生故障時(shí)，其相應(yīng)的聯(lián)鎖設(shè)備也會(huì)停止，保障系統(tǒng)的安全。如圖5所示

圖  5故障處理示意圖

　　5 系統(tǒng)功能

　　協(xié)鑫熱電廠上料輸送系統(tǒng)通過將PLC控制站接入原有DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)工藝流程的監(jiān)測(cè)、控制以及數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、分析以及報(bào)表打印等任務(wù)。
　
　　工藝流程顯示

　　顯示工藝流程的同時(shí)將所有的設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)以及各控制回路的詳細(xì)參數(shù)等進(jìn)行了有針對(duì)性的實(shí)時(shí)采集與顯示。
　
　　設(shè)定值顯示

　　包括所有必需參數(shù)的設(shè)定值、控制方式、調(diào)節(jié)參數(shù)以及其它聯(lián)鎖值、報(bào)警值等。

　　報(bào)警顯示

　　包括實(shí)時(shí)報(bào)警、歷史報(bào)警。系統(tǒng)可在線診斷各類故障，查找故障部位并報(bào)警。包括工藝數(shù)據(jù)報(bào)警、設(shè)備故障報(bào)警、系統(tǒng)故障報(bào)警，根據(jù)不同的報(bào)警信息提供不同的報(bào)警畫面，在故障確認(rèn)后可實(shí)現(xiàn)報(bào)警解除。

　　報(bào)表顯示和打印

　　采用了DDE技術(shù)，從而使用戶能夠直接使用Excel編制報(bào)表。借助Excel的強(qiáng)大功能，用戶可以隨心所欲地編制各種各樣的報(bào)表。可以是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的報(bào)表，也可以是歷史數(shù)據(jù)的報(bào)表。

　　歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與檢索

　　對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間最長(zhǎng)為10年。可以通過歷史報(bào)表或者歷史趨勢(shì)曲線的方式來檢索歷史數(shù)據(jù)。

　　控制

　　在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上可以進(jìn)行遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，使用鼠標(biāo)、鍵盤控制PLC來啟動(dòng)和停止現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。

　　操作記錄

　　對(duì)重要設(shè)備的操作、重要參數(shù)的修改均會(huì)自動(dòng)記錄，包括登錄的操作員、對(duì)設(shè)備進(jìn)行的操作、時(shí)間以及修改前的參數(shù)值、修改后的參數(shù)等，以利于管理及事故分析。

　　系統(tǒng)的安全管理

　　系統(tǒng)設(shè)置為多用戶、多區(qū)域方式，各類用戶均有自己的用戶名和密碼，對(duì)應(yīng)著不同的安全級(jí)別，決定了操作員可觀察的范圍、可使用的功能、可修改的參數(shù)等。最多可以設(shè)置為8級(jí)用戶、8級(jí)區(qū)域。

　　6 控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

　　本方案以PLC監(jiān)控計(jì)算機(jī)為核心，通過以太網(wǎng)通訊方式，將現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站與監(jiān)控計(jì)算機(jī)連接起來，構(gòu)成一個(gè)分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　先進(jìn)性

　　本方案設(shè)計(jì)中不僅采用了先進(jìn)的軟、硬件，而且著眼于企業(yè)“管控一體化”的需求，貫徹了數(shù)字化、信息化電廠的先進(jìn)思想，使企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步智能應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。該方案使控制系統(tǒng)有機(jī)地成為企業(yè)整個(gè)IT架構(gòu)的一部分。

　　本系統(tǒng)采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于熱電廠的生產(chǎn)控制、運(yùn)行操作、監(jiān)視管理。控制系統(tǒng)配有可靠的硬件設(shè)備，和功能強(qiáng)大，運(yùn)行可靠，界面友好的系統(tǒng)軟件、編程軟件和控制軟件。
　　
　　高可靠性

　　控制系統(tǒng)在嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期、穩(wěn)定地運(yùn)行。系統(tǒng)組件的的設(shè)計(jì)符合真正的工業(yè)等級(jí)，滿足國(guó)內(nèi)、國(guó)際的安全標(biāo)準(zhǔn)。并且易配置、易接線、易維護(hù)、隔離性好，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，抗腐蝕，適應(yīng)較寬的溫度變化范圍。

　　CPU雙機(jī)熱備，任何一個(gè)故障均不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

　　現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC對(duì)工藝過程的控制不會(huì)因監(jiān)控計(jì)算機(jī)的癱瘓而受影響。

　　現(xiàn)場(chǎng)控制站的PLC能夠在惡劣的環(huán)境中長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，平均無故障間隔時(shí)間（MTBF）15年。
　　
　　強(qiáng)大的功能

　　PLC的編程語言符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)，易學(xué)、易懂、易用。

　　高速工業(yè)以太網(wǎng)作為系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸、高度數(shù)據(jù)共享。

　　組態(tài)軟件圖庫豐富，網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，報(bào)警、報(bào)表、歷史數(shù)據(jù)以及二次開發(fā)功能完善且易用。

　　7 結(jié)束語

　　投運(yùn)以來，由LK大型PLC控制的協(xié)鑫熱電廠秸稈上料輸送系統(tǒng)至今運(yùn)行。實(shí)踐證明，LK大型PLC能較好地滿足秸稈上料系統(tǒng)的控制要求，對(duì)整個(gè)上料系統(tǒng)及熱電廠的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有力保障。該設(shè)計(jì)方案整體成本較低、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、維護(hù)成本低、可操作性高，在市場(chǎng)中具備強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)力，為熱電廠行業(yè)增添了一套完善的解決方案。

　　參考文獻(xiàn)

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