浅析输煤PLC系统自动化程度及抗干扰性

中国国电集团公司中级专业技术资格论文浅析输煤 PLC 系统自动化程度及抗干扰性作者：魏斌工作单位：国电电力发展有限公司朝阳发电厂岗位名称：电控分厂电控班现专业技术资格：助理级工程师拟申报技术资格：中级工程师分支专业：生产检修论文撰写时间：2017 年 03 月2浅析输煤 PLC 系统自动化程度及抗干扰性魏斌（国电电力朝阳发电厂 辽宁省 朝阳市 122000）【摘 要 】 近年来随着自动化技术水平的不断提高，大型火电厂发电机组主机设备也都配备了具有高自动化程度、高适应性、高抗干扰性的完善的控制系统。 随着电力行业竞争的日趋激烈，电力体制的改革也不断的趋于完善，提高设备的自动化程度及抗干扰程度，从而达到减少劳动强度的目的。由于火电厂的输煤系统的特点是运行情况恶劣，条件复杂，转动机械多，作业线长，设备分散，尤其对运行人员来讲，现场工作员过多且工作强度大，并且粉尘，噪音等影响运行人员的身心健康。因此，火电厂输煤程控技术是提高输煤系统自动化程度及抗干扰性能的必然选择，也是火电厂提高市场竞争能力的必然要求。可编程控制器 PLC 是一种新型的控制装置，具有功能强、编程简单、功耗低、可靠性高、环境适应性好等优点。近年来在电力行业有着广泛的应用。【关键词】 PLC 可编程控制器 电源模块 CPU 模块 I/O 模块 第一章 绪论1.1 引言现代机械设备的功能越来越多，性能指标越来越高，组成和结构越来越复杂，同时对设备管理与维修人员的素质要求也越来越高。一方面大大促进了生产的发展，主要表现在提高了生产率，改善了产品质量，降低了成本和改善了工人劳动条件，同时也节约了能源和精简了人员。另一方面也潜伏着一个很大的危机，即一旦发生故障所造成的直接、间接损失将是十分严重的。皮带输送系统因其结构简单，使用方便，造价低廉，被广泛应用于工业、商业、农业、医药、军事等方面，在采矿运输、冶金送料、车站及码头的货物运输更是广泛使用，同样，发电厂的输煤系统也采用皮带传输。皮带传输系统随着发电厂规模的逐渐扩大，煤耗量也逐渐提高，对发电厂输煤系统的性能要求越来越高。1.2 PLC 可编程控制器系统可编程控制器，英文称 Programmable Controller ，简称 PC。为了与个人计算机的 PC（Personal Computer）相区别，一般用 PLC（Programmable Logic 3Controller）作为其简称。国际电工委员会（IEC）1985 年 1 月对可编程序控制器作过如下定义：“可编程序控制器是一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统联成一个整体、易于扩充功能的原则设计” 。 PLC系统主要由中央处理器 CPU、存储器 RAM(或 ROM)、 I/O 接口模块及数据通讯模块等组成。第二章 输煤 PLC 控制系统结构、功能2.1 输煤程控系统概况1）以东胜热电厂为例，介绍输煤程控系统的组成及设备情况，分析输煤程控系统的监控方式及特点，系统应达到的控制要求，并简单介绍一下工业电视监控系统的组成及功能。完成设计输煤程控系统的关键部分:输煤、配煤的功能设计，实现输煤程控系统的控制功能要求。2）其中程控系统共有 3 段六条皮带，燃煤从两个筒仓通过皮带输送到两炉共 14 个煤仓中。3）两条 C-1A/B 号皮带各约 64 米；4）两条 C-2A/B 号皮带各约 366 米；5）两条 C-3A/B 号皮带各约 175 米；6）筒仓煤位检测高度 40 米，煤仓检测煤位高度 15 米。7）主要设备有三段共八台驱动电机，其中 C2A 和 C2B 两条皮带电机是 6KV电机，其余都是 380V 电机。8）输煤程控系统的配置方案：上位机子站的型式，上位机（包括主站）布置在输煤综合楼的输煤控制室内；子站分别布置在煤仓间，T-1 转运站。合计有电源屏一台，CPU 柜一台，主站 I/O 柜一台，煤仓间子站两台，T-1 转运站子站一台。9）程控系统上位机布置在输煤程控室，共有两台工业控制计算机，一套冗余配置的 PLC。工控机负责监视、操作和记录功能，PLC 处理所有的输煤设备控制逻辑。42.2 输煤程控系统设备组成1）C1 段皮带有 2 台 380V 主驱动电机， 8 台活化给煤机（A、B 两侧各有4 台） ，2 台伸缩电机（另有两台伸缩锁定电机） ，2 台除铁器，2 套除尘器。2）C1 段皮带保护及传感器有 2 台低速开关，2 台撕裂传感器，12 台拉绳开关，12 台跑偏开关。3）C2 段皮带有 2 台 6KV 主驱动电机，2 台 6KV 辅驱动电机，2 套软启动器，2 台拉紧电机，2 台制动电机，2 套煤采样装置，2 台皮带秤，2 套链码校验装置，2 台三通挡板。4）C2 段皮带保护及传感器有 2 台低速开关，2 台撕裂传感器，52 台拉绳开关，52 台跑偏开关。5）C3 段皮带有 2 台 380V 主驱动电机，2 台拉紧电机，26 台犁煤器，14套除尘器。6）C3 段皮带保护及传感器有 2 台低速开关，2 台撕裂传感器，28 台拉绳开关，28 台跑偏开关。7）筒仓顶部安装 2 台料位计，4 个超声波传感器。8）煤仓顶部安装 7 台料位计，14 个超声波传感器。2.3 输煤程控系统配煤功能配煤控制功能分为手动配煤和自动配煤。（1） 手动配煤是在上位机上手动操作对煤仓逐一配煤，上位机显示器有煤仓煤位实时显示画面，但是到高煤位后并不连锁抬犁煤器或停皮带，在自动配煤中犁煤器是自动抬起和落下的。（2）自动配煤指根据锅炉的加仓要求，由操作员通过上位系统发出指令，由程控系统根据现场煤位信号按低煤位优先、顺序高煤位等原则自动加煤。自动配煤分为：条件配煤和时间配煤。1）条件配煤方式a）当皮带启动后，首先遵循低煤位优先的原则，先补漏眼煤仓（低于 1 米的煤仓） ，当各运行煤仓均加到低煤位以上时，按顺序把煤仓逐个加至高煤位，通过工控机屏幕菜单可随意设置配煤方式。(分为正向条件配煤和反向条件配煤)b）正向条件配煤：从第一个斗开始，当第一个煤斗达到高煤位后，第一个5斗犁煤器抬起，第二个斗犁煤器落下，开始给第二个斗上煤。c) 反向条件配煤：和正向条件相反，从最后一个斗开始上煤，达到高煤位后依次从后往前上煤。2)时间配煤方式a)当皮带启动后，首先遵循低煤位优先的原则，先补漏眼煤仓（低于 1 米的煤仓） ，当各运行煤仓均加到低煤位以上时，犁煤器按事先设定好的时间，顺序逐个上煤，当完成一个循环后再返回，直到全部煤仓加到高煤位为止。在运行过程中通过工控机屏幕菜单可随时改变配煤方式，从时间配煤可转至条件配煤，反之亦可。正向时间配煤为：从 1#斗开始每个斗上煤几分钟后，然后第一个犁抬起，第二个犁落下，给第二个斗上煤。b)正向时间配煤：从第一个斗开始，当第一个煤斗上煤几分钟后，第一个斗犁煤器抬起，第二个斗犁煤器落下，开始给第二个斗上煤，上煤时间是和第一个斗的时间是一样的。c)反向时间配煤：和正向时间相反，从最后一个斗开始上煤，上煤几分钟后，开始对倒数第二个斗上煤，时间和正向时间配煤的时间是一样的。d)时间配煤方式中的配煤时间是可以在上位机设置的，但是最少不得少于1 分钟，建议最多不可超过 10 分钟。由于现有的料位计在起初订货时，给我们的参数有误，我们按合同供货后，与现场的煤斗量程不符，现建议在自动配煤前，先将各个煤斗上一些煤，待画面显示料位稳定后，再进行自动配煤即可。3)煤斗配煤的跳斗和补漏在程控配煤方式下运行时，如果在正常配煤过程中又出现低煤位煤斗时，程序自动中断当前的配煤方式，为低煤位煤斗上煤，其它煤斗的犁煤机自动抬起。一直到此煤斗煤位高于低煤位(并延时 1 分钟)时，才回到被中断的程序处，继续向被中断配煤的原煤斗配煤，程序继续按原定顺序执行。1)如果出现高煤位或犁煤机故障，则程序会自动跳过此煤斗。2)如果有煤斗和犁煤机检修或者此煤斗检修，可以在检修设置菜单中把此煤斗和犁煤机设置为检修状态，则程序会自动跳过这个原煤斗，向程序的下一个原煤斗配煤。4)尾犁的设置在执行自动配煤程序时，根据各煤斗的煤位情况，尾犁是自动设置的。当最后一个煤斗不是高煤位时，则由最后一个斗作收煤斗，否则落前一个斗的犁6煤机作尾犁。同理依次类推。在手动配煤时，由运行人员控制尾犁的设置,不可以不设置尾犁。2.4 故障监测及保护连锁功能输煤系统的各设备均可实现与时间和条件有关的连锁，令系统在满足生产工艺要求的前提下稳定可靠运行，故障监测程序具有对故障信号自动处理及数字滤波的功能，以消除干扰信号对系统的影响。系统还可对皮带输送机等大型设备进行过流保护监测，对拉线开关状态、皮带打滑、皮带跑片、皮带撕裂、落煤筒堵塞等故障信号进行监测，并进行停机或切换处理，以保护人身安全及设备免受其害。开关量信号、模拟量信号及远程通讯端口具有继电器或光电隔离保护装置或措施，以确保信号传输的安全性。2.4.1 输煤控制系统硬件配置1)火电厂输煤程控系统是对整个输煤系统进行自动控制和管理及各项数据采集的一种自动化装置，用于实现输煤系统设备的程控操作和实时监控。整个系统的监视对象包括皮带输送机、除尘器、犁煤机等，同时其相关的皮带跑偏、打滑、纵向撕裂、堵煤以及煤位、煤流等保护和诸多的检测信号也要求进入系统，从而实现输煤系统的自动控制和监视。2)输煤程控系统由上位机监控管理系统、PLC 系统及传感器检测保护装置组成。主设备布置在输煤控制室，主要有 PLC 主机柜、上位机、操作台、电源柜等。该系统由 2 台工业控制计算机互为热备，可编程控制器的处理器 CPU 亦为双机热备，通讯为双网冗余，设置多个远程 IO 子站，输入 /输出采用继电器隔离。皮带运行状态及现场设备通过传感器监测，经可编程控制器及工业控制计算机显示在 CRT 上，供运行人员监视与操作现场输、配煤设备。工业电视可独立自成系统，也在计算机管理系统控制下工作，并设有电视自动跟踪系统进行报警和故障停车。第三章 存在问题3.1 系统在以下几个方面存在问题并可以改善(1)输煤系统的可靠性与输煤系统的组成结构有紧密联系，否则无论控制系统如何控制都无法保证其可靠性。7(2)输煤系统中可以实现多种优化控制，例如煤仓煤位最均衡、犁刀动作次数最少、皮带机运行时间最短等，而目前的输煤程序控制系统均没有实现这些功能。(3)要实现输煤系统的优化控制就必须掌握输煤系统的数学模型，而现在对输煤系统的描述几乎没有。(4)输煤系统分别的范围比较大，采用单台 PLC 实现，不仅工作量大，而且维护较困难，因此可以采用多台 PLC 进行联网控制 6。同时，采用仿人智能理论、MATLAB 等手段和工具对输煤系统的重要功能一优化控制和运行可靠性进行研究，并确定以皮带机运行时间最短为研究目标。3.2 火电厂输煤程控系统的抗干扰措施输煤设备的运行环境十分恶劣，大多数电气控制柜置于地平线以下，其湿热、高粉尘环境大大增加了电气接线和继电器吸合方面的故障，控制电缆接地也是经常发生的故障，同时，由于控制电缆与高压动力电缆在一个电缆沟内远距离传输产生较高的感应电压，造成偶然性的误信号。新系统应尽可能地缩短电缆敷设距离和尽量少地使用电缆。输煤系统运行中，各种干扰信号多，是影响输煤程控系统稳定运行的重要因素。要使输煤程控系统安全稳定运行，增加其抗干扰能力是十分重要的。作为一种应用于工业控制的自动装置，PLC 本身具有一定抗干扰能力，比较适应工业现场环境。尽管如此，由于我厂输煤系统运行条件恶劣，各类干扰信号较多，使得抗干扰问题成为输煤程拴设计、调试及运行中的一大难题。许多电厂输煤程控系统不能长期稳定运行，抗干扰能力差是其最主要的原因。3.3 抗干扰措施分析3.3.1 硬件措施(1)信号隔离目前在电厂输煤程控系统中，现场设备与加模块之间的开关量信号是否需经继电器隔离，一直是设计中争论的焦点。有观点认为不需经继电器隔离，可将现场信号直接送到模块，理由是 I/0 模块本身具有一定抗干扰能力，模块内的光电隔离器使信号在其内部、外部电路上完全隔离，再加上阻容滤波电路，便可有效防止干扰的侵入。同时， 由于省去了中间继电器，系统接线简化，系8统故障点也随之减少。我们通过对我厂输煤系统外部环境、PLC 装置内部电路的分析以及实地运用的考察，认为 PLC 自身有良好的抗干扰性能，但在输煤控制时采用继电器隔离仍是十分必要。 (2)接地屏蔽在程控系统中，良好接地可消除各电路电流经公共地线阻抗时产生的噪声电压，避免磁场及电位差的影响，使其形不成地环路。接地是抑制干扰使系统可靠工作的重要方法，和屏蔽结合起来使用即可解决大部分干扰问题。在低频电路中，布线和元件问的电感并不是大问题，而接地形成的环路干扰影响却很大，因此通常采用单点接地的方式 。 PLC 控制系统属于低频范畴(1MHZ以下)，也应遵循单点接地的原则。为防止不同类型地线之间的干扰，设计时将系统中的数字地、模拟地、屏蔽地分别相连，然后汇集到总的接地点，接入输煤系统接地网。(3)采用两路电源分别供电输煤程控两路电源都取自输煤综合楼 MCC 上，而输煤综合楼 MCC 电源取自输煤段，输煤系统中的碎煤机电源也取自输煤段，在程控状态下启动碎煤机，因碎煤机启动电流大(390V，100A 左右)，对系统冲击大，电压瞬间降低大，经常造成 PLC 主机死机，导致碎煤机不能启动。通过多次现场试验和实际操作，单独取一路电源(与碎煤机不在同一电压系统上)，就会消除这一问题，保证了程控系统的稳定运行。(4)电缆选择与铺设信号传输线之间的相互干扰主要来自导线间分布电容、电感引起的电磁祸合，防止干扰的有效方法首先是注意电缆的选择，应选用金属屏蔽型的控制、信号电缆，一方面减少了噪声干扰，另一方面也增强了电缆的机械强度；其次，电缆的铺设施工也是一项重要的工作，施工时应将动力电缆和控制电缆分开，控制电缆中将强电电缆和弱电电缆分开。同时还要注意尽量把模拟量信号线开头量信号线、直流信号线和交流信号线分开布线，以减少不同类型信号间的干扰10。3.3.2 软件措施在 PLC 控制系统中，除采用硬件措施提高系统的抗干扰能力外，我们还利用9其计算速度快的特点，充分发挥软件优势，以确保系统既不会因干扰而停止工作，又能满足工程所要求的精度和速度。数字滤波和软件容错是达到这一目的的两种经济、有效的方法。(1)数字滤波对于较低信噪比的模拟量信号，常因现场瞬时干扰而产生较大波动，若仅用瞬时采样值进行控制计算，会产生较大误差，为此我们采用了数字滤波方法。现场模拟量信号经 AD 转换后变为离散的数字量信号，然后将形成的数据按时间序列存入 PLC 内存， 再利用数字滤波程序对其进行处理，滤去噪声部分获得单纯信号。我们在程序设计时，要求厂家对设备工作电流、皮带秤煤量、碎煤机温度及振动、煤仓煤位等模拟量信号采取平均值滤波的方法进行预处理，对输入信号用 10 次采样值的平均值来代替当前值，但并不是通常的每采样 10 次求一次平均值，这种方法反映速度快，具有更好的实时性。输入信号经处理后用于信号显示或回路调节，有效降低了噪声干扰 12。(2)软件容锗由于输煤系统现场环境恶劣，干扰信号较多，I0 信号传送距离也较长，常常会使传送的信号有误。为提高系统运行可靠性，使 PLC 在信号出错的情况下能及时发现错误，并能排除错误的影响继续工作，在程序编制中还应用了软件容错技术。以上几种抗干扰措施是根据火电厂输煤系统和 PLC 的应用特点而提出，但对于其它场合的 PLC 程控系统也同样具有推广应用价值。从东关火电厂程输煤程控系统现场调试过程中的实际应用，以及现场实际运行表明，综合运用上述抗干扰措施能够基本消除现场干扰信号的影响，从而保证输煤程控系统的可靠运行。第四章 结论本文介绍了 PLC 输煤程控技术的关键设备-可编程控制器及其网络的组成结构、特点以及工作方式，并根据霍林河坑