（精密仪器及机械专业论文）基于ControlNet的集散控制技术在除渣系统中的应用.pdf

摘要 本文针对国电常州电厂水力除碴系统，采用罗克韦尔自动化公司的 c o n t r o l l o g i x 5 5 6 l 双机热备系统、c o n t r o l n e t 通信模块、研华工控机和i n t o u c h 组 态软件等设计了一个基于c o n t r o l n e t 现场总线的集散型控制系统。本文主要内容包 括：现场设备电气控制的设计、系统过程控制部分的硬件设计、系统控制软件的设计 与编写( p l c 控制软件、上位机监控软件等) 等几部分 现场设备电气控制主要包括设备的主控电路、辅助控制电路以及现场手动操作等 部分；系统过程控制部分主要完成现场与p l c 、上位机的数据通讯，现场设备的远程 程序控制等功能。本系统采用远程站程控、远程单设备软手操及现场手操等三种控制 方式相结合，实现了除渣系统要求的功能。 经过实践论证，本系统能够有效地实现对水力除渣过程的自动监控，提高系统的 安全可靠性、自动化水平。这也证明了用现场总线技术与p l c 集成形成的控制系统， 切实可行，具有潜在的市场影响力。这种集成控制系统在常州火电厂的水力除渣系统 的成功运用，对于它在其它电厂或者其它领域的应用有一定的参考价值。 关键词：除渣系统现场总线工业以太网可编程控制器集散型控制系统 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r 。b a s e do nc o n t r o l n e tf i e l db u s ，ad i s t r i b u t e d - c o n t r o ls y s t e m i sd e v e l o p e d ，r e a l i z i n gt h em o n i t o r i n go ft h ew a t e rp o w e rs l a gh a n d l i n gs y s t e m i ng d c f i nt h ed e s i g n ，c o n t r o l l o g i x 5 5 6 1r e d u n d a n c yc o n t r o ls y s t e mo fr o c k w e l l ， c o n t r o l n e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e ro fh d v a n t e c h a n dt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo fi n t o u c ha r eu s e d t h ep a p e ri n c l u d e st h e e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fl o c a l ee q u i p m e n t ，t h ed e s i g no fs y s t e mh a r d w a r e ， t h ed e s i g no fs y s t e ms o f t w a r ea n ds oo n t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mo fl o c a l ee q u i p m e n ti n c l u d e sh o s tc o n t r o l c i r c u i t ，a s s i s t a n tc o n t r o lc i r c u i ta n dl o c a l em a n u a lh a n d l ea n ds oo n a n d t h ec o m m u n i c a t i o na m o n gl o c a l ee q u i p m e n t ，p l ca n di p ci sr e a l i z e dt h r o u g ht h e c o n t r o lp a r to fs y s t e 札t h ec o n t r o lo fl o c a l ee q u i p m e n ti sr e a l i z e dt h r o u g h t h ec o n t r o lp a r to fs y s t e m ，t o o a d o p t e dt h em e t h o dw h i c hm a d eu po fr e m o t e a u t o - c o n t r o l ，r e m o t es i n g l e c o n t r o la n dl o c a l ec o n t r o l ，t h ef u n c t i o no fw a t e r p o w e rs l a gh a n d l i n gs y s t e mi sr e a l i z e d b a s e do nt h es u f f i c i e n tp r a c t i c a la r g u m e n t a t i o n ，t h ep a p e rp r o v e st h a t t h i ss y s t e mc o u l de f f e c t i v e l yr e a l i z ea u t o m a t i cm o n i t o r i n ga n da u t o m a t i c e n h a n c e m e n to ft h ew a t e rp o w e rs l a gh a n d li n gp r o c e s ss a f e l y ，t h ec o n t r o l s y s t e mw h i c hc o m b i n e st h ef i e l db u st e c h n o l o g yw i t ht h ep l cl o o k sp r a c t i c a l a n df e a s i b l ef r o mt h et e c h n i c a la n g l e ，h a sp o t e n t i a lm a r k e ti n f l u e n c e t h e s u c c e s s f u l l yu t i l i z a t i o no ft h i sk i n do fi n t e g r a t i o nc o n t r o ls y s t e mi nw a t e r p o w e rs l a gh a n d i i n gs y s t e mi np o w e rp l a n to fg d c f ，h a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e f o ro t h e ru s ei no t h e rp o w e rp l a n t so ro t h e rd o m a i n sa p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：s l a gh a n d l i n gs y s t e m ，f i e l db u s ，i n d u s t r i a le t h e r n e t ，p l c 。d c s 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：叵：壁叁 州年6 月；口日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：空：卒塞 “年月吾一日 田硕士论文 基于c o n t r o l n e t 的集散控翻技术在除渣系统中的应用 l 绪论 i 1 课题的研究背景及意义 在过去，国内火力发电厂的主控系统都普遍采用了d c s 技术，但外围辅助系统， 包括除灰系统、输煤系统、水处理系统等采用了独立、分散的常规控制系统。尽管有 些老电厂的辅助系统经过改造升级，配备了较高档次的自动化控制系统和智能化仪表， 但是由于各辅助系统采用的控制系统不一，技术水平不同、监控方式各异。这就造成 了每个辅助系统都需配备一定的运行人员，使电厂劳动生产率的进一步提高受到阻碍 “埘嘲也有些新建电厂的辅助系统采用了i ) c s 技术，但是由于火电厂的辅助系统数 量多，按较小系统分有输煤系统、燃油泵房、除灰除渣系统、干灰输送系统、电除尘 控制系统、化学水处理系统、凝结水处理系统、废水处理系统、循环水系统、锅炉吹 灰系统等如果电厂的辅助系统都采用d c s 技术，那么电厂在辅助系统上投入的预算 资金比例将大大提高这些辅助系统除锅炉吹灰系统外，输煤系统、燃油泵房、除灰 除渣系统、化学水处理系统、凝结水处理系统、废水处理系统、循环水系统等遍布于 全厂，即使减少了d c s 的数量，但d c s 系统需要信号处理、转换、隔离等功能，相应 需要复杂的接线，现场信号的连接电缆多，这样带来的问题是费用高、干扰强，并导 致系统精度低，可靠性差且不利于防火“嘲 随着现场总线技术的高速发展，以及现场总线产品的不断成熟，又因为这些具有 现场总线优点的现场总线产品符合了火电厂追求的经济、高效、可靠的目标，所以这 几年现场总线产品已在火电厂中得到越来越多的应用。现场总线中分散在设备前端的 智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，用1 根电缆就能把很多的 现场智能仪表设备连接在一起，这样就能减少了变送器的数量以及相应的单独的调节 器计算单元等，从而节省一大笔硬件投资，并减少了控制室的面积，同时也大幅度的 缩短了现场施工和调试周期。当需要增加新的现场设备的时候，无需再增加新的电缆， 只要就近接在原有的电缆上就行了，这既节省了投资又减少了设计安装的工作量总 的来说，在火电厂控制中采用现场总线系统比采用i ) c s 系统更可靠、经济。 以国电常州电厂的除渣系统为研究对象，结合现在火电厂辅助系统存在的问题以 及控制技术的发展状况，本系统设计了一个集p l c ( 可编程逻辑控制器) 、i p c ( 工控 机，也称为上位机) 、现场总线、工业以太网于一体的控制系统方案。本系统的性能 特点有以下几点： ( 1 ) 继承了p l c 的可靠性高，抗干扰能力强，灵活性、通用性强，使用方便，功 耗低等优点，能够同时兼容4 2 0 m a 的模拟量信号和开关量信号，从而增强了系统的 控制能力： ( 2 ) 融合了i p c 的防尘、防烟雾、抗震、抗磁等特点，使系统能够在火电厂这样 ， 幽硕士论文 基于c o n t r o l n e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 强电磁的环境工作，增加了系统的抗干扰性能，使其能够实时运行，硬件设备工作稳 定性能好，从而满足火电厂的监控系统的要求： ( 3 ) 结合了现场总线的开放性，互可操作性，系统结构的高度分散性和对现场环 境的适应性等特点，这从整体上提高了系统的可靠性，为火电厂的安全、稳定的生产 提供了有力保证； “) 兼容了工业以太网的高传输速率、低耗、易于安装、成本低等特点，提高了 系统的实时响应性能，这一点对于火电厂这样对系统实时性要求高的单位来说是相当 重要的； ( 5 ) 系统除了集成了各个组成部分的突出优点外，还继承了它们的共同特点 可扩展性。通过对p l c 、i p c 、现场总线的扩展，可以增加系统的现场控制设备，也 可以实现对系统的功能升级，为以后火电厂的整体升级提供了可行性。 从控制特点角度分析，本系统也属于集散型系统“集中管理，分散控制”的控 制理念在本系统上得到进一步的体现。本除渣系统采用了基于现场总线的集散控制技 术，它集控制和监视于一体，与d c s 相比，节省了投资费用，取长补短，更加突出了 集散控制技术与现场总线相结合的优点它能提高电厂辅助系统的自动化水平，这将 为主控系统或者自身的功能扩展和控制升级提供了可行条件。 1 2 工业自动化控制的发展现状和趋势 工业自动化控制技术是一种运用控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术， 对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质 量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术旧从这个概念来讲，控制理论、仪器 仪表技术和计算机技术的发展为先进的工业自动化控制技术的实现奠定了技术基础， 而先进的工控技术的应用又促进了它们的发展，两者紧密联系，相辅相成 在工业控制发展史上，人们一般把5 0 年代前的气动信号控制系统p c s 称作第一 代，把4 2 0 m a 等电动模拟信号控制系统称为第二代，把可编程控制器系统p l c 称为 第三代，而把7 0 年代中期以来的集散式分布控制系统d c s 称作第四代现场总线控 制系统f c s 作为新一代控制系统，即第五代控制系统m 虽然f c s 是最新的控制系统，但它的应用受到其它技术的限制( 如仪器仪表技 术) ，还有一个重要的因素就是用户对新事物的接受能力。所以，目前基层的控制系 统还是以p l c 、d c s 为主，大型的系统多数采用p l c 、d c s 和f c s 三者的集成系统。 目前，我国工业控制自动化技术、产业和应用都有了很大的发展，我国工业计算 机系统行业已经形成。工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展， 具体的有以下几个方面： ( 1 ) p l c 在向微型化、网络化、p c 化和开放性方向发展 2 田硕士论文基于c o n t r o l n e t 的集敢控制技术在除渣系统中的应用 微型化、网络化、p c 化和开放性是p l c 未来发展的主要方向随着软p l c 控制 组态软件的进一步完善和发展，安装有软p l c 组态软件和p c - b a s e d 控制的市场份额 将逐步得到增长当前，过程控制领域最大的发展趋势之一就是e t h e r n e t 技术的扩 展，p l c 也不例外现在，越来越多的p l c 供应商开始提供e t h e r n e t 接口 ( 2 ) 面向测控管一体化设计的d c s 系统 小型化、多样化、p c 化和开放性是未来d c s 发展的主要方向。小型d c s 所占有 的市场，已逐步与p l c 、工业p c 、f c s 共享。今后小型d c s 可能首先与这三种系统融 合，而且。软d c s ”技术将首先在小型d c s 中得到发展开放性的d c s 系统将同时向 上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由流动，实现信息 技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展。 ( 3 ) 控制系统正在向现场总线( f c s ) 方向发展 由于3 c 技术的发展，过程控制系统将由d e s 发展到f c s f c s 可以将p i d 控制彻 底分散到现场设备中基于现场总线的f c s 又是全分散、全数字化、全开放和可互操 作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的4 2 0 m a 模拟信号线，给传 统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化 ( 4 ) 仪器仪表技术在向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展 今后仪器仪表技术的主要发展趋势是：仪器仪表向智能化方向发展，将产生智能 仪器仪表；测控设备p c 化，虚拟仪器技术将迅速发展；仪器仪表网络化，将产生网 络仪器与远程测控系统。 ( 5 ) 工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展 计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线技术 的网络化智能传感器”的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器使得工业 现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局域网技术能够 在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化设备之间的通信提 供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊环境下有效地弥补了有 线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能嘲。 纵观工业自动化控制技术的发展趋势，本除渣系统设计时应该着眼于电厂未来的 改造升级，顺应控制系统的发展潮流，保证未来升级的可行性，避免改造时“大刀阔 斧”，造成旧设备的不可重复利用，从而浪费资源，增加改造投入 1 3 本文的主要研究内容 本论文研究了基于c o n t r o l n e t 现场总线的集散型控制网络，即由现场总线 c o n t r o l n e t 、工业以太网e t h e r n e t i p 两个专业网络构建而成的三级控制系统在除渣 系统中的应用。 3 田硕士论文基于c o n t r o l n e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 本课题的主要工作如下： ( 1 ) 掌握现场设备的控制特点，设计出它们的控制电路，并绘制出电气图。 ( 2 ) 根据已选择的控制、通讯网络，配置系统的硬件，并组建成网。 ( 3 ) 编写系统控制程序，并通过软件实现p l c 模块间的通讯，以及对现场设备的 组态。 ( 4 ) 设计、开发上位监控系统的人机界面，实现上位计算机与下位p l c 两者相互 间的数据访问。 ( 5 ) 现场调试，并整理材料，编写系统技术文件。 4 水处理工作者近3 0 年的消化和吸收，水力除渣系统基本上实现了国产化。近几年， 广大的水处理工作者又在水力除渣系统酌优化设计、渣水处理后水的循环使用和渣的 再利用等研究课题领域取得了长足的进步，很多技术已达到国际先进水平州， 根据灰渣综合利用和环保的要求，目前大、中型机组采用水力除渣方式将灰渣直 接输送至水灰场的方式较少采用，较为常用的水力除渣方式是锅炉排渣一水力输送一 脱水仓一车或船等外运。具体常见方式有：水封式排渣槽一碎渣机一水力喷射泵一渣 前池一渣浆泵一管道一脱水仓一汽车( 或船等) 外运。该水力除渣方式的系统工艺流 程如图2 1 所示。 图2 i 除渣系统工艺流程图 这种水力除渣系统主要由以下五个部分组成： ( 1 ) 底渣系统 一般每台炉设一个底渣斗，每个斗分为两个仓。炉底渣经碎渣机破碎后，由水力 喷射泵输送到渣浆泵前池( 简称渣前池) ，再由渣前泵送至渣浆分配槽，最后到达脱 水仓渣浆泵系统一般为两台机组公用，共有三台渣浆泵，一台运行，一台备用，一 台检修。 底渣斗水位由基地式水位调节控制，另外在底渣斗溢流水箱中装有温度变送器， 以监视底渣斗中的水温。 【口硕士论文 基于c o n t r o l n e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 渣前池补水阀的开关由液位来控制，以此保证渣浆泵安全、可靠地运行 底渣斗水力喷射泵出口及渣浆泵出口管道上装有压力变送器，以监视并控制输渣 管道的压力，防止堵管。 ( 2 ) 再循环水系统 再循环水系统由高效浓缩池、回水箱、高效浓缩池泥浆泵( 简称浓浆泵) 、回水 箱泥浆泵( 简称排污泵) 、回水泵( 包括高压水泵、低压水泵) 和电动阀门等组成， 它为整个除渣系统提供了合格的冲渣用水。 通常高压水泵共有三台，两台运行，一台备用。 低压水泵也有三台，平时只运行一台，底渣斗出渣时，两台运行，一台备用 高、低压水泵出口母管上均装有压力变送器，以防止水泵出口压力过高。 回水箱补水阀的开、关由液位来控制，以此保证高、低压水泵安全、可靠的运行 ( 3 ) 加药池系统 一般加药池系统每两个机组公用一套。通常是由溶液箱、计量泵和电动阀门组成 溶液箱设置了液位变送器，并有高、低液位报警及低低液位停泵功能，以此保证 计量泵安全、可靠的运行 计量泵可通过浓缩池水的p h 值来自动调节流量。两台计量泵互为备用 ( 4 ) 溢流水池系统 底渣斗、渣前池的溢流水进入溢流池，由溢流水泵送往脱水仓。通常溢流水泵共 有两台，当溢流池液位达到高液位时，一台溢流水泵运行，当液位达到高高液位时， 两台溢流水泵运行。溢流水泵的起停由液位来控制，也是为了溢流水泵能安全、可靠 的运行。 + ( 5 ) 脱水仓系统 渣浆泵输送来的底渣在脱水仓里进行脱水处理，然后由脱水仓的排渣门排出，用 汽车( 或船等) 运走。 脱水仓共有两台，轮换进行进渣和脱水作业“”“”。 2 2 国电常州发电厂除渣系统的工艺特点 国电常州发电厂的水力除渣系统是基于国内外火电厂的传统工艺流程，再加入最 近几年水力除渣系统的优化经验、成果而设计出来的它继承了传统水力除渣系统在 再循环水系统的优势特点，在排渣、捞渣和送渣工艺程序上做了改进。 国电常州发电厂的水力除渣系统是采用锅炉排渣一机械输送一渣仓一车或船等 外运的方式。具体常见方式：水力排渣槽一刮板捞渣机一碎渣机一中转输送机械( 埋 刮板机、皮带输送机或斗式提升机等) 一渣仓一汽车( 或船等) 外运。其工艺流程如 图2 2 所示。 6 硕士论文基于c o e t r o l n e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 图2 2 国电常州发电厂水力除渣系统工艺流程图 常州电厂的这个水力除渣系统主要是由以下五个部分组成： ( 1 ) 粗渣外运系统 粗渣外运系统主要由底渣斗、刮板捞渣机、碎渣机、斗式提升机、渣仓等部分组 成。 每台炉设一个底渣斗，每个斗分为两个仓炉底渣连续进入刮板捞渣机上槽体， 经冲渣水冷却和淬化，然后由刮板捞渣机捞出排入碎渣机，再经碎渣机破碎后，由斗 式提升机送到渣仓，经渣仓脱水后，最后用汽车( 或船等) 外运 底渣斗水位由基地式水位调节控制，+ 另外在底渣斗溢流水箱中装有温度变送器， 以监视底渣斗中的水温。 ( 2 ) 再循环水系统 再循环水系统由高效浓缩池、缓冲水仓、高效浓缩池泥浆泵( 简称浓浆泵) 、缓 冲水仓泥浆泵( 简称排污泵) 、缓冲水仓冲洗水泵( 简称冲洗泵) 、缓冲水仓低压水泵 ( 简称低压泵) 和电动阀门等组成，它为整个除渣系统提供了合格的冲渣用水。 冲洗泵共有三台，两台运行，一台备用。它们的主要作用是利用缓冲水仓的水对 缓冲水仓本身或者高效浓缩池进行反冲洗刷，以此防止被灰渣等杂物堵塞，保证其各 管道口处畅通无阻。 低压泵共有两台，平时只运行一台，一台备用。低压泵的作用主要是给底渣斗提 供充足的冲渣水，还有就是对溢流水池进行底部的反冲洗刷。 7 硕士论文 基于c o n t r o l n e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 浓浆泵，排污泵都各设有两台，均是一台运行，一台备用。它们的作用都是将高 效浓缩池和缓冲水仓中沉淀下来的细灰渣泥浆输送至煤泥沉淀处 冲洗泵、低压泵、浓浆泵和排污泵的出口母管上均装有压力变送器，以防止水泵 出口压力过高 缓冲水池设置有液位变送器，并有高高液位、高液位、低液位报警及低低液位停 泵功能，以此保证缓冲水仓的冲洗泵、低压泵和排污泵安全、可靠的运行。 高效浓缩池的补水阀的开、关也是由缓冲水仓的液位来控制，以此保证浓浆泵安 全、可靠的运行 ( 3 ) 加药池系统 加药池系统每两个机组公用一套，它是由溶液箱、计量泵和电动阀门组成。加药 池系统的作用就是调节循环水的酸碱度，以此保证工业用水的质量和外排水的不污染 性。 溶液箱设置了液位变送器，并有高、低液位报警及低低液位停泵功能，以此保证 计量泵安全、可靠的运行 计量泵可通过高效浓缩池水的p h 值来自动调节流量。两台计量泵互为备用 ( 4 ) 溢流水池系统 ， 。 底渣斗、捞渣机、渣仓和煤泥沉淀池的溢流水进入溢流池，由溢流水泵送往高效 浓缩池。 溢流水池设置有液位变送器，并有高高液位、商液位、低液位报警及低低液位停 泵功能。溢流水泵的起、停由液位来控制，也是为了保证溢流水泵能安全、可靠的运 行。 通常溢流水泵共有两台，当溢流池液位达到高液位时，一台溢流水泵运行，当液 位达到高高液位时，两台溢流水泵运行 ( 5 ) 煤泥沉淀池系统 由浓浆泵、排污泵输送来的细灰渣泥浆在煤泥沉淀池里进行脱水处理，然后由煤 泥沉淀池的池尾排出，可以用电动抓斗吊车挖取，最后用汽车( 或船等) 运走。 煤泥沉淀池共有四个，他们循环进行进渣和脱水作业。 四个煤泥沉淀池共用一个集中水池。集中水池的作用就是聚集沉淀池的溢流水， 用水泵使这些溢流水返回厂内使用，这样既避免了煤泥水污染河流，又节省发电厂的 用水量。 2 3 国电常州发电厂水力除渣系统与传统除渣系统的比较 在本章2 1 中介绍的传统水力除渣系统是国外发电厂以前大多采用的方案，国内 在引进机组中采用的也比较多。水封式排渣槽采用水力喷射泵管道系统将渣定期 硕士论文基于c o n t r o l s e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 输送往脱水仓。该系统最大的优势是由于主厂房区域里是通过管道输渣，厂区卫生环 境条件较好但该系统定期排渣设计需配置较多设备( 包括渣水系统中设备如高、低 压水泵等) ，控制点多，系统比较复杂，运行要求较高，耗水量大，水力喷射泵输送 效率较低、输送长度和扬程有限，对脱水仓布置距离较远及脱水仓本体高度较高时输 送较困难，因此，对脱水仓的布置来说受到一定限制。另外由于国内运行时煤种变化 大，煤品质较差时，可能结焦，如果有大块( 超过碎渣机入口尺寸) 的焦渣形成，则 影响碎渣机正常工作，造成排渣困难如果碎渣机运行一段时间后其出料粒度达不到 要求，较大块的焦渣进入水力喷射泵更会造成泵或管道堵塞。此外，由于输渣流速较 高，输渣管道和弯头通常采用耐磨材料，整个系统投资和运行费用相对较高，运行维 护工作量较大还有由于碎渣机、水力喷射泵、输渣管道均无备用，一旦设备，管道 出现故障，处理也较麻烦。再则由于该系统设备( 如水力喷射泵等) 出力不可调，一 旦锅炉燃烧煤质较差：系统出力要求加大，就近能靠增加设备管道运行循环时间才能 实现，相应加重系统的运行负荷总的来说，该形式的水力排渣系统在占地、投资、 运行维护等主要指标上均不太经济，适应工况变化的能力有限所以，在2 0 0 0 年以 后设计的大型机组电厂中采用此种方式的系统越来越少。 在本章2 2 中介绍的国电常州发电厂的水利除渣系统是在传统工艺流程的基础 上进一步改进而成的。从其工艺流程图可以知道它的一个明显的特点：“粗渣，细灰 渣分开”和“排水、排渣分开”相结合。炉底渣由刮板捞渣机排出后，经碎渣机，再 通过中转机械设备或由加长型捞渣机直接进渣仓，租渣经过渣仓脱水后外运。细灰渣 混在捞渣机、碎渣机和渣仓排出来的水中汇入溢流水池，再由溢流水泵送往高效浓缩 池进行沉淀，浓浆泵把细灰渣排送至煤泥沉淀池，经澄清的水通过水质调理，又回到 炉底渣用水系统中，这样就形成了水系统的闭式循环，提高水的重复利用率，这种水 力除渣系统合理地避免了捞渣机排渣脱水后再加水的环节。在该方案中，系统采用了 2 台渣仓形式的配置，也有部分电厂采用1 个渣仓的配置。相比较而言，2 个渣仓具 有增加资金不多，但对系统而言具有可靠性和灵活性提高较多的优点。利用了2 台渣 仓的切换而在静置过程中脱水可降低湿渣含水率的优点，湿渣含水率可有效保证在 2 5 以下，对于渣的外运以及灰场的碾压均有好处，且随着湿渣含水率降低，也可以 减轻湿渣对道路和主厂房区的污染。 由于本方案不需要设置排渣泵房，也无需较长的灰渣沟，省去了排渣设备转运的 过程因此，布置紧凑，系统简单，运行环节较少，维护方便且费用低。另外，由于 排渣不需要通过排渣泵的提升，从而降低了除渣系统的电耗，运行费用较省。 当然，由于渣仓等设备布置于锅炉房内和锅炉房旁，容易造成锅炉房内区域布置 较为拥挤，渣仓装车作业不太方便。另外，如卸车时错位，卸车车辆漏渣，地面冲洗 不及时，渣仓周围地面会有污染。 9 血硕士论文基于c o n t r o l n e t 的集敢控制技术在除渣系统中的应用 从系统的整体功能效应的角度来考虑，国电常州发电厂的水力除渣系统排渣更彻 底，用水更节约，排水更环保，运行维护更方便。与传统系统比，受煤种等外界因素 影响较小，系统运行更可靠、稳定。 在总投资方面，由于国电常州发电厂的水利除渣系统中刮板捞渣机( 包括中转机 械设备) 等设备技术要求较高，其部分关键部分要求采用进口件，投资相对较高，但 整个项目总投资仍然比传统系统方案低。 0 | l 竺竺圣呈竺些竺竺些兰竺竺 3 系统的总体结构设计 ( 3 ) 控制系统应对整个工艺系统进行集中监视、管理和自动程序控制，也可实现 “) 对阀门、泵等转动机械，可在控制室程控、远程单设备软手操及现场手操 ( 5 ) 对阀f - j 、泵等转动机械，控制系统应有记忆当前工作状态的功能，一旦其工 作状态发生变化而控制系统并未输出过相应指令或控制系统输出指令而其工作状态 ( 6 ) 除渣系统的渣水处理部分至少应对下列参数进行检测，并能在c r t 上显示： ( 7 ) 除渣系统的渣水处理部分至少应设下列报警和联锁信号：各个水池液位的高、 总体设计。系统总体设计的工作包括硬件网络的规划、设备层的组建、控制层的网络 ( 1 ) 需要上网的设备清单，以及每台设备对网络通信功能的需求，a p n 底是传输 对时间有苛刻要求的数据，还是传输对时间没有苛刻要求的数据，还是两者兼而有之。 ( 2 ) 需要进行的通信的清单，即哪些设备之间需要进行通信，通信的性质是什么 田硕士论文 基于c o n t r o n e $ 的集散控制技术在除渣系统中的应用 样的，到底是实时通信还是非实时通信。 ( 3 ) 每项通信的性能指标要求，包括对实时性、确定性、可重复性的要求、通信 数据量的大小、i 0 数据输入输出的容许最大时间间隔、可以承受的费用等。 “) 网络工作的环境条件情况，如温度、湿度、有无腐蚀性化学物质、振动、电 磁干扰等n 2 】 根据硬件的特点，系统网络大致可分为三个层：设备层、控制层、信息层。 ( 1 ) 设备层。这是面向现场设备的一层，也是整个自动化网络的最底层，它可以 将操作信息送到现场设备，也可以将现场设备的情况反馈到操作者。本系统中它主要 接受来自p l c 的控制命令，执行相应的动作或提供相应的检测数据。设备层主要有各 种水泵、各类电动阀门、各水泵出口母管上的压力变送器、溢流水池和缓冲水仓的液 位变送器、对电动机起监控检测作用的电流互感器、电流转换器和交流电压变送器、 以及主要设备电气电路中使用到的交流接触器、断路器、熔断器、继电器和各种仪器 仪表等。 ( 2 ) 控制层这是操作所在的一层，它将处理器与处理器之间的信息交流、将处 理器与输入输出接口之间的信息交流集成在这一层。在这个系统中它主要完成各种 控制动作命令、实时数据的采样和处理、联锁动作的关联表达、控制算法的实现、异 常现象的自动处理等功能。控制层主要有那些对现场设备起控制作用，并能实现设备 层与控制层之间、控制层与信息层之间通信的设备包括可编程控制器( p l c ) 的c p u 模块、输入输出( i o ) 模块、网络通信模块、冗余模块以及各种机架等。从现场设 备分析，主要有开关量信号和模拟量信号两种，相应地，i o 模块要分为开关量信号 模块和模拟量信号模块两种。 ( 3 ) 信息层。这是整个除渣系统自动化网络的最高层，也是对现场采集到的数据 和信息进行处理和管理的一层在这个系统中它主要完成系统关键技术数据的设定、 实时数据和运行状态的监视与控制、历史数据的查看、数据报表的记录与打印、报警 与故障的提示处理等功能。信息层主要有两个监控上位机组成。通常情况下监控上位 机是由工控机( i p c ) 、显示器和网络通信设备等组成。 在这个系统中，设备层的各种现场设备和仪器需要与控制层的i o 模块进行通 信。为了保证现场设备安全、可靠的运行以及控制信息和现场数据及时、可靠的传输， 现场设备与控制层i o 模块之间的通信对实时性、确定性要求比较高由于现场的环 境条件比较恶劣，如温度、湿度、振动、电磁干扰都可能影响通信，所以对现场设备 与i o 模块之间的通信还有抗干扰的要求。另外，现场设备主要是开关量信号和模拟 量信号两种，所以对通信数据量的大小要求并不高。 在控制层中，p l c 的i o 模块与控制器( c p u ) 之间的通信也是整个系统网络的 个重要环节。p l c 的i o 模块与控制器( c p u ) 之间通信的主要是高速传输且对时 1 2 田硕士论文 基于c o n t r o l n e t 的集敬控制技术在除渣系统中的应用 问有苛刻要求的实时i o 数据和报文信息( 包括编程和组态数据，还有些对等信息) ， 这就要求通信网络具备传输速度快、信息容量高的特点。此外，由于现场i o 箱与远 程p l c 主控柜之间的距离很远，途中情况复杂，火电厂里的干扰源又多，种种因素都 要求整个通信网络硬件接线少、抗干扰能力强，同时还要方便添加网络节点和设备。 在信息层中，监控上位机的作用是监视整个系统运行的状态，并可以进行远程操 作，以达到控制现场设备的目的。这就要求下位的p l c 能够给它提供大量的现场设备 状态信息。根据信息层的功能要求，系统需要采用一种工业以太网，这种工业以太网 除了具备一般以太网高抗干扰能力、高传输速度的特点外，还要能够传输多种不同类 型的数据，能够用不同的方式传输不同类型的报文。 3 2 1 2 通信网络的选择 通过上述的需求分析后，就可以根据应用的需求选择通信网络了网络选择要考 虑的因素通常包括实时性、确定性、可重复性、网络带宽、成本、工作环境等。另外， 网络的应用范围和推广情况也是重要的考虑因素，比如网络以前是否在类似的应用中 使用过，应用所需要的设备是否都能提供接入该网络所需要的网络接口等。 根据系统总体设计中的分层特点，再通过对系统需求的分析，以及对目前市场上 占主流地位的几种现场总线和工业以太网的比较分析。罗克韦尔自动化公司的 c o n t r o l n e t 现场总线和工业以太网e t h e r n e t i p 成了这个系统的首选通信网络。它 们的突出优点是能够在保证系统整体功能实现的情况下，较好的解决这个系统遇到的 各种难题。 ( 1 ) c o n t r o l n e t 总线 c o n t r o l n e t 总线技术是由罗克韦尔自动化公司所属的a l l e n - b r a d l e y 部门所开 发出来的，于1 9 9 5 年l o 月正式推出。1 9 9 6 年1 0 月，罗克韦尔自动化公司发布了 c o n t r o l n e t 规范“”。为了推广c o n t r o l n e t 技术，1 9 9 7 年7 月罗克韦尔自动化公司把 该技术的所有权转移给现场总线国际组织c o n t r o l n e ti n t e r n a t i o n a l ( c i ) 。 c o n t r o l n e t 的规范和协议是开放的，这意味着厂商不必为将设备连接到该系统而购 买任何专有的硬件、软件或许可证“c o n t r o l n e t 是符合i e c - 6 1 1 5 8 国际标准的现 场总线，同时符合欧洲c e n e l e ce n 5 0 1 7 0 标准“”。 c o n t r o l n e t 是一种高速的工业控制网络，是开放、实时、具有确定性和可重复 性( d e t e r m i n i s ma n dr e p e a t a b i l i t y ) 的现场总线它的主要技术特点有：o l o o m s 的网络更新时间；5 m b p s 的通信波特率：可使用r g 6 同轴电缆或光纤作传输介质；拓 扑结构多样，总线形、星形、树形及其任何拓扑的混合均可；最大通信长度( 带中继 器) ，使用同轴电缆可达5 0 0 0 m ，使用光纤可达3 0 k i n 以上；节点数为2 时，网段的容 许最大长度为1 0 0 0 m ，节点数为4 8 时为2 5 0 m ，传输介质为光纤时，最大长度为3 0 0 0 m ； 1 3 四硕士论文 基于c t r o l n e t 的集敢控制技术在除渣系统中的应用 最多可以串联使用5 个中继器，或并联使用4 8 个中继器；网络设备是外部供电的“” “”嘲。这些技术特点符合除渣系统通信高速性、及时性和距离的要求。 c o n t r o l n e t 是一种最现代化的开放网络，是当今世界上各种工业控制层现场总 线中性能最好、最可靠的网络之一，跟市场上最具影响的现场总线相比，其突出的优 点是： c o n t r o l n e t 是高速的控制和i o 网络，具有增强的i o 性能和点对点通信能 力，支持多主方式，可以从任何一个节点( 甚至适配器) 访问整个网络 对于离散和连续过程控制应用场合，均具有确定性和可重复性。 先进的生产者消费者网络模型，最大限度地优化了带宽的利用率，并可构 成多主、主从、对等的通信结构；媒体访问算法确保了控制信息传送时间的准确性 应用层使用c i p ，而c i p 对不同类型的报文采用不同的传输方法，并且c i p 提供对多播的支持。 c o n t r o l n e t 具有灵活的安装选择可使用各种标准的低价同轴电缆，也可使 用具有强抗干扰性和本征安全性的光纤，并支持媒体冗余方式n 3 “ ( 2 ) e t h e r n e t i p 工业以太网 e t h e r n e t i p 是使用成熟的以太网芯片和物理传输以及t c p i p 通信栈的开放性 工业网络标准。将以太网技术渗入到工业控制网络的底层，直接应用在智能i o 节点 和复杂的控制设备p l c 、d c s ，以及人机界面等设备之问的通信，是当前工业网络技 术中的一个热尉川嘲删 e t h e r n e t i p 可以认为是c o n t r o l n e t 技术与e t h e r n e t i p 技术的结合，是以太 网、t c p i p 以及c i p ( 控制及信息协议) 的集成，其中在应用层使用c i p 是e t h e r n e t i p 和其他工业以太网的主要区别所在“州删洲。 由于在应用层使用了c i p ，e t h e r n e t i p 也具备了c i p 网络所共有的一些特点， 包括嘲“3 叫： 可以传输多种不同类型的数据，包括i o 数据、配置和故障诊断、程序上下 载等。 面向连接，通信之间建立连接 用不同的方式传输不同类型的报文 基于生产者消费者模型，提供对多播通信的支持( e t h e r n e t i p 多播功能的 实现需要用到i p 多播技术) 。 支持多种通信模式：主从、多主、对等或三者的任意组合。 支持多种i o 数据触发方式：轮询、选通、周期或状态改变。 用对象模型来描述应用层协议，方便开发者编程实现。 为各种类型的e t h e r n e t i p 设备提供设备描述，以保证互操作性和互换性。 田硕士论文基于c o n t r o l n e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 作为罗克韦尔自动化“3 层网络”中信息层的e t h e r n e t i p ，不仅完全符合罗克 韦尔自动化对信息层的高要求，实现了报文的高速传送和高容量数据共享，还和其他 两层网络，即c o n t r o l n e t 、d e v i c e n e t 实现了“无缝”的结合e t h e r n e t i p 和 c o n t r o l n e t 相结合的体系结构如图3 2 1 所示。 图3 2 1c o n t r o l n e t 和e t h e r n e t i p 的体系结构 3 2 2 设备层的组建方案 设备层组建最重要的是选择现场信号的传输方式，即设备层和控制层之间的通信 是否要采用现场总线或其他的专用网络? 这就要对控制对象的特点进行详细的分析。 火电厂的除渣系统的现场设备主要是由各种水泵、渣浆泵、电动阀门、压力变送器和 液位变送器等组成。这些现场设备的输入输出信号有开关量的，也有模拟量的，而 且大多数的设备都不是智能化的，这些都决定这两层的通信采用现场总线的不合理 性。因此，本除渣系统放弃了罗克韦尔自动化公司的设备层专用网络d e v i c e n e t 本 系统设备层的各种水泵、渣浆泵、电动阀门的电气电路都是由p l c 输出点通过继电器， 接触器的通断来间接控制的。 3 2 3 控制层的组建方案 控制层的网络组建是系统总体设计的一个最重要，也是最复杂的部分，它的设计 方案选择直接体现系统的性能。控制层的组建方案大致有三种： 方案一：p l c 的c p u 模块跟i 0 模块安装在同一个机架上，并把它们统一组装在 远程监控站的主控柜里。 方案二：跟方案一一样，p l c 的c p u 模块也跟i l o 模块安装在同一个机架上，不 同的是它们组装在现场的控制柜里 方案三：p l c 的c p u 模块跟i o 模块分开。安装在不同的机架上，并且c p u 模块 是放在远程监控站的主控柜里，i o 模块则是放在现场的控制柜里。 由于火电厂的布局复杂、错乱无序，若采用方案一，把p l c 的i o 模块跟c p u 模块一起放在离现场较远的主控柜，那样就会造成接线困难，电缆铺设复杂。又因为 田硕士论文 基于c o n t r o l n e t 的集散控制技术在除渣系统中的应用 火电厂里的干扰源多而强，现场i o 信号传输线一长，途中难免会受到影响，从而导 致系统精度低，可靠性差。由于系统的不稳定隐患过多，一般设计时不考虑此方案 方案二把p l c 的i o 模块跟c p u 模块放在现场的控制柜，就解决了方案一所暴露 的问题。该方案中，p l c 的c p u 模块跟i o 模块安装在同一个机架上，这样的设计就 减少由于c p u 模块跟i o 模块分开而增设的通信模块，减少了系统的资金投入 方案三设计时把i 0 分配在现场的控制柜里，这样就保证了系统在控制层的可靠 性。该方案中，把c p u 模块安装远程监控站的主控站里，这样跟方案二相比，增加了 通信模块的费用。但把c p u 设置在远程监控站，有利于该系统的扩展，或者方便合并 其它一些小型的控制系统，总的来说，更有利于全厂辅助系统的集中管理。 从全局的利益出发，着眼于电厂未来的