火电厂除灰系统PLC设计方案案例

一、引言火电厂除灰系统作为输灰、储灰、排灰的核心环节，其稳定运行直接影响机组发电效率与环保排放指标。传统继电器控制或半自动化系统存在响应滞后、故障处理不及时、运维成本高等问题，而基于可编程逻辑控制器（PLC）的自动化控制系统，凭借高可靠性、灵活扩展性与精准控制能力，成为提升除灰系统智能化水平的关键技术路径。本文结合某300MW火电机组除灰系统改造案例，从需求分析、硬件选型、软件设计到工程实践，系统阐述PLC设计方案的核心要点与应用效果。二、系统需求与工艺分析（一）工艺流程与控制对象火电厂除灰系统（以气力除灰为例）主要包含仓泵、输送管道、灰库、空压机、电动阀组等设备，工艺逻辑为：仓泵接收电除尘器灰斗落灰（料位触发进料）→加压输送（气源驱动灰流至灰库）→泄压吹扫（防止管道积灰）。控制对象涵盖：执行机构：电动阀（进料阀、出料阀、吹扫阀）、仓泵进料器、空压机、灰库卸灰机；检测元件：料位开关（射频/阻旋式）、压力变送器（管道/仓泵压力）、温度传感器（气源/灰温）、电流互感器（电机过载检测）。（二）核心控制需求1.顺序控制：设备需按“进料→加压→输送→泄压→吹扫”等工艺步序启停，避免误动作（如进料时出料阀误开导致漏灰）；2.故障联锁：堵管（管道压力骤增）、电机过载（电流超限）、料位异常（空仓/满仓）时，需立即停机并触发报警；3.数据监控：实时采集灰量、压力、温度等参数，上传至集控室并生成趋势曲线；4.负荷联动：根据机组负荷自动调整输灰频率（如高负荷时增加仓泵投用数量）。三、PLC硬件设计与选型（一）选型依据结合系统规模（I/O点数约280点）、环境特性（高温、粉尘、强电磁干扰）与可靠性要求，选择西门子S____系列PLC：CPU模块：CPU____PN（处理速度0.05ms/1k步，支持Profinet通信，冗余内存设计）；I/O模块：数字量模块（DI16×DC24V、DO16×DC24V）、模拟量模块（AI8×0-10V、AO4×0-10V），满足设备状态采集与阀组控制需求；通信模块：CP____（Profinet主站，实现与上位机SCADA的高速通信）、CM1241（RS485，兼容ModbusRTU协议，连接现场智能变送器）；电源模块：PS____（24VDC双电源冗余，防掉电导致系统停机）。（二）硬件架构设计采用“PLC主站+分布式I/O从站”架构：主站安装于控制室PLC柜，从站（ET200SP）就近部署于现场设备层（如仓泵平台、灰库控制室），通过Profinet光纤环网通信，减少长距离布线的干扰风险。（三）抗干扰设计布线防护：数字量信号采用屏蔽电缆，模拟量信号采用双绞屏蔽线，电缆穿镀锌钢管敷设；接地系统：PLC柜与现场设备接地电阻≤4Ω，电源侧加装浪涌保护器（SPD），抑制雷击或电网波动干扰；模块隔离：AI/AO模块与DI/DO模块物理隔离，避免数字信号对模拟量的电磁干扰。四、软件设计与功能实现（一）编程环境与架构采用TIAPortalV17编程，程序结构分为：组织块（OB）：OB1为主循环，按周期调用功能块；OB32为定时中断（100ms），处理高速数据采集；功能块（FB）：FB1（仓泵控制）、FB2（故障诊断）、FB3（数据处理），封装工艺逻辑与算法；数据块（DB）：DB1存储设备状态（如阀位、电机运行），DB2存储工艺参数（如压力阈值、吹扫时间）。（二）核心功能模块1.仓泵顺序控制（FB1）采用顺序功能图（SFC）实现工艺步序：等待阶段：料位开关触发→进料阀开、进料器启；加压阶段：料位满→进料阀关、加压阀开，管道压力升至0.6MPa；输送阶段：压力稳定→出料阀开、输送气源启，灰流至灰库；泄压阶段：灰库料位触发→出料阀关、泄压阀开，仓泵压力降至0.1MPa；吹扫阶段：泄压完成→吹扫阀开，持续10s后全关，进入下一轮循环。2.故障诊断与联锁（FB2）实时采集DI/AI信号，触发联锁逻辑：堵管检测：管道压力＞0.8MPa且持续5s→报警并启动吹扫（打开吹扫阀+输送气源，持续30s）；过载保护：电机电流＞1.2倍额定值且持续3s→停机并锁定设备，需人工复位；料位异常：空仓（料位开关常闭）→禁止启动进料器；满仓（料位开关常开）→禁止启动输送程序。3.数据采集与HMI交互数据处理（FB3）：定时读取AI模块数据，将0-10V电压信号转换为工程单位（如压力0-0.8MPa），并上传至DB2；HMI设计：主画面显示系统拓扑（设备状态、管道压力），趋势画面展示近24h灰量/压力曲线，报警画面实时推送故障信息（含时间、类型、处理建议）。五、通信与网络设计（一）系统级通信（PLC→SCADA）采用Profinet双网冗余，PLC主站与上位机SCADA服务器通过管理型交换机组成环网，通信速率100Mbps，确保数据传输无丢包。SCADA系统通过OPCUA协议读取PLC数据，实现远程监控、参数设置与历史数据存储。（二）现场级通信（PLC→智能设备）ModbusRTU：通过CM1241模块与电动执行器、智能变送器（如压力/流量变送器）通信，波特率9600，地址分配1-32，周期100ms；DCS联动：通过Profinet与电厂DCS系统对接，实时接收机组负荷信号（4-20mA或数字量），自动调整输灰频率（如负荷＞250MW时，投用3台仓泵并行输灰）。六、工程案例：某300MW机组除灰系统改造（一）项目背景某电厂原除灰系统采用继电器控制，存在“故障响应慢（堵管后30s才报警）、人工干预多（每班需2人现场巡检）、能耗高（空压机空载运行占比30%）”等问题。2023年启动改造，采用上述PLC方案。（二）实施效果1.可靠性提升：故障停机次数从月均8次降至2次（堵管、过载故障减少约60%），系统响应时间从10s缩短至2s；2.能效优化：通过变频控制（空压机根据压力自动调速），输灰能耗降低约15%，年节约电费显著；3.运维简化：集控室实现“一键启停+远程监控”，现场巡检人员减少50%，故障处理时间从30min缩短至10min。七、结语火电厂除灰系统PLC设计