在火力發(fā)電廠鍋爐的單爐/單磨燃煤的計量準確問題一直是影響電廠發(fā)電成本正平衡統(tǒng)計的頑癥，更是燃煤發(fā)熱量和鍋爐燃燒效率統(tǒng)計計算尚無法解決的棘手問題。因此，目前國內(nèi)絕大多數(shù)稍早些的火力發(fā)電廠由于沒有測取單爐燃煤計量的準確方法，其成本核算往往依據(jù)反平衡法來求取發(fā)電煤耗和單位生產(chǎn)成本，亦無法在開放的電力市場上網(wǎng)競價中準確地知道生產(chǎn)成本。前不久某電廠委托本公司對該廠的輸煤控制和入爐煤計量系統(tǒng)進行全面改造以解決生產(chǎn)成本核算問題。鑒于該工程要在整個電廠正常發(fā)電的情況下進行，且改造的內(nèi)容比較大，涉及的面比較廣。因此決定分兩步對該項目進行改造，先期進行輸煤控制系統(tǒng)的改造而后進行輸煤入爐煤軟測量的改造，以期最終達到單爐瞬時燃料計量及動態(tài)生產(chǎn)成本核算的目的。
一、工藝布置及其設(shè)備特點
該電廠的輸煤工藝系統(tǒng)比一般的火力發(fā)電廠要復(fù)雜得多，它先后由一、二期工程來構(gòu)成現(xiàn)在的輸煤系統(tǒng)兩個系統(tǒng)之間即獨立又有相互交叉的工藝連接，同時要為六臺發(fā)電機組供煤。雖然本次僅涉及煤場至入爐煤斗之間的輸煤控制系統(tǒng)設(shè)備改造，但為了安全可靠地實現(xiàn)改造，又不影響所有機組的正常運行，因此將該項目分兩步進行：第一步先將輸煤控制系統(tǒng)改造而后再將入爐煤計量部分改造。本文所介紹就是第一部分的內(nèi)容，其工藝布置如圖：
各工藝段所包含的設(shè)備有輸煤皮帶機、葉輪給煤機、往復(fù)式給煤機、碎煤機滾軸篩、帶式除鐵器、圓盤除鐵器、精細除鐵器、犁煤器、切換擋板、拉繩開關(guān)和跑扁開關(guān)等組成。其它如撕裂，打滑，堵煤等保護開關(guān)均不進本控制系統(tǒng)。
二、工藝流程
輸煤工藝流程的主要特點是流程距離長，分布點比較廣，工藝設(shè)備的控制回路比較簡單；現(xiàn)場環(huán)境粉塵很大，比較惡劣。
依據(jù)電力企業(yè)輸煤運行規(guī)程技術(shù)標準，輸煤系統(tǒng)控制必須設(shè)有就地控制、集中控制和程序控制三級控制手段，同時輸煤系統(tǒng)啟停或緊急故障時，必須遵循啟動時按逆煤流順序逐一啟動設(shè)備；停止給煤時按正煤流順序逐一停止設(shè)備的原則進行控制操作。其工藝流程聯(lián)鎖如圖：
從上輸煤工藝聯(lián)鎖流程圖分析得知，在控制系統(tǒng)程序組態(tài)時，應(yīng)嚴格按照該流程進行設(shè)計及組態(tài)，以確保設(shè)備和人生的安全。有關(guān)程序控制的編程亦必須遵循系統(tǒng)聯(lián)鎖的原則下，方可靈活組合。
三、控制系統(tǒng)拓撲
根據(jù)現(xiàn)場的實際狀況和輸煤工藝控制的技術(shù)規(guī)范要求：我公司推薦采用SIEMENS TIA 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以滿足輸煤系統(tǒng)狹長的輸煤棧橋在一側(cè)布置的電纜橋架，該橋架既要敷設(shè)6000VAC 動力電纜，又同時要敷設(shè)控制和通訊電纜，因此電纜周圍的共模和差模干擾信號必然要影響控制系統(tǒng)的通訊質(zhì)量，甚至于使得控制系統(tǒng)不能正常工作。為此我公司選用PROFIBUS-DP 現(xiàn)場總線來組成網(wǎng)絡(luò)用光電交換機OLM 來完成與主控制器之間的信號交換。因為采用了光纖傳輸通訊，可將電磁場對通訊設(shè)備的干擾影響降至最低程度，真正達到阻斷干擾的目的。該輸煤系統(tǒng)的設(shè)備動力電源供電電壓等級有兩類，即380VAC 和 6000VAC兩種。經(jīng)本次改造，凡涉及380VAC 供電的電動機控制回路都徹底改為SIMOCODE 和COMPACT STARTER 共計 95 臺套；凡6000VAC 供電和一些不能作徹底改造的電動機及其設(shè)備改為LOGO 共計34 臺套。這些設(shè)備的控制回路都必須與FCS 的信號連接，以交換兩個系統(tǒng)之間的信息。
它以主控制器AS-417-2 作為主站，通過以太網(wǎng)交換機ESM 連接到四臺安裝有以太網(wǎng)卡CP-1613 的工控機上，每臺的HIM 系統(tǒng)界面選用WIN CC V5.2 版本，主控制器除了自身帶有的PROFIBUS-DP 接口外，另外又配了一塊PROFIBUS-DP 模件，這樣可以組成兩個相對獨立的光纖環(huán)網(wǎng)，亦便于兩個輸煤系統(tǒng)的布置：一個接口連接一期輸煤系統(tǒng)上的六只OLM 光電交換機，另一個接口連接二期輸煤系統(tǒng)上的五只OLM 光電交換機。其系統(tǒng)拓撲圖如下：
其中OLM100 和OLM200兩只光電交換機在控制系統(tǒng)中僅僅起到光電轉(zhuǎn)換的目的，在控制柜內(nèi)就實現(xiàn)光的轉(zhuǎn)換，起到防止電磁場干擾引入的作用。其它九個OLM 分別接有DP/Asi 通訊耦合器或SIMOCODE 電機智能控制器。每個耦合器下又連接有LOGO 、電機啟動器、開關(guān)按鈕盒和I/O 模塊。由此該控制系統(tǒng)構(gòu)成了較為復(fù)雜的三層結(jié)構(gòu)的通訊系統(tǒng)。由于底層的控制器均采用通訊的方式與主控制器進行數(shù)據(jù)交換，因此，從控制室的主控制器到現(xiàn)場的電機智能控制器、LOGO、 電機啟動器和I/O 模塊之間只有通訊線，而沒有一根控制線，真正體現(xiàn)了SIEMENS現(xiàn)場總線在工業(yè)控制應(yīng)用中的優(yōu)勢特點。
四、編程組態(tài)軟件
本系統(tǒng)選用了目前被國內(nèi)外廣泛采用的西門子公司的最新中文版工業(yè)自動化軟件WINCC V5.1 版，它為本系統(tǒng)提供了管理級、操作級的可視化過程，數(shù)據(jù)采集和遠程控制功能。
系統(tǒng)監(jiān)控中的操作員站和工程師站，均采用WINCC 相應(yīng)功能軟件，組成了完整的FCS 系統(tǒng)。根據(jù)工藝要求在HIM 畫面中主要分為主畫面、程控畫面、分站畫面報警趨勢、數(shù)據(jù)報表等。其主畫面如下：
主畫面主要是根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備位置來布置。為了區(qū)分具體皮帶種類，采用了不同顏色的皮帶，同時為了保證畫面有一定立體感效果，皮帶上有煤塊流動，皮帶采用深色，基帶為淺色，但皮帶電機動作時，在畫面上表示為煤隨皮帶一起動作，煤塊形成移動狀。這主要采用控制屬性中閃爍來達到畫面動態(tài)立體效果要求。
在系統(tǒng)總畫面中主要顯示輸煤皮帶的動作狀態(tài)，對皮帶的上位機操作控制。在每個分站畫面中來完成。按工藝區(qū)域劃分的流程控制圖、單元控制圖、控制器等。在模擬圖中可動態(tài)顯示現(xiàn)場設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)與信號值，操作人員可在當前畫面通過鍵盤或鼠標更改信號值，并可以對話，并可以對話框的形式調(diào)用其他各種信息。模擬圖以及其他圖形均可以菜單或按鈕驅(qū)動方式進入不同的顯示內(nèi)容。
在分畫面中通過點擊要操作的設(shè)備的左鍵彈出控制對話菜單，顯示出控制的菜單選項。具體包括：啟動、停止、電流、故障現(xiàn)場手自動位置等。每個不同類型設(shè)備要看具體控制情況而定，所有設(shè)備從而實現(xiàn)遠方手動操作。同時為了設(shè)備控制安全要求，在設(shè)備控制畫面中有操作畫面自動、手動切換按鈕，以保證自動失效情況下，可人工干預(yù)限制。在重要設(shè)備控制方面，開關(guān)操作時，會彈出提醒窗口，需要操作員再次確認才可執(zhí)行命令。
對于設(shè)備信息系統(tǒng)（報警系統(tǒng)），在畫面中主要是根據(jù)用戶的不同要求采用不同報警信息類型和信息等級。報警表能夠?qū)崟r顯示報警內(nèi)容，每個報警值都可以顯示標簽名、報警值、報警類型、報警時間、確認時間、優(yōu)先級、報警閃爍、報警確認等。按時間順序排列，并滾動顯示。并且無論畫面切換至何處，顯示屏幕都有專用區(qū)域以顯示最近的報警標簽。同時設(shè)定當報警條達到設(shè)定數(shù)量容量時，就用打印機將以前報警條打出，以便用戶查閱存檔。
對于系統(tǒng)操作的安全問題，根據(jù)電廠生產(chǎn)安全管理要求，通過軟件對不同的人員設(shè)定了不同的操作等級。在監(jiān)控軟件通過增強的安全性提供系統(tǒng)的安全。計算機在啟動后就直接進入啟動畫面，畫面顯示為灰色，用戶不能夠進行任何操作，畫面提示操作人員輸入自己的用戶名稱和口令，對與不同的用戶提供不同操作權(quán)限，如可限制操作員畫面顯示。調(diào)度器執(zhí)行和配方操作也可限制關(guān)鍵程序功能。提供給客戶一個系統(tǒng)管理員口令和密碼，系統(tǒng)管理員可分配不同的操作員的用戶和密碼來操作監(jiān)控軟件程序，同時在監(jiān)控畫面上顯示該用戶名稱。在系統(tǒng)中有記錄，這樣防止操作人員隨意破壞或改變計算機。除了管理人員用戶的操作口令可以退出監(jiān)控畫面外，其他人員不能夠退出畫面，不能夠最小畫，把關(guān)機的一切命令和按鈕都不能夠結(jié)束程序畫面運行如CTRL+ALT+DEL 都屏蔽了。
對于現(xiàn)場生產(chǎn)企業(yè)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)報表很重要，WINCC 提供了集成的報表系統(tǒng)，可以方便的輸出WINCC 數(shù)據(jù)到打印機進行打印，但考慮一些數(shù)據(jù)功能，采用了最流行的CRYSTAL REPORTS 報表專用軟件，根據(jù)生產(chǎn)需要編制實時的和歷史數(shù)據(jù)報表及統(tǒng)計計算報表。報表可按時間觸發(fā)或事件觸發(fā)進行打印。并能及時打印報表數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)可以根據(jù)操作人員不同選擇打印出不同報表。如根據(jù)時間、根據(jù)配方選擇不同變量等，都可以打印出不同風(fēng)格的報表。在報表中有打印人員名稱。
SIMATIC WINCC 的數(shù)據(jù)報表是以系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理服務(wù)器為基礎(chǔ)的。WINCC 提供了實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器采集最新的現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)提供給監(jiān)控工作站顯示、打印。全部實時數(shù)據(jù)采集周期從0.5 秒到20 分鐘可調(diào)。歷史數(shù)據(jù)庫從實時數(shù)據(jù)庫中采集數(shù)據(jù)，采樣周期從2 分鐘到24 小時可調(diào)，歷史數(shù)據(jù)的最長存儲時間不少于1年，通過歷史數(shù)據(jù)可計算累計值最大值、最小值、標準值、相對值地、偏差值或其他需要數(shù)據(jù)，據(jù)此操作人員可進行統(tǒng)計分析，指導(dǎo)生產(chǎn)。同時，操作人員可對遺漏的或無法自動采集的數(shù)據(jù)輸入到歷史數(shù)據(jù)庫，進行編輯。歷史數(shù)據(jù)可以被寫入磁盤光盤長期保存，以備將來恢復(fù)使用。
本系統(tǒng)采用SIMENS SIMATIC 的S7-400 控制器，通過以太網(wǎng)連接到四臺安裝有以太網(wǎng)卡的工控機上。編程用STEP7-V5.2 的軟件，在系統(tǒng)組態(tài)中考慮到本控制系統(tǒng)點數(shù)較多，控制設(shè)備也很多，所以要先分配好各部分地址，編址后在系統(tǒng)中進行硬件組態(tài)。在這里把本次系統(tǒng)中用到的設(shè)備有 S7-417-2 、SIMOCODE 、DP/Asi 耦合器，以及在現(xiàn)場傳感器Asi 總線中使用的設(shè)備有COMPACT STARTER 、 LOGO 、I/O 模擬量模塊、按鈕開關(guān)合，在STEP 7 中的硬件組態(tài)如圖。
在組態(tài)前對SIMOCODE 要用相應(yīng)單獨軟件進行組態(tài)，而對Asi 部分的組態(tài)比較容易，用地址設(shè)定工具把相應(yīng)設(shè)備地址設(shè)定后就可以了，設(shè)備正常或錯誤時在DP/Asi 上都有相應(yīng)的顯示，這樣便于調(diào)試人員觀察。
在編程時候，要注意對于相應(yīng)DP 地址點的對應(yīng)關(guān)系，特別是DP/Asi 部分在STEP 7 中地址的對應(yīng)關(guān)系，由于系統(tǒng)中用了模擬量模塊，所以在程序中調(diào)用SFC58/59 進行模擬量采集時候要注意地址關(guān)系。其他部分邏輯控制就和一般程序相同了。
五、結(jié)束語
對于Asi 控制層設(shè)備的通訊和電源提供時，應(yīng)注意必須提供兩路相對獨立的24VDC 和30VDC 給相應(yīng)的控制設(shè)備，這里30VDC 是蜷伏在通訊上作為通訊供電，24VDC 是直接提供給設(shè)備供電。
由于工藝控制技術(shù)規(guī)定的要求，所有控制設(shè)備都必須配置就地控制開關(guān)按鈕，因此這里選用了開關(guān)按鈕盒作為就地控制所需。但由于按鈕盒與電機啟動器不能在 Asi 層之間直接進行相互通訊，而必須通過主控｀制器方能完成它們之間的數(shù)據(jù)交換，為此這種配置不能滿足就地后備控制的技術(shù)要求SIEMENS 現(xiàn)場執(zhí)行器MOTOR STARTER 的停產(chǎn)是本方案的大遺憾。
本控制系統(tǒng)由于當時存在經(jīng)費問題，沒有選用H 型冗余控制器，應(yīng)該是本控制系統(tǒng)不足的地方。另外該項目是老廠改造項目有些控制設(shè)備不能作徹底改造，亦帶來了些須遺憾。對于像輸煤系統(tǒng)的控制如果能在新建廠設(shè)計時就將控制與電氣高、低壓開關(guān)、變頻設(shè)備、燃料計量一起整體考慮，那將是一套很完整的TIA 系統(tǒng)。
