PLC控制系統(tǒng)在水泥窯純低溫余熱發(fā)電工程的應用

　　進入20世紀末，國內水泥窯的余熱利用成了一個熱門話題。將大量的水泥窯余熱收下來并進行發(fā)電，對節(jié)約能源、降低水泥成本、提高水泥產量、改善環(huán)境無疑具有巨大的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。我院承擔的江西萬年青水泥股份有限公司(以下簡稱江西廠)^＃3窯余熱發(fā)電工程的設計任務，是國產第一條純低溫余熱發(fā)電的攻關項目。本文將就為該項目配套的PLC控制系統(tǒng)及“NCYD－1.1”純低溫余熱發(fā)電工程應用軟件作一介紹供參考。

１　控制系統(tǒng)的選定及介紹

１．１　系統(tǒng)配置
　　江西廠^＃３窯余熱發(fā)電工程ＰＬＣ控制系統(tǒng)由上位機和ＰＬＣ兩部分組成。上位機選用２臺工業(yè)控制計算機作為監(jiān)視、控制、操作、報警、參數(shù)設定、實趨及歷趨顯示、報表打印等功能之用，選用美國Wonｄｅｒｗａｒｅ公司的Intouch作為監(jiān)控軟件。PLC選用Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ電氣公司Ｍｏｄｉｃｏｎ ＴＳＸ Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ系列，作為邏輯程序編程、信號處理、時序控制、ＰＩＤ控制、數(shù)學運算、過程控制之用，使用Ｍｏｄｉｃｏｎ Ｃｏｎｃｅｐｔ編程軟件。上位機和ＰＬＣ間采用Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ作為通信網(wǎng)絡。
　　控制系統(tǒng)主要硬件配置見圖１。
　　圖１中上位機選用“研化”P586/200MHz工業(yè)控制計算機，32Ｍ內存、3G硬盤(在2臺主機中插入2塊型號AM-SA85－000的Modbus Plus通信卡)１臺，并配17″飛利蒲彩色監(jiān)視器２臺及EPSON 1600K打印機１臺。PLC選用Modicon TSX Quantum PLC系列，配有8路單極性模擬量輸入模塊(140ACI03000，4mA～20mA)7塊，8通道熱電阻輸入模塊(140ARI03010，Pt100)3塊，交流230V 16×1點輸入模塊(140DAI74000，AC230V)14塊，直流輸出24V 4×8點模塊(140DDO35300，DC24V)3塊，帶有交流電源的單／雙通道Modbus Plus分布式I/O分支(140CRA21110 DIO MB＋DROP AC １CH)2塊，電源模塊140CPS11410 AC PS 115／230 8A，140CPU11303 1塊，芯片80186，時鐘頻率20MHz，RAM512K，通信端口有２個Ｍｏｄｂｕｓ及Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ。
１．２　系統(tǒng)介紹
　　Ｑｕａｎｔｕｍ設計為一種模塊化的可擴充的結構，任何模板都沒有槽位限制，每個模板、模擬量通道、鋰電池、通信通道的狀態(tài)都能通過人機界面或用戶程序檢測。此條非常適合尚未定型的開發(fā)項目，因為在開發(fā)項目初期，Ｉ／Ｏ點數(shù)統(tǒng)計不可能相當準確，江西廠在調試過程中，由于增加了不少與^＃３窯聯(lián)絡的Ｉ／Ｏ點，致使模擬量輸入模塊偏緊，由于上述的優(yōu)點，只要有富余槽位，只要不超出ＣＰＵ的容量限制，可隨意增加模塊。
　?。眩酰幔睿簦酰?ＰＬＣ采用Ｉｎｔｅｒ奔騰處理器，無論是邏輯控制、順序控制、時序控制、數(shù)學運算、過程控制、PID調節(jié)指令，處理速度均高達0.09ｍｓ／ｋ。Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ作為控制網(wǎng)絡，具有高速、對等通訊、即插即用等優(yōu)點， Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ以１Ｍ速率通訊，每秒可傳遞２００００個寄存器字。在江西廠現(xiàn)場運行中，我們做了一個測試，在工控機上用鼠標點擊執(zhí)行機構開的按鈕，總響應時間為１ｓ，完全滿足控制系統(tǒng)的要求。
　　Ｑｕａｎｔｕｍ系統(tǒng)提供了最為開放和容易使用的網(wǎng)絡，系統(tǒng)采用了Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議為基礎，Modbus為事實上的工業(yè)標準，為世界上所有自動化硬件制造廠家所采用，Modbus Plus為Modbus議協(xié)的對等網(wǎng)絡，有數(shù)百家硬件供應商的支持。
　?。停铮洌椋悖铮?ＴＳＸ Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ系列使用環(huán)境并不苛求，其平均無故障工作小時數(shù)為３８萬ｈ以上。江西廠^＃３窯余熱發(fā)電工程ＰＬＣ控制系統(tǒng)的２臺上位機，同時聯(lián)網(wǎng)，互相熱備，當１臺上位機發(fā)生故障時，另１臺上位機完全可承擔系統(tǒng)監(jiān)控功能。另外我們可以用１臺上位機實行生產在線監(jiān)控，另１臺上位機承擔ＰＬＣ程序在線調試，給調試工作帶來便利。
　　Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ系統(tǒng)模板所有點都具備隔離，所有模板都可帶電插拔，系統(tǒng)運行可靠性強。江西廠^＃３窯余熱發(fā)電工程PLC控制室位于^＃３窯附近，電磁波干擾相當強，２臺工控機CRT畫面晃的很厲害，而此時ＰＬＣ卻安然無恙。 Ｑｕａｎｔｕｍ的系統(tǒng)診斷功能，能進行板級診斷，也可判定網(wǎng)絡故障，可以細到網(wǎng)絡的某個細節(jié)。Ｑｕａｎｔｕｍ系統(tǒng)還具有完善的自診斷功能。如模擬量輸入模塊１４０ＡＣＩ０３０００，當檢測到８路中任一路斷路(對４Ａ～２０Ａ)或電壓小于下限(對１Ｖ～５Ｖ)ＬＥＤ出現(xiàn)故障信號Ｆ；８通道熱電阻輸入模塊140ＡＲＩ03010，當ＬＥＤ出現(xiàn)１～８的紅色數(shù)碼，表示所示通道超范圍(包括斷路和短路情況)。開關量輸入輸出模塊，上部ＬＥＤ可顯示１～16點(綠色)輸入點狀態(tài)和１～32點(綠色)輸出點狀態(tài)。另外上位機也可利用PLC軟件Concept對現(xiàn)場測點進行檢測。這些對調試及生產無疑收益匪淺。輸出模塊采用故障狀態(tài)預置技術，若輸出模塊失去與主機的聯(lián)系，模塊仍按預先設置的預置狀態(tài)動作，保證系統(tǒng)的可靠性。

２?。危茫伲模保彼喔G純低溫余熱發(fā)電工程應用軟件

　　水泥窯純低溫余熱發(fā)電的機理是：在水泥窯窯頭設置一ＡＱＣ爐，在水泥窯窯尾設置一ＳＰ爐，水作為熱交換的介質，汽輪機冷凝器中的凝結水通過水泵和來自軟化水車間的補充水一起進入除氧器進行化學除氧，由鍋爐給水泵送入AQC爐，水由40℃升至188℃進入ＳＰ爐，由熱水循環(huán)泵強制循環(huán)，產生的飽和蒸氣進入鍋爐分離汽包，再進入ＳＰ過熱器進行過熱，產生的305℃左右過熱蒸氣推動汽輪機作功，進而帶動發(fā)電機3000ｋＷ發(fā)電，乏汽進入冷凝器冷凝，冷凝器冷卻水再回到冷卻塔冷卻。
　　我們利用 Modicon公司的PLC編程軟件Ｃｏｎｃｅｐｔ和美國Ｗｏｎｄｅｒｗａｒｅ 公司的上位機監(jiān)控軟件Intouch編制了“ＮＣＹＤ－１．１水泥窯純低溫余熱發(fā)電應用軟件?！痹撥浖形慕缑?、全鼠標操作，力求功能完善、掌握容易、操作方便，確保余熱發(fā)電系統(tǒng)安全可靠。軟件由封面、１個主畫面(見圖２)、４個操作畫面(汽輪機操作畫面、發(fā)電機操作畫面、SP爐操作畫面、AQC爐操作畫面)、13個輔助畫面(歷史趨勢畫面、報警畫面、報表畫面及10個實時趨勢畫面)組成。畫面背景色采用冷色調，力求畫面簡潔(減輕操作人員長時間盯著屏幕而視覺疲勞)。畫面間可隨意切換，并可對主畫面和４個操作畫面進行實時打印。
　　軟件主要功能有：
?。煟ǎ保┰诰€顯示系統(tǒng)內所有的溫度、壓力、水位、料位、閥位、電流、電壓、汽輪機轉速、發(fā)電機瞬時功率、發(fā)電機累計發(fā)電量（附有清零裝置）。
　（２）可對系統(tǒng)內所有電機實行集中啟停、邏輯運行及聯(lián)鎖。在操作畫面上，用鼠標單擊需要操作的電機，畫面上立即彈出此電機的啟停操作面板，為防止誤動作，面板上僅有“確認”“返回”兩鍵，單擊“確認”鍵后，操作面板出現(xiàn)“開機”“停機”鍵，即可進行啟停操作。完成操作后，單擊“返回”鍵，隱去啟停操作面板。
?。煟ǎ常┛蓪ο到y(tǒng)內所有的執(zhí)行機構實行遠程操作，用鼠標單擊需要操作的執(zhí)行機構電機，畫面上立即彈出此執(zhí)行機構的手操器，用鼠標切入手動方式后，設定閥門開度，確認后，閥門會自動停在所需的閥門位置上。用鼠標切入自動方式后，設定所需設定值，確認后，閥門會自動進入自動控制狀態(tài)。在操作畫面上，會顯示閥門的百分比開度指示和閥門的極限狀態(tài)，全開時閥門底部顯綠色，全關閉時閥門底部顯粉紅色；當執(zhí)行機構過力距時閥門底部顯紅閃；當執(zhí)行機構電機正在開時，畫面上執(zhí)行機構電機呈綠色，正在關時呈粉紅色。
?。ǎ矗┛娠@示各參數(shù)當前的走勢。用鼠標單擊操作畫面下部的“實趨”鍵，畫面上會在“實趨”鍵上部彈出實趨選擇上拉菜單，操作人員可根據(jù)需要選擇所要的參數(shù)實時走勢。設定實時走勢間隔為１ｈ（編程人員可根據(jù)用戶需要更改時間間隔）。
?。煟ǎ担┛娠@示各參數(shù)的歷史走勢。用鼠標單擊操作畫面下部的“歷趨”鍵，畫面上會彈出歷史趨勢畫面，用鼠標單擊歷史趨勢畫面，將彈出“歷史趨勢配置”對話框，操作人員可根據(jù)需要按照對話框中的“圖表開始”、“圖表長度”、“圖表范圍”及“標記”內的提示進行選擇，選擇完畢后單擊“ＯＫ”鍵，即可顯示所需參數(shù)的歷史趨勢畫面，要打印時，單擊畫面下部的“打印”鍵即可。在江西廠余熱發(fā)電調試過程中，歷史趨勢對事故分析起了相當大的作用。
　（６）實現(xiàn)實時報警。當某一參數(shù)出現(xiàn)高報警時，參數(shù)顯示值呈紅色，當參數(shù)值出現(xiàn)高高報警時，參數(shù)顯示值呈紅閃。同時操作畫面下部會顯示故障現(xiàn)時報警條目，按“ＡＣＫ”鍵確認，報警條目由紅色變?yōu)樗{色，表明操作人員已知報警，各操作畫面的“ＡＣＫ”鍵只能確認本畫面參數(shù)的報警?！吧?、下箭頭”鍵作為報警條翻動用。在操作畫面上，有條件的參數(shù)我們采用實體模擬顯示，便于操作人員監(jiān)控。如ＳＰ爐汽包水位，水位在正常值－５０ｍｍ～５０ｍｍ時，藍色的水位隨測量值升高而升高當水位達到 －５０ｍｍ～－１００ｍｍ或５０ｍｍ～１００ｍｍ時，汽包水位呈紅色；當水位達到或超過－１００ｍｍ及１００ｍｍ時，汽包水位呈紅閃。同時操作畫面下部將顯示其報警條，操作人員應及時處理此異常狀態(tài)。用鼠標單擊各操作畫面下部的“報警”鍵，屏幕將會顯示歷史報警數(shù)據(jù)及操作人員操作記錄，利于事后檢查。電氣報警復位，當電氣設備出現(xiàn)故障時，在操作畫面上故障電機顯示紅閃，報警條目中顯示紅色報警條，用鼠標單擊各操作畫面下部的“復位”鍵后，操作畫面電機紅閃消失，報警條目中紅色報警條變?yōu)樗{色。
?。煟ǎ罚┚哂袌蟊淼膶崟r顯示和打印功能。鼠標單擊各操作畫面下部的“報表”鍵，屏幕將會顯示實時報表，如需打印，用鼠標單擊各報表畫面下部的“打印”鍵即可，留作報表管理用。
　（８）本系統(tǒng)擁有４個調節(jié)回路和２個自動除灰控制回路：除前壓調節(jié)回路是汽輪機附帶的，本軟件有主蒸氣溫度調節(jié)回路、ＳＰ爐汽包水位調節(jié)回路、ＡＱＣ爐汽包水位調節(jié)回路；機械震打自動除灰控制回路、聲波震打自動除灰控制回路。

３　結束語

　　ＰＬＣ控制系統(tǒng)在江西廠^＃３窯余熱發(fā)電工程的應用是成功的。該套ＰＬＣ控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，完全滿足工藝要求和生產需要?！埃危茫伲模保薄睉密浖δ軓?，掌握容易，江西廠余熱發(fā)電車間的操作人員經(jīng)過半天的培訓即可上崗，經(jīng)過幾天的操作，就可成為熟練工。操作人員對此軟件的使用是滿意的。