PLC控制系統(tǒng)在水泥窯純低溫余熱發(fā)電工程的應(yīng)用

　　進(jìn)入20世紀(jì)末，國(guó)內(nèi)水泥窯的余熱利用成了一個(gè)熱門話題。將大量的水泥窯余熱收下來并進(jìn)行發(fā)電，對(duì)節(jié)約能源、降低水泥成本、提高水泥產(chǎn)量、改善環(huán)境無(wú)疑具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。我院承擔(dān)的江西萬(wàn)年青水泥股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱江西廠)^＃3窯余熱發(fā)電工程的設(shè)計(jì)任務(wù)，是國(guó)產(chǎn)第一條純低溫余熱發(fā)電的攻關(guān)項(xiàng)目。本文將就為該項(xiàng)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(yīng)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(jī)和ＰＬＣ兩部分組成。上位機(jī)選用２臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為監(jiān)視、控制、操作、報(bào)警、參數(shù)設(shè)定、實(shí)趨及歷趨顯示、報(bào)表打印等功能之用，選用美國(guó)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(hào)處理、時(shí)序控制、ＰＩＤ控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、過程控制之用，使用Ｍｏｄｉｃｏｎ Ｃｏｎｃｅｐｔ編程軟件。上位機(jī)和ＰＬＣ間采用Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ作為通信網(wǎng)絡(luò)。
　　控制系統(tǒng)主要硬件配置見圖１。
　　圖１中上位機(jī)選用“研化”P586/200MHz工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，32Ｍ內(nèi)存、3G硬盤(在2臺(tái)主機(jī)中插入2塊型號(hào)AM-SA85－000的Modbus Plus通信卡)１臺(tái)，并配17″飛利蒲彩色監(jiān)視器２臺(tái)及EPSON 1600K打印機(jī)１臺(tái)。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(diǎn)輸入模塊(140DAI74000，AC230V)14塊，直流輸出24V 4×8點(diǎn)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(shí)鐘頻率20MHz，RAM512K，通信端口有２個(gè)Ｍｏｄｂｕｓ及Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ。
１．２　系統(tǒng)介紹
　?。眩酰幔睿簦酰碓O(shè)計(jì)為一種模塊化的可擴(kuò)充的結(jié)構(gòu)，任何模板都沒有槽位限制，每個(gè)模板、模擬量通道、鋰電池、通信通道的狀態(tài)都能通過人機(jī)界面或用戶程序檢測(cè)。此條非常適合尚未定型的開發(fā)項(xiàng)目，因?yàn)樵陂_發(fā)項(xiàng)目初期，Ｉ／Ｏ點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)不可能相當(dāng)準(zhǔn)確，江西廠在調(diào)試過程中，由于增加了不少與^＃３窯聯(lián)絡(luò)的Ｉ／Ｏ點(diǎn)，致使模擬量輸入模塊偏緊，由于上述的優(yōu)點(diǎn)，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。
　　Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ采用Ｉｎｔｅｒ奔騰處理器，無(wú)論是邏輯控制、順序控制、時(shí)序控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、過程控制、PID調(diào)節(jié)指令，處理速度均高達(dá)0.09ｍｓ／ｋ。Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ作為控制網(wǎng)絡(luò)，具有高速、對(duì)等通訊、即插即用等優(yōu)點(diǎn)， Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ以１Ｍ速率通訊，每秒可傳遞２００００個(gè)寄存器字。在江西廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，我們做了一個(gè)測(cè)試，在工控機(jī)上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊執(zhí)行機(jī)構(gòu)開的按鈕，總響應(yīng)時(shí)間為１ｓ，完全滿足控制系統(tǒng)的要求。
　?。眩酰幔睿簦酰硐到y(tǒng)提供了最為開放和容易使用的網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)采用了Ｍｏｄｂｕｓ協(xié)議為基礎(chǔ)，Modbus為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為世界上所有自動(dòng)化硬件制造廠家所采用，Modbus Plus為Modbus議協(xié)的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，有數(shù)百家硬件供應(yīng)商的支持。
　　Ｍｏｄｉｃｏｎ ＴＳＸ Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ系列使用環(huán)境并不苛求，其平均無(wú)故障工作小時(shí)數(shù)為３８萬(wàn)ｈ以上。江西廠^＃３窯余熱發(fā)電工程ＰＬＣ控制系統(tǒng)的２臺(tái)上位機(jī)，同時(shí)聯(lián)網(wǎng)，互相熱備，當(dāng)１臺(tái)上位機(jī)發(fā)生故障時(shí)，另１臺(tái)上位機(jī)完全可承擔(dān)系統(tǒng)監(jiān)控功能。另外我們可以用１臺(tái)上位機(jī)實(shí)行生產(chǎn)在線監(jiān)控，另１臺(tái)上位機(jī)承擔(dān)ＰＬＣ程序在線調(diào)試，給調(diào)試工作帶來便利。
　?。眩酰幔睿簦酰?ＰＬＣ系統(tǒng)模板所有點(diǎn)都具備隔離，所有模板都可帶電插拔，系統(tǒng)運(yùn)行可靠性強(qiáng)。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(dāng)強(qiáng)，２臺(tái)工控機(jī)CRT畫面晃的很厲害，而此時(shí)ＰＬＣ卻安然無(wú)恙。 Ｑｕａｎｔｕｍ的系統(tǒng)診斷功能，能進(jìn)行板級(jí)診斷，也可判定網(wǎng)絡(luò)故障，可以細(xì)到網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)細(xì)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(dāng)檢測(cè)到８路中任一路斷路(對(duì)４Ａ～２０Ａ)或電壓小于下限(對(duì)１Ｖ～５Ｖ)ＬＥＤ出現(xiàn)故障信號(hào)Ｆ；８通道熱電阻輸入模塊140ＡＲＩ03010，當(dāng)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(guān)量輸入輸出模塊，上部ＬＥＤ可顯示１～16點(diǎn)(綠色)輸入點(diǎn)狀態(tài)和１～32點(diǎn)(綠色)輸出點(diǎn)狀態(tài)。另外上位機(jī)也可利用PLC軟件Concept對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。這些對(duì)調(diào)試及生產(chǎn)無(wú)疑收益匪淺。輸出模塊采用故障狀態(tài)預(yù)置技術(shù)，若輸出模塊失去與主機(jī)的聯(lián)系，模塊仍按預(yù)先設(shè)置的預(yù)置狀態(tài)動(dòng)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(yīng)用軟件

　　水泥窯純低溫余熱發(fā)電的機(jī)理是：在水泥窯窯頭設(shè)置一ＡＱＣ爐，在水泥窯窯尾設(shè)置一ＳＰ爐，水作為熱交換的介質(zhì)，汽輪機(jī)冷凝器中的凝結(jié)水通過水泵和來自軟化水車間的補(bǔ)充水一起進(jìn)入除氧器進(jìn)行化學(xué)除氧，由鍋爐給水泵送入AQC爐，水由40℃升至188℃進(jìn)入ＳＰ爐，由熱水循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)，產(chǎn)生的飽和蒸氣進(jìn)入鍋爐分離汽包，再進(jìn)入ＳＰ過熱器進(jìn)行過熱，產(chǎn)生的305℃左右過熱蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)作功，進(jìn)而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)3000ｋＷ發(fā)電，乏汽進(jìn)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(guó)Ｗｏｎｄｅｒｗａｒｅ 公司的上位機(jī)監(jiān)控軟件Intouch編制了“ＮＣＹＤ－１．１水泥窯純低溫余熱發(fā)電應(yīng)用軟件?！痹撥浖形慕缑?、全鼠標(biāo)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(gè)主畫面(見圖２)、４個(gè)操作畫面(汽輪機(jī)操作畫面、發(fā)電機(jī)操作畫面、SP爐操作畫面、AQC爐操作畫面)、13個(gè)輔助畫面(歷史趨勢(shì)畫面、報(bào)警畫面、報(bào)表畫面及10個(gè)實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面)組成。畫面背景色采用冷色調(diào)，力求畫面簡(jiǎn)潔(減輕操作人員長(zhǎng)時(shí)間盯著屏幕而視覺疲勞)。畫面間可隨意切換，并可對(duì)主畫面和４個(gè)操作畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)打印。
　　軟件主要功能有：
?。煟ǎ保┰诰€顯示系統(tǒng)內(nèi)所有的溫度、壓力、水位、料位、閥位、電流、電壓、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)瞬時(shí)功率、發(fā)電機(jī)累計(jì)發(fā)電量（附有清零裝置）。
?。ǎ玻┛蓪?duì)系統(tǒng)內(nèi)所有電機(jī)實(shí)行集中啟停、邏輯運(yùn)行及聯(lián)鎖。在操作畫面上，用鼠標(biāo)單擊需要操作的電機(jī)，畫面上立即彈出此電機(jī)的啟停操作面板，為防止誤動(dòng)作，面板上僅有“確認(rèn)”“返回”兩鍵，單擊“確認(rèn)”鍵后，操作面板出現(xiàn)“開機(jī)”“停機(jī)”鍵，即可進(jìn)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?duì)系統(tǒng)內(nèi)所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行遠(yuǎn)程操作，用鼠標(biāo)單擊需要操作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)，畫面上立即彈出此執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手操器，用鼠標(biāo)切入手動(dòng)方式后，設(shè)定閥門開度，確認(rèn)后，閥門會(huì)自動(dòng)停在所需的閥門位置上。用鼠標(biāo)切入自動(dòng)方式后，設(shè)定所需設(shè)定值，確認(rèn)后，閥門會(huì)自動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)控制狀態(tài)。在操作畫面上，會(huì)顯示閥門的百分比開度指示和閥門的極限狀態(tài)，全開時(shí)閥門底部顯綠色，全關(guān)閉時(shí)閥門底部顯粉紅色；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)過力距時(shí)閥門底部顯紅閃；當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)正在開時(shí)，畫面上執(zhí)行機(jī)構(gòu)電機(jī)呈綠色，正在關(guān)時(shí)呈粉紅色。
?。ǎ矗┛娠@示各參數(shù)當(dāng)前的走勢(shì)。用鼠標(biāo)單擊操作畫面下部的“實(shí)趨”鍵，畫面上會(huì)在“實(shí)趨”鍵上部彈出實(shí)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(shí)時(shí)走勢(shì)。設(shè)定實(shí)時(shí)走勢(shì)間隔為１ｈ（編程人員可根據(jù)用戶需要更改時(shí)間間隔）。
?。煟ǎ担┛娠@示各參數(shù)的歷史走勢(shì)。用鼠標(biāo)單擊操作畫面下部的“歷趨”鍵，畫面上會(huì)彈出歷史趨勢(shì)畫面，用鼠標(biāo)單擊歷史趨勢(shì)畫面，將彈出“歷史趨勢(shì)配置”對(duì)話框，操作人員可根據(jù)需要按照對(duì)話框中的“圖表開始”、“圖表長(zhǎng)度”、“圖表范圍”及“標(biāo)記”內(nèi)的提示進(jìn)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(shì)畫面，要打印時(shí)，單擊畫面下部的“打印”鍵即可。在江西廠余熱發(fā)電調(diào)試過程中，歷史趨勢(shì)對(duì)事故分析起了相當(dāng)大的作用。
　（６）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警。當(dāng)某一參數(shù)出現(xiàn)高報(bào)警時(shí)，參數(shù)顯示值呈紅色，當(dāng)參數(shù)值出現(xiàn)高高報(bào)警時(shí)，參數(shù)顯示值呈紅閃。同時(shí)操作畫面下部會(huì)顯示故障現(xiàn)時(shí)報(bào)警條目，按“ＡＣＫ”鍵確認(rèn)，報(bào)警條目由紅色變?yōu)樗{(lán)色，表明操作人員已知報(bào)警，各操作畫面的“ＡＣＫ”鍵只能確認(rèn)本畫面參數(shù)的報(bào)警?！吧稀⑾录^”鍵作為報(bào)警條翻動(dòng)用。在操作畫面上，有條件的參數(shù)我們采用實(shí)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(shí)，藍(lán)色的水位隨測(cè)量值升高而升高當(dāng)水位達(dá)到 －５０ｍｍ～－１００ｍｍ或５０ｍｍ～１００ｍｍ時(shí)，汽包水位呈紅色；當(dāng)水位達(dá)到或超過－１００ｍｍ及１００ｍｍ時(shí)，汽包水位呈紅閃。同時(shí)操作畫面下部將顯示其報(bào)警條，操作人員應(yīng)及時(shí)處理此異常狀態(tài)。用鼠標(biāo)單擊各操作畫面下部的“報(bào)警”鍵，屏幕將會(huì)顯示歷史報(bào)警數(shù)據(jù)及操作人員操作記錄，利于事后檢查。電氣報(bào)警復(fù)位，當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，在操作畫面上故障電機(jī)顯示紅閃，報(bào)警條目中顯示紅色報(bào)警條，用鼠標(biāo)單擊各操作畫面下部的“復(fù)位”鍵后，操作畫面電機(jī)紅閃消失，報(bào)警條目中紅色報(bào)警條變?yōu)樗{(lán)色。
?。煟ǎ罚┚哂袌?bào)表的實(shí)時(shí)顯示和打印功能。鼠標(biāo)單擊各操作畫面下部的“報(bào)表”鍵，屏幕將會(huì)顯示實(shí)時(shí)報(bào)表，如需打印，用鼠標(biāo)單擊各報(bào)表畫面下部的“打印”鍵即可，留作報(bào)表管理用。
　（８）本系統(tǒng)擁有４個(gè)調(diào)節(jié)回路和２個(gè)自動(dòng)除灰控制回路：除前壓調(diào)節(jié)回路是汽輪機(jī)附帶的，本軟件有主蒸氣溫度調(diào)節(jié)回路、ＳＰ爐汽包水位調(diào)節(jié)回路、ＡＱＣ爐汽包水位調(diào)節(jié)回路；機(jī)械震打自動(dòng)除灰控制回路、聲波震打自動(dòng)除灰控制回路。

３　結(jié)束語(yǔ)

　　ＰＬＣ控制系統(tǒng)在江西廠^＃３窯余熱發(fā)電工程的應(yīng)用是成功的。該套ＰＬＣ控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，完全滿足工藝要求和生產(chǎn)需要。“ＮＣＹＤ－１．１”應(yīng)用軟件功能強(qiáng)，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(xùn)即可上崗，經(jīng)過幾天的操作，就可成為熟練工。操作人員對(duì)此軟件的使用是滿意的。