火电厂输煤程控系统现场总线控制方案

浅谈火电厂的输煤程控系统现场总线控制方案摘要：火电厂的输煤系统是辅机系统的一个重要组成部分，是保证火电厂稳定可靠运行的重要因素之一。

一个高可靠性和灵活性的燃料输送系统程序是机组乃至整个电厂稳定运行的重要保证，其运行的好坏直接影响到电厂的安全运行。

本文根据某电厂输煤系统工艺流程，针对常规i/o控制方式和推荐的现场总线控制方式进行方案论述比较，提出了基于现场总线技术的输煤程控系统的控制方案。

关键词：火电厂输煤程控系统现场总线控制
引言
上世纪九十年代走向实用化的现场总线控制系统，正以迅猛的势头快速发展，是目前世界上最新型的控制系统。

随着电厂自动化水平的不断提高，现场总线技术已经在电厂众多工艺流程控制系统中得以广泛应用，其安全、便捷、高效、稳定的工作特性，正受到越来越多用户的关注和认可。

1 现场总线控制方式的特性
相对于传统的集中控制方式而言，现场总线是安装在生产过程区域中的现场设备/仪表与自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线，主要特征是采用数字式通信方式取代设备级的模拟量/开关量信号，使用一根电缆连接所有现场设备，支持的总线协议有profibus、devicenet、as-i、foundation fieldbus、interbus-s、canopen、modbus等。

与传统控制方法相比，其优势主要体现在：
1）具有较高的性能价格比，系统综合成本大幅度减少。

2）系统性能大幅度提高，使控制系统的档次跨越了一个台阶。

2 现场总线控制方式在电厂输煤系统的应用
现场总线控制系统是目前自动化技术中的一个热点，正受到国内外自动化设备制造商与用户越来越强烈的关注。

根据调研的结果，目前现场总线控制方式在国内电厂输煤系统应用情况大体如下：
用户名应用环境主控plc 起用时间运行情况反馈系
统集成商
湖南耒阳电厂（4×300mw 输煤线modicon quantum
2003年6月运行良好天水电气传动研究所
福建连江可门电厂（2×600mw）输煤线modicon quantum 2006年9月运行良好上海工业自动化仪表研究所
福建泉州南埔电厂（2×300mw）输煤线modicon quantum 2005年10月运行良好西安恒生
华能伊敏电厂2期新建（2×300mw）输煤线pacsystems
rx7i 2006年12月运行良好上海工业自动化仪表研究所华能伊敏电厂1期改造（2×300mw）输煤线ge pacsystems rx7 2007年4月运行良好上海工业自动化仪表研究所白山热电有限责任公司（2×300mw）输煤线ge pacsystems rx7i
2007年9月
广东阳西电厂2x600mw 输煤线modicon quantum 调试中西安恒生
3 某工程输煤程控系统配置方案
3.1输煤工艺系统简介
某100mw燃煤机组工程为铁路来煤，设计布置2个条形煤场，每个煤场设置一台悬臂式斗轮堆取料机，露天布置，采用双路胶带机运送燃料至煤仓间钢煤斗，全厂共设12条输煤皮带；输煤设备主要集中在翻车机室、#1、#2、#3转运站、碎煤机室和主厂房煤仓间。

纳入输煤程控的设备主要包括：
翻车机2套
斗轮堆取料机2台；
制动器12台；
胶带机12条；
振动煤篦2套；
振动给料机8台；
环式破碎机2台；
碎煤机监控仪２台；
液压站1台；
电动三通8台；
倾斜式滚轴筛2台；
犁式卸料器46台；
除大块器2台；
电子皮带秤2台；
循环链码校验装置4台；
入炉煤取样设备2套；
盘式除铁器4台；
带式除铁器4台；
液压拉紧装置2台；
刮水器2台；
振打器16台；
原煤仓连续料位计12台
原煤仓高料位计24台
根据各个输煤设备的安装布置位置，在输煤负荷相对集中的#1转运站、#2转运站、碎煤机室、煤仓间以及输煤综合楼分别设有电气配电间，为这些设备提供动力电源和相应的控制回路（厂家控制箱随设备安装在就地）。

3.2 输煤控制系统方案
根据负荷的初步统计结果，输煤程控di测点为908点，ai测点为32点，do测点318点，除尘器、抑尘电磁阀100点，总计1358点，预留15％的备用量，总点数以1560点考虑。

现将以这些测点数量为依据，根据输煤系统输煤栈桥和输煤设备的总体布置，结合电气配电间的设置特点，分别对常规i/o控制方案和现场总线控制方案进行说明。

3.2.1 常规i/o控制方案
输煤程控系统采用常规i/o方案，输煤就地控制室布置于输煤综合楼中，输煤系统采用plc程控（双机热备）、远程i/o方式。

为节省控制电缆，在控制对象相对集中的区域设置远程分站，分站与主站之间采用光缆进行通讯连接。

总体配置大体如下：（1）输煤主站（就地控制室）布置于输煤综合楼输煤电子设备间内；
（2）#1远程i/o站布置在输煤负荷相对集中的#2转运站电气配电间内；
（3）#2远程i/o站布置在输煤负荷相对集中的主厂房煤仓间电气配电间内；
（4）在#1~#6皮带头部分别设置输煤转接端子箱共12个，用于汇总采集胶带机沿线传感器元件的信号；
（5）输煤沿线所有喷雾抑尘装置的起停均采用硬接线的方式就近接入i/o远程站一对一进行控制；
根据负荷及控制楼统计，估算出输煤程控系统采用常规i/o方案需要大约需要控制电缆364根，电缆长度26公里。

3.2.2 现场总线控制方式
输煤控制系统采用现场总线控制方案，输煤就地控制室仍布置于输煤综合楼中，采用plc程控，双机热备。

与常规i/o控制方案相比，现场总线控制方式最大的区别在于，将绝大部分i/o模块分
散布置在输煤设备现场，输煤主控制器与各就地i/o或者设备就地分控装置之间采用成熟的总线技术予以连接，可根据输煤系统的控制特点，选择性的采用profibus、devicenet、canopen、modbus
等多种总线协议。

根据输煤工艺流程，沿着输煤胶带机在翻车机室、#1、#2转运站、碎煤机室、#3转运站、煤仓间等处设置总线控制箱，就地i/o 安装于其中。

总体配置大体如下：
（1）输煤主控制器（控制室）布置于输煤综合楼输煤电子设备间内；
（2）翻车机室设置2个总线控制箱，用于汇总翻车机室内的输煤设备i/o;
（3）#1转运站设置2个总线控制箱，分别对应#1甲乙胶带机，用于汇总#1转运站内及临近的输煤设备i/o;
（4）#2转运站设置4个总线控制箱，分别对应#2、#6甲乙胶带机，用于汇总#2转运站内及临近的输煤设备i/o；
（5）碎煤机室设置2个总线控制箱，分别对应#3甲乙胶带机，用于汇总碎煤机室内及临近的输煤设备i/o；
（6）煤仓间＃3转运站电气配电室设置2个总线控制箱，分别对应#4、#5甲乙胶带机，用于汇总#3转运站、#4、#5甲乙胶带机沿线的输煤设备i/o;
（7）原煤仓设置2个总线控制箱，分别对应机组原煤仓，用于汇总原煤仓料位测量i/o。

根据对该方案控制量统计，估算出输煤程控系统采用现场总线方案需要大约需要控制电缆312根，电缆长度8.3公里。

在以上方案的论述中，并未就输煤栈桥沿线大量传感器元件、除尘器、抑尘电磁阀的控制电缆用电量予以分别统计。

由于分布式i/o是就地布置在输煤设备现场的，输煤设备的监控信号无需经过输煤栈桥的电缆桥架连接到配电间的远程i/o站，所以此部分的i/o 测点采集，采用现场总线分布式i/o时比常规i/o方式更加节省电缆。

3.3 输煤控制系统方案比较
常规i/o控制方案和现场总线控制方案总体配置对照如下：
控制方式主控制器远程i/o屏数量端子箱数量电缆数量电缆长度
常规i/o 冗余plc,
工业以太网煤仓间5面
#2转运站4面12个364根26公里
现场总线分布式i/o 冗余plc,
工业现场总线无 14个312根8.3公里
比较上述两种控制方案，可以清晰地看到，输煤程控系统采用现场总线控制方案，控制电缆投资一项就可减少至少17.7公里，且由于i/o模块布置在就地，在就地只用适当增加少量的端子箱，无需另外设置远程i/o屏柜以及附带电气设备间，附带减少了现场
电缆敷设的工作量，降低了施工难度，其经济效应是显著的。

由于输煤现场环境条件较为恶劣，粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等比较严重，采用分布式i/o对于配置的硬件设备性能要求较高，因此现场i/o模块需采用高性能（ip67）的i/o模块（环境较好的电子设备间内可采用ip20的i/o模块）。

为了便于进行经济比较，投资估算仅针对输煤控制系统的设备造价进行比较，主要设备价格参照如下原则：
(1) i/o模块：总点数以1560点考虑。

采用常规i/o方式，输入输出均使用继电器隔离，继电器按omron计价；现场总线分布式i/o选用turck bl67及bl20系列产品，输出采用继电器隔离，继电器按omron核计。

(2)控制电缆及现场总线专用电缆：采用当前市场平均价格估算，不包含安装费用以及电缆构筑物费用。

(3)plc采用modicon quantum unity系列产品,包含就地主站、工程师站、通信管理机、通讯接口装置等网络设备及通讯软件费用。

（４）不包含输煤皮带沿线传感器以及相互连接的控制电缆的费用；
现场总线分布式i/o控制方式与常规i/o控制方式控制系统投资概算见下表：
项目现场总线分布式i/o控制方式常规i/o控制方式
控制系统投资:包含i/o模块、控制盘台柜、上位机、交换机、软件、专用电缆等140万115万
控制电缆费用8.3万26万
总价148.3 141万
目前，输煤皮带沿线传感器元件也广泛应用了现场总线技术，采用带有地址编码的传感器元件，其动作和状态信号可直接通过一根屏蔽双绞线或以太网送至plc，亦可节省大量的电缆投资，但是由于该类输煤传感器元件一次性投资较高，因此本文并未对其投资造价予以比较，均考虑采用常规传感器元件。

通过设备造价投资比较，输煤控制系统采用现场总线控制方式，由于节省了大量的控制电缆和安装敷设工作量，其总体综合投资与常规i/o控制方式大体相当（上表未包含电缆安装费用）。

另外，煤场喷洒水系统划归输煤程控后，根据电力行业标准《火力发电厂输煤设计技术规程第2部分: 煤尘防止篇》的规定，对大容量机组，煤场喷洒水系统宜采用远方自动控制方式。

若采用传统的i/o控制方式，需要由布置于转运站内的喷水控制箱向每个喷水电磁阀辐射状各引一根控制电缆，一对一的去启停每个喷水电磁阀，以实现自动控制的方式。

以本文工程目前煤场设计规模，暖通专业设置约120个喷水电磁阀，以每根电缆平均长度200米计算，线缆长度约为24公；若采用现场总线方式，仅用一根普通的
zrc-kvvp22-450/750v 4x1.5控制电缆，将现场各喷水电磁阀以串行总线结构方式相连。

该电缆既传输电能，又传输控制信号，除实现电磁阀远方控制功能外尚可提供装置断电、电磁阀断线、程控、就地、运行等信号，可在上位机上进行画面显示，智能化程度高，
且布线简单灵活（可直埋或穿管敷设），所用线缆长度仅为4公里。

通过以上比较说明，采用现场总线方案，对工程一次性投资的影响并不大，但能够提高整个系统的运行稳定性和系统的自动化水平，加快工程的建设周期，对整个工程具有实质性的意义。

4 结语
现场总线控制方式代表了今后电厂自动化控制发展的方向，其先进性是不言而喻的。

电厂输煤系统是电力生产过程中重要的辅助系统，输煤控制系统具有控制设备多、工艺流程复杂、设备分散等特点，从最近几年现场总线控制方式在电厂输煤系统的应用情况可以看出，该技术已经在国内众多大中小型电厂中得以应用，而且经过长期工程运行实践检验，其稳定、安全、高效的运行特征业已得到各方用户的认可。

参考文献
【1】雷小明等；现场总线技术在火力发电厂输煤程控系统中的应用于分析；电气设计技术, 2008，（2）。

【2】陈萍等;输煤程控系统发展的研究；电气设计技术，2008，（2）。

注：文章内所有公式及图表请以pdf形式查看。