[關(guān)鍵詞]可編程邏輯控制器 輸煤自控系統(tǒng) 聯(lián)鎖控制 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)

　　摘 要：
　　結(jié)合SIEMENS S7-200型變頻軟起的特點(diǎn)以及電廠輸煤系統(tǒng)的特殊要求，介紹了變頻軟起在電廠輸煤系統(tǒng)中用于聯(lián)鎖控制的程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用。

　　可編程邏輯控制器（變頻軟起）是八十年代發(fā)展起來(lái)的新一代工業(yè)控制裝置，是自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種專門用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程控制的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。
　　由于控制對(duì)象的復(fù)雜性，使用環(huán)境的特殊性和運(yùn)行的長(zhǎng)期連續(xù)性，使變頻軟起在設(shè)計(jì)上有自己明顯的特點(diǎn)：可靠性高，適應(yīng)性廣，具有通信功能，編程方便，結(jié)構(gòu)模塊化。
　　在現(xiàn)代集散控制系統(tǒng)中，變頻軟起已經(jīng)成為一種重要的基本控制單元，在工業(yè)控制領(lǐng)域中應(yīng)用前景極其廣泛。在筆者參與開(kāi)發(fā)的某電廠輸煤自控系統(tǒng)中，系統(tǒng)要求在遠(yuǎn)離輸煤廊的主廠房控制室里，對(duì)兩條輸煤線的18臺(tái)設(shè)備進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及皮帶跑偏的情況。
　　鑒于電廠輸煤系統(tǒng)的重要性，我們采用變頻軟起實(shí)現(xiàn)輸煤設(shè)備的聯(lián)鎖控制以保證其可靠性和特殊性，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)則作為上位機(jī)與變頻軟起互相配合，共同完成輸煤系統(tǒng)的監(jiān)控功能。 本文將主要介紹變頻軟起的控制應(yīng)用。

　　1.輸煤系統(tǒng)控制要求

　　輸煤系統(tǒng)有兩條輸煤線，包括給煤機(jī)、皮帶機(jī)、振動(dòng)篩、破碎機(jī)等共18臺(tái)設(shè)備，在電廠中有著極為重要的地位，一旦不能正常工作，發(fā)電就會(huì)受到影響。為了保證生產(chǎn)運(yùn)行的可靠性，輸煤系統(tǒng)采用自動(dòng)（聯(lián)鎖）、手動(dòng)（單機(jī)）兩種控制方式，自動(dòng)、手動(dòng)方式由開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。由于輸煤廊環(huán)境惡劣，全部操作控制都在主廠房的主控制室里進(jìn)行，儀表盤上設(shè)有各個(gè)設(shè)備的啟、停按鈕，還有為變頻軟起提供輸入信號(hào)的控制開(kāi)關(guān)。輸煤設(shè)備控制功能由變頻軟起實(shí)現(xiàn)，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和皮帶跑偏監(jiān)測(cè)以及事故紀(jì)錄功能則由上級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)完成。
為了保證輸煤系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行，該系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

　　供煤時(shí)，各設(shè)備的啟動(dòng)、停止必須遵循特定的順序，即對(duì)各設(shè)備進(jìn)行聯(lián)鎖控制；
　　各設(shè)備啟動(dòng)和停止過(guò)程中，要合理設(shè)置時(shí)間間隔（延時(shí)）。啟動(dòng)延時(shí)統(tǒng)一設(shè)定為12s。停車延時(shí)按設(shè)備的不同要求而設(shè)定，分為10s、20s、30s、40s、60s幾種，以保證停車時(shí)破碎機(jī)為空載狀態(tài)，各輸煤皮帶上無(wú)剩余煤；
　　運(yùn)行過(guò)程中，某一臺(tái)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)立即發(fā)出報(bào)警并自動(dòng)停車，其前方（指供料方向）設(shè)備也立即停車。其后方的設(shè)備按一定順序及延時(shí)聯(lián)鎖停車；
　　各輸煤皮帶設(shè)有雙向跑偏開(kāi)關(guān)，跑偏15度時(shí)發(fā)出告警信號(hào)，跑偏30度時(shí)告警并自動(dòng)停車；
　　可在線選擇啟動(dòng)備用設(shè)備。在特殊情況下可由兩條輸煤線的有關(guān)設(shè)備組成交叉供煤方式；
　　可在線選擇啟動(dòng)備用設(shè)備。在特殊情況下可由兩條輸煤線的有關(guān)設(shè)備組成交叉供煤方式；
　　可顯示各機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀況，并對(duì)輸煤過(guò)程有關(guān)情況（報(bào)警、自動(dòng)停機(jī)等）做出實(shí)時(shí)紀(jì)錄。

　　2 .變頻軟起控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 變頻軟起選型 根據(jù)輸煤系統(tǒng)的自控要求，我們選用了德國(guó)SIEMENS 公司推出的S7-200型變頻軟起，具有可靠性高、體積小、擴(kuò)展方便，使用靈活的特點(diǎn)。 基本CPU單元選用的是CPU214，性能如下：2048程序存儲(chǔ)器；2048數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；14點(diǎn)輸入，10點(diǎn)輸出；可擴(kuò)展7個(gè)模塊；128個(gè)定時(shí)器；128個(gè)計(jì)數(shù)器；4個(gè)硬件中斷、1個(gè)定時(shí)器中斷；實(shí)時(shí)時(shí)鐘；高速計(jì)數(shù)器；可利用PPI協(xié)議或自由口進(jìn)行通信；3級(jí)密碼保護(hù)。 擴(kuò)展模塊選用EM221,8個(gè)輸入點(diǎn)；EM223,16個(gè)輸入點(diǎn)，16個(gè)輸出點(diǎn)。

　　2.2 系統(tǒng)關(guān)系 系統(tǒng)關(guān)系如圖1所示。
　　在輸煤自控系統(tǒng)中，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)和輸煤控制變頻軟起進(jìn)行通信，對(duì)皮帶跑偏信號(hào)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并在屏幕上顯示輸煤系統(tǒng)仿真畫面，可以直觀地察看設(shè)備的狀態(tài)。當(dāng)皮帶跑偏（跑偏15度）時(shí)，在屏幕上顯示報(bào)警畫面；當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或皮帶嚴(yán)重跑偏（跑偏30度）時(shí)，在屏幕上顯示報(bào)警畫面并向變頻軟起發(fā)送事故停車信號(hào)。
　　輸煤控制變頻軟起則根據(jù)控制開(kāi)關(guān)的輸入信號(hào)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)程序塊，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能：向上級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)送工作組態(tài)信息，接收上級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的事故停車信號(hào)，實(shí)現(xiàn)事故停車處理功能并啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備。二者配合共同實(shí)現(xiàn)輸煤系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和控制功能。
　　上級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠其他系統(tǒng)的監(jiān)控，由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、輸煤系統(tǒng)變頻軟起和其他系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（變頻軟起、監(jiān)控儀表）共同構(gòu)成分布式系統(tǒng)（DCS）。

　　2.3 運(yùn)行模式 根據(jù)輸煤過(guò)程的要求，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種運(yùn)行模式。在一般情況下，采用并行模式，可根據(jù)需要單獨(dú)選用或同時(shí)運(yùn)行輸煤一線和輸煤二線。交叉模式是由輸煤一線和輸煤二線的有關(guān)設(shè)備組成的，僅在特殊情況下選用。

　　2.3.1并行模式

　　并行一線：

　　聯(lián)鎖開(kāi)車順序：10＃皮帶機(jī)→8＃皮帶機(jī)→6＃皮帶機(jī)→2＃破碎機(jī)→2＃振動(dòng)篩→4＃皮帶機(jī)→2＃皮帶機(jī)→2＃（3＃）給煤機(jī)→4＃給煤機(jī)。 聯(lián)鎖停車順序：與開(kāi)車順序相反，延時(shí)時(shí)間按上述要求設(shè)定。2＃、3＃給煤機(jī)某中一臺(tái)備用。
并行二線
　　聯(lián)鎖開(kāi)車順序：9＃皮帶機(jī)→7＃皮帶機(jī)→5＃皮帶機(jī)→1＃破碎機(jī)→1＃振動(dòng)篩→3＃皮帶機(jī)→1＃皮帶機(jī)→1＃給煤機(jī)。
　　聯(lián)鎖停車順序：與開(kāi)車順序相反，延時(shí)時(shí)間按上述要求設(shè)定。

　　2.3.2 交叉模式

　　交叉線
　　聯(lián)鎖開(kāi)車順序：9＃皮帶機(jī)→7＃皮帶機(jī)→6＃皮帶機(jī)→2＃破碎機(jī)→2＃振動(dòng)篩→4＃皮帶機(jī)→2＃皮帶機(jī)→2＃（3＃）給煤機(jī)。
　　聯(lián)鎖停車順序：與開(kāi)車順序相反，延時(shí)時(shí)間按上述要求設(shè)定。2＃、3＃給煤機(jī)其中一臺(tái)備用。

　　2.4 變頻軟起程序設(shè)計(jì)
　　針對(duì)輸煤系統(tǒng)的控制要求以及具體控制方案的實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)程序流程如圖2所示。

　　2.4.1 程序說(shuō)明

　　子模塊0：初始化子程序。在變頻軟起加電時(shí)根據(jù)各個(gè)開(kāi)關(guān)的位置設(shè)立標(biāo)志位。僅在*個(gè)掃描周期執(zhí)行。
　　子模塊1：并行一線聯(lián)鎖啟停控制程序。根據(jù)啟動(dòng)標(biāo)志位1實(shí)現(xiàn)并行一線的聯(lián)鎖啟動(dòng)、聯(lián)鎖停車，并判斷事故停車信號(hào)以實(shí)現(xiàn)事故停車。
　　子模塊2：并行二級(jí)聯(lián)鎖啟?？刂瞥绦?。根據(jù)啟動(dòng)標(biāo)志位2和實(shí)現(xiàn)并行二線的聯(lián)鎖啟動(dòng)、聯(lián)鎖停車，并判斷事故停車信號(hào)以實(shí)現(xiàn)事故停車。 ?子模塊3：交叉線聯(lián)鎖啟停控制程序，根據(jù)啟動(dòng)標(biāo)志位3實(shí)現(xiàn)交叉線的聯(lián)鎖啟動(dòng)、聯(lián)鎖停車，并判斷事故停車信號(hào)以實(shí)現(xiàn)事故停車。
　　變頻軟起的輸出信號(hào)控制電機(jī)的接觸器，啟動(dòng)送高電平，停止送低電平。但是，1＃破碎機(jī)功率達(dá)90kW，2＃破碎機(jī)功率達(dá)110KW，需要降壓?jiǎn)?dòng)，所以啟動(dòng)時(shí)變頻軟起送一個(gè)正脈沖，停車時(shí)變頻軟起送一個(gè)負(fù)脈沖。

　　2.4.2 程序特點(diǎn)

　　特殊標(biāo)志位的使用：使用特殊標(biāo)志位SM0.1，使得初始化子程序（子模塊0）僅在*個(gè)掃描周期執(zhí)行，而在以后的掃描周期不再執(zhí)行。這樣，個(gè)別標(biāo)志位在變頻軟起加電后不受開(kāi)關(guān)變化的影響。例如，并行模式和交叉模式對(duì)應(yīng)標(biāo)志位僅在關(guān)掉主控開(kāi)關(guān)后才能改變。
　　內(nèi)部標(biāo)志位的使用：在程序中，利用標(biāo)志位來(lái)表示不同的現(xiàn)場(chǎng)情況和程序狀態(tài)，增加了程序的可靠性和靈活性。
　　程序模塊化：程序由不同子模塊構(gòu)成，各子模塊獨(dú)立完成各自功能，互不干擾，因而程序結(jié)構(gòu)清晰，便于修改。
　　定時(shí)器的使用：程序中，利用不同的定時(shí)器來(lái)設(shè)定不同設(shè)備的延時(shí)時(shí)間，可以靈活地根據(jù)控制要求進(jìn)行延時(shí)時(shí)間的設(shè)定。

　　2.5 部分程序梯形圖

　　圖3所示為部分聯(lián)鎖啟?？刂铺菪螆D，T37用于控制設(shè)備的啟動(dòng)延時(shí)，T40～T46用于控制相應(yīng)設(shè)備的停車延時(shí)，接收到停車信號(hào)時(shí)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的延時(shí)，對(duì)應(yīng)定時(shí)器置位從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖停車。Q0.3是1#破碎機(jī)的啟動(dòng)控制輸出通道，啟動(dòng)1＃破碎機(jī)時(shí)送出一個(gè)寬度為2s的正脈沖。Q0.7、Q1.0分別是2＃給煤機(jī)、3＃給煤機(jī)的控制輸出通道，M0.1、M0.2 是內(nèi)部標(biāo)志位，用于保證2＃、3＃給煤機(jī)始終為一臺(tái)工作，一臺(tái)備用。 總之，本系統(tǒng)中，變頻軟起作為現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，能夠可靠、準(zhǔn)確地完成控制操作，并且可以通過(guò)與上級(jí)工控機(jī)通信，組成分布式系統(tǒng)共同完成輸煤系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、控制要求，是現(xiàn)代工業(yè)控制中比較*的控制方案，應(yīng)用前景廣泛。
　　目前，本系統(tǒng)已經(jīng)在內(nèi)蒙古伊化集團(tuán)蘇尼特堿礦電廠投入運(yùn)行，能夠可靠、準(zhǔn)確地完成控制操作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄輸煤過(guò)程運(yùn)行狀況，并且能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的各種突發(fā)事件及時(shí)做出響應(yīng)，取得了良好的效果。 　

　　自控系統(tǒng)的總體圖及系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　現(xiàn)代化水泥廠的水泥回轉(zhuǎn)窯分布式工業(yè)計(jì)算機(jī)集成自動(dòng)化過(guò)程控制系統(tǒng)是一個(gè)大系統(tǒng)，它是包含水泥回轉(zhuǎn)窯全線生產(chǎn)過(guò)程控制和全線生產(chǎn)管理系統(tǒng)的一個(gè)大系統(tǒng)。琉璃河水泥回轉(zhuǎn)窯分布式工業(yè)計(jì)算機(jī)集成自動(dòng)化過(guò)程控制系統(tǒng)包括了：石灰石破碎、原料預(yù)均化、原料配料、原料粉磨、生料質(zhì)量控制系統(tǒng)、煤粉制備控制系統(tǒng)、燒成控制系統(tǒng)、集成的窯胴體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、水泥配料及水泥粉磨控制系統(tǒng)和水泥廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)。
　　琉璃河水泥回轉(zhuǎn)窯分布式工業(yè)計(jì)算機(jī)集成自動(dòng)化過(guò)程控制系統(tǒng)配置圖
　　璃河水泥回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)分布式過(guò)程控制系統(tǒng)采用西門子PCS 7過(guò)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用客戶/服務(wù)器（CLIENT/SERVER）和瀏覽器/WEB服務(wù)器（BROWSER/SERVER）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的操作站、強(qiáng)大的關(guān)系型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)支撐平臺(tái)、高可靠大容量的控制器、采用PROFIBUS過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的分散型I/O等子系統(tǒng)。

　　該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):

　　全系統(tǒng)操作站是聯(lián)網(wǎng)、協(xié)調(diào)工作的。無(wú)論是從生產(chǎn)管理系統(tǒng)的角度還是從生產(chǎn)控制系統(tǒng)的角度來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)聯(lián)網(wǎng)、協(xié)調(diào)工作的大系統(tǒng)。*、可靠的客戶/服務(wù)器（CLIENT/SERVER）和瀏覽器/WEB服務(wù)器（BROWSER/SERVER）模式的應(yīng)用使系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、數(shù)據(jù)分布合理、操作速度快、人機(jī)界面友好、使用方便。

　　業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)絡(luò)（IEEE Ethernet 802.X）、SIEMENS SIMATIC NET 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)、PROFIBUS過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)總線（EN 50170）所構(gòu)成的三級(jí)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊的高可靠性、無(wú)阻塞和高速度（10M～100M）。

　　2號(hào)站、3號(hào)站的控制器為冗余、雙機(jī)熱備容錯(cuò)系統(tǒng)，1號(hào)站、4號(hào)站控制器的電源采用了冗余結(jié)構(gòu)，確保了分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)的高可靠性。

　　系統(tǒng)各操作站是全透明、全容錯(cuò)的。它們之間可以實(shí)現(xiàn)互相替代

　　光纖環(huán)網(wǎng)具有冗余功能,從而保證了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目宫F(xiàn)場(chǎng)*力和高可靠性。
全系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理是建立在分布式管理的、高可靠與率的關(guān)系型分布式數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)上的。在該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)分為管理操作數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過(guò)程控制數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)分布式地流動(dòng)在整個(gè)水泥回轉(zhuǎn)窯分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)上，并且由數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)進(jìn)行管理，保證了它們的一致性，為生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理、分析和管理提供了依據(jù)。