潍坊发电厂输煤程控系统改造

概述:

山东潍坊发电厂一期工程输煤电气控制系统投产于1993年9月。主要由控制操作台、集中控制屏以及大量按钮、开关组成。设计全部为电气硬接线方式，控制系统的人机操作界面全部使用硬手操，控制盘面保留大量的常规按钮、指示灯，报警显示光字牌，系统的联锁保护逻辑由电气硬接线实现。由于设计水平较低，操作盘面既保留系统模拟图，又嵌入系统设备的操作按钮、设备状态指示灯，致使操作盘面布置复杂，设备维护量较大。各设备连接信号均由硬接线实现，系统接线复杂，设备故障点非常多。受到电气硬接线控制逻辑的限制，系统的控制功能简单，犁煤器控制不能实现远方操作，各种保护投入较少，系统检测的信息量少，就地保留值班人员，自动化水平不高。根据收资调研，现有电厂输煤系统多数已经投入程控，并投入成功。为了提高设备自动化水平，决定对输煤电气控制系统进行改造，根据自动控制技术的现状和发展水平,DCS控制设备的成熟与大量的应用，经过收资、论证和进行可行性分析与方案比较，决定采用DCS设备对输煤电气控制系统进行改造。

系统总体改造方案

改造的总体原则：设计采用了成熟的技术，并代表输煤控制的先进水平，确保系统的运行可靠、稳定，所选控制系统合理、先进，具有良好的系统扩展功能。系统的满足信息化要求，对现场数据和统计报表能够与厂MIS网通讯实现信息的共享。

输煤程控改造后实现系统集中控制方式。运行人员在控制室内能对整个工艺系统进行集中监视、管理，实现全系统设备的启动、停止、运行监控、自动顺序控制。采用CRT操作站作为操作员人机接口站，通过CRT画面和鼠标对整个工艺过程进行监视和控制，不再设常规模拟屏和操作盘。所有运行参数、报警信息以及设备运行状态可定时或随时打印记录，可以根据实际需要产生统计报表和运行定期报表。

改造范围

控制室改造
拆除输煤集控室内原有控制屏、台，电气控制柜。增加控制屏一面，嵌入输煤工业电视显示器5台。增加操作控制台一个，布置系统运行操作监视显示器两台，打印机一台，工业电视控制操作台一个,调度通讯机一台。控制室内分割出电子设备间，布置系统控制主机柜、电源柜、输入输出隔离柜、调度主机柜。控制室防静电地板处理，照明更换，加装空调。

配套外围信号改造
增加现场堵煤信号13个。速度检测装置17套。增加煤仓煤位检测信号模拟量输出（全量程检测信号）10个，高煤位检测开关36个。对#1、 #2、#3、#4加装撕裂检测装置7个。原有跑偏、拉绳开关保留，对数量不足的补充,损坏的更换。对所有动力设备增加控制电源检测中间继电器，检测设备控制电源信号，送至主机监视。设计程控系统和门式堆取料机、电子皮带称、自动取煤样装置、除尘器接口，敷设联络信号电缆。对原设备电气二次控制回路改造，适应程控改造后的要求。设计配置犁煤器、电动三通档板电气控制二次回路，实现与程控系统接口。

配套工业电视系统改造
根据全系统监视的要求，增加部分镜头，更换部分损坏的摄像机镜头和显示器，对安装位不合适的镜头调整安装位置。

控制系统配置

系统硬件配置

工程师站和操作站

整个系统配有两台操作站，其中一台兼做工程师站，另一台兼做历史数据站，采用研华工业控制计算机, 21英寸彩色显示器，配置一台HP激光打印机做为系统打印机。工程师站用于开发用户应用程序，下载到操作站和过程控制站（或DPU）中，在完成软件开发后，可作为操作站使用。操作站用于监视和控制整个工艺生产过程。

过程控制站
过程控制站配置两对DPU，各对DPU控制范围按照功能进行了划分，具体分为两部分：上煤部分和配煤部分，相应控制范围是： 1号DPU控制从翻车机煤斗叶轮给煤机到煤场、圆筒仓的所有设备。2号DPU控制从圆筒仓叶轮给煤机到9号皮带煤仓间犁煤器所有设备。使两部分功能相对对立，互不影响，便于部分停运检修。为了优化系统减少设备投资，在煤仓间运转层增加一个远程I/O站，收集8-9号皮带以及煤仓间犁煤器等附属设备的输入信号，并输出控制8-9号皮带以及煤仓间犁煤器等附属设备。

系统隔离扩展
由于潍坊发电厂原有输煤系统控制方式为纯电气硬手操，原电缆设计是按照设备连接设计的，没有按照反馈信号和指令信号电缆分设的原则将输入信号和输出信号电缆分开，在整个改造过程中对电缆部分没有进行改造，使用了原有的电缆，而新华公司XDPS系统的输入卡件端子板为48V直流输入，为避免因电缆故障输入卡件串入220V强电信号，对整个系统所有的开关量输入信号（包括备用输入）全部使用中间继电器隔离，将控制系统和外设隔离，同时又有效的克服了长距离电缆信号传输的信号干扰。极大的提高了系统设备的安全可靠性。系统两路总电源通过隔离变压器与输煤主电源实现隔离，防止了主系统对控制设备的电气干扰。
对新华公司XDPS-400系统的特有的输入、输出端子板隔离方式：输入端子板直接接受直流48V信号，可以有效的防止交流干扰信号引起的信号误动，输出端子板直接安装输出隔离继电器。如果系统为新设计控制系统，反馈信号和指令信号电缆分设，输入信号和输出信号电缆分开，是完全没有必要再增加中间隔离继电器，因此对于新设计系统电缆可以直接接入到输入、输出端子板，大大减少系统机柜数量，减少中间环节，提高系统整体的可靠性。

系统软件配置：
整个输煤程控系统软件配置以MS Windows NT为平台，新华电站控制工程公司开发的XDPS NetWin R 2.3版 32位实时控制软件一套。软件的功能：数据一览、报警一览、报警历史、图形显示、图形生成、自检、趋势、单点、报表、DPU组态，其他相关程序提供多种功能供用户进行选择：图形生成监控画面趋势分析报警管理历史数据记录报表性能计算。

系统实现功能

上位机操作站功能
上位机操作站的基本功能如下：
模拟图监视
以工艺流程模拟图为基本监视手段，动态显示系统内每一个模拟量和数字量，共设置系统模拟图系统总貌、上煤部分、配煤部分三幅模拟图。模拟图中以设备图示的颜色变化表示状态的变化，设备的电流显示以数字形式，在设备停止时隐含于画面，设备运行自动弹出并动态指示电流实时值。整个系统还设计有三幅报警画面，对上煤部分、配煤部分以及电气设备的开关量以及重要参数越限进行画面光字牌和声音报警，对重要故障采用语音报警。最大限度的为运行人员提供系统实时信息，方便了多系统同时监控。通过模拟图可以基本实现系统的监视运行需要。

系统总控画面模拟图

卸煤部分模拟图

供煤部分模拟图

模拟图中设备颜色分别表示：
皮带设备：红色表示设备已经启动运行，绿色表示设备允许启动，具备启动条件，黄色表示设备处于检修状态不能操作，黄色闪光表示设备发生故障。灰色表示不具备启动条件。
档板设备：红色表示档板已经到位，绿色表示档板在流程中选中，灰色表示不具备启动条件。
犁煤器：红色表示落到位，绿色表示抬到位，黄色表示表示设备处于检修状态不能操作，红色闪光表示落卡死，绿色表示抬卡死。
高煤位：红色亮点显示表示高报警。

控制方式的选择
在每幅模拟图画面中都有系统操作按钮分别用于：预启、程启、程停操作，手动、联锁、程控方式切换。
设备操作器上试验按钮用于切换设备于试验方式，解除指示用于显示设备联锁以及非拉绳保护已解除。另外还设有设备禁止操作设置画面用于设备检修时设备挂牌使用。可以通过查阅此画面检查设备状态

过程参数设定
通过检修仓设置画面可以设置检修仓，已设置为检修仓的犁煤器被禁止操作。通过设备操作器上试验按钮可以对设备的保护进行投切，可以投切的保护为电机电流越限保护、皮带跑偏、皮带打滑、落煤管堵煤。设备保护的投切状态用操作器上解除字颜色变化显示。系统使用模拟图画面的档板位置设置的A、B小按钮用于对系统所启动运行设备组合的选择，系统自动判断流程选择的正确与否，发出流程选择正确，允许系统启动。

设备级驱动本系统设计弹出式操作器在模拟图上点击所操作的设备，即弹出对应的操作器。可以从操作器上对单个设备控制方式切换，自动方式对应全程控自动方式，手动对应解锁手动方式和手动试验方式。操作器上显示信息有自动、手动方式，设备运行或停止状态，以及操作应答信息，允许启动和跳闸信息。极大的为运行人员提供了操作指导和帮助提示，方便了运行人员。

开关量显示报警
本系统在显示画面上设计有专用常显开关量报警窗口，对系统各种报警信息的变化滚动报警，对系统重要的开关量设置语音报警，并弹出报警窗口，设有报警确认按钮，对报警进行确认。通过报警一览和报警历史可以对系统的报警信息进行查阅，或者报警确认后通过设备状态一览画面对报警信息进行查询。整个系统还设计有三幅报警画面，对上煤部分、配煤部分以及电气设备的开关量以及重要参数越限进行画面光字牌和声音报警。

趋势画面显示
在操作站画面上还可以通过成组的趋势显示对模拟量或开关量的历史和实时趋势进行查阅，每组趋势最多可以同时显示8个量，通过趋势显示可以有效的查阅相关信号的动作顺序过程，便于分析事故状态下信号动作过程,提高加快了事故分析的准确性可速度。

设备检修管理
在上位机操作站上设有专用画面对设备进行检修设置，对于检修状态的设备禁止程控系统对设备的操作指令输出，提高了设备的安全可靠性，同时在此画面上显示设备控制电源状态，提供运行人员查询。

设备一览在上位机操作站上设有专用设备一览画面对设备进行详细状态检查提供运行人员查询。

打印报表
系统设计自动报表功能，系统可以根据电子皮带称数据和运行设备状态数据自动计算分炉计量上煤量，并对每个运行班的上煤量等数据进行报表打印输出。减轻了运行人员抄表的工作量，提高运行记录的真实性。

历史数据的存储和检索
系统设置其中一台操作员站兼作历史数据站，存入全部输入、输出点和重要的内部开关点，由于使用大容量存储硬盘，存储时间可长达几个月，以随时记录重要的状态改变和参数改变。 HSR的检索可按指令进行打印或在CRT上显示出来。历史数据打印独立于历史趋势之外，历史数据可单独打印。

DPU控制功能

主设备控制功能
1 运行控制方式
过程控制单元根据上位机操作员设定的三种运行控制方式：解锁手动、联锁手动、程控自动三种方式控制皮带运行。控制方式由上位机运行控制方式决定，但是在上位机失灵情况下控制方式保持不变。解锁手动方式为设备单个直接手操，无联锁闭锁条件，但是设备本身的保护仍然起作用。

2 联锁手动方式
联锁手动方式下满足下列条件：流程选择正确、流程相关联档板到位并且顺煤流方向下游设备运行正常、本身无设备跳闸信号，可以直接手动启动设备；在逆煤流方向上游设备停止以后方可以停止设备。
3 程控自动控制方式
在程控控制方式下流程选择正确，流程相关联档板到位并且顺煤流方向下游设备运行正常后自动启动设备；在逆煤流方向上游设备停止以后经过适当延时自动停止下游设备。
4 手动试验方式
在手动试验方式下不需要选择流程和档板，可以直接启动、停止设备，此方式下只有设备本身保护起作用
5 设备的保护
皮带设备本身保护有打滑、跑偏、撕裂、堵煤、拉绳开关，拉绳动作必须联锁跳闸设备，对于其他保护信号跳闸或报警根据设备实际状况由运行人员投切。对于6KV电机电气跳闸保护必须送DPU。保护动作后延时时间可以根据实际整定。电机电流越限保护可以根据需要进行投切。系统运行过程中可以使用紧急停机按钮对设备进行事故处理。

犁煤器控制功能
犁煤器控制设计手动控制和程控两种方式。手动方式下从操作员站画面上弹出操作器直接抬落犁煤器。
2 程控方式功能
a.自动尾犁设置
预启过程中，程序根据所选流程自动将逆煤流方向的第一个非高煤位对应的犁煤器落下，并设置尾犁标志；或者通过上位机设置尾犁。在程序配煤过程中，尾犁始终不能抬起。
b.低煤位优先配煤
在程序配煤过程中，如果出现低煤位，程序将自动按照顺煤流方向依次对低煤位原煤仓进行逐个优先配煤，直至所有低煤位消失。
c.顺序配煤;
在无低煤位的情况下，程序将自动按照顺煤流方向，依次对原煤仓非高煤位对应的犁煤器进行顺序配煤,在出现高煤位时，先将下一个非高煤位对应的犁煤器落下，然后抬起高煤位对应的犁煤器，如此顺序配煤直至尾犁，如果顺序配煤过程中，工作犁以前又出现高煤位消失，程序不是立即返回配煤，而是顺序配煤到尾犁以后再返回重新配煤，如此循环直到所有的高煤位出现，顺序配煤完毕。
d.余煤配煤：
在顺序配煤完毕以后，立即联锁停止给煤机，同时程序自动按照顺煤流方向，对可配煤犁煤器进行依次定时余煤配煤，将皮带上的余煤配煤完毕。
e.故障处理
在低煤位优先配煤过程中，如果原煤仓第一个犁煤器落犁卡死，将自动转为第二个犁煤器工作。在顺序配煤过程中，如果原煤仓某个犁煤器落犁卡死，将自动转为下一个犁煤器工作。如果配煤过程中出现抬犁卡死，将联锁停止给煤机。如果某个原煤仓两个犁煤器全部卡死，将发出报警，不能继续程控配煤。
3 圆筒仓犁煤器配煤：
圆筒仓犁煤器配煤设计为手动配煤方式，按照顺煤流方向对每个犁煤器进行配煤，当犁煤器对应的高煤位出现后闭锁其犁煤器配煤。

辅助设备控制
对于除铁器、除尘器等附属设备可在集控室手动或随主设备联动。堵煤振打器可在集控室手动或由堵煤信号联动，原煤取样装置只做状态监视，电子皮带秤称量信号进主机累计计算。

分炉或分仓计量功能：将电子皮带称的称量信号引入DCS系统，在配煤过程中利用犁煤器状态信号，通过特定的程序组态实现了每个煤仓进煤量的累计，实现锅炉煤仓的分仓或分炉计量。

MIS联网功能
系统实时数据通过操作员站传送到厂MIS网上，并通过潍坊电厂MIS实时数据系统向MIS网用户播放，从连接到MIS网的微机上可以直接查看输煤系统的设备状态，上煤数据，为提高电厂管理水平提供了信息数据。

输煤系统的特点

潍坊发电厂输煤系统改造采用XDPS-400型DCS设备与其他设备相比具有较高的性能价格比，具体特点表现在如下几个方面。

开放式图形组态工具系统具有功能强大的综合控制软件包，分布式实时数据库容量大，系统过程控制软件具有丰富的算法，具有功能块算法100多种。提供了功能级的标准步序算法模块和DEVICE设备级标准算法模块。简化了组态结构。各子系统组态方式均采用相同的图形组态方式，单一的图形组态工具就可以完成系统所有的功能，组态方式为简单的连线，直观简洁，维护人员易于掌握，使用提供的算法模块可实现不同的应用系统的功能。DPU组态软件的下装和上装方便快捷，可以在线调试修改组态而不影响系统的正常工作。由于使用开放式图形组态，过程控制的功能和细节对维护人员是透明的，从这方面讲方便了维护，对系统功能的完善有极大的好处。

智能化的汉化界面
整个输煤系统使用的XDPS-400系统操作系统为全汉化的应用系统界面，有助于运行人员熟练掌握和安全操作。操作员站界面不仅仅用于工艺流程的监控，还为运行人员根据机组启停的不同阶段在线提供操作指导，能在线显示设备的启停条件、联锁条件和设备跳闸、故障和操作失败等信息，综合提示主要辅机跳闸、设备失电、控制回路切手动等信息，方便运行人员及时发现异常工况。并提供设备维修软挂牌功能确保设备安全维修。系统具有模拟图、实时/历史趋势、数值显示窗口等多种显示方式，模拟图可以实现四画面显示，显示窗口可调，增大了运行人员监视的信息量。
具有丰富的报警管理能力：多重报警限，报警滤波，报警分区，报警优先级，报警输出选择，报警显示，报警打印，报警归档，报警一次确认，超过值自动重报警，超时限自动重报警，报警变限，报警切除，报警抑制,报警相关图，自定义显示。
齐全的制表功能：提供标准EXCEL界面，无需手工制表，标准格式输出文件，多种报表形式，周期报表，触发报表，事故报表。

可靠性设计

主机系统可靠性
输煤程控使用的XDPS-400系统广泛的采用了冗余设计技术，对控制主机、故障检测和判别、数据高速公路，电源模件、机柜内直流供电全部采用1：1的冗余。在单一设备故障时不影响系统的工作，并且卡件可以带电拔插，提高了系统整体的可用性。对I/O卡件采取了隔离设计，采用继电器、光电隔离、运算放大器隔离，输入滤波，滤去突变的各种干扰量。并且系统具有完善的自诊断、自恢复功能，提供从系统网络、I/O卡件到通道级丰富的自诊断功能。

系统总体可靠性
对整个输煤系统总体设计上最大限度的提高了系统的可靠性，首先系统电源采取了全隔离，使用隔离变压器将整个系统与输煤400V动力设备实现电气隔离，有效的隔离了动力电源的干扰，电源系统设计按照外设、主机分用切换箱独立供电，减少整个系统电源系统互相影响提高整体可靠性。使用了新华公司配置的自动电源无扰切换箱，使整个系统实现不间断供电，而无须增加不停电电源（UPS），独立设计安装了系统的接地系统，将机柜主机系统可靠的接地。
对于外部输入开关量信号全部使用隔离继电器实现现场与I/O卡件的电气隔离，有效地防止对卡件的强电冲击。现场信号全部使用交流220V强电信号传输，减少信号衰减或接点接触不良造成的故障。汲取了其他输煤程控中出现的中间隔离继电器动作后，由于存在干扰不复位工作失常，需要在回路上并联电容的经验和教训,采用的隔离中间继电器选取了上海华一公司MA306型，解决了上述问题。
对于电动机以及其他电气设备电流、电压监视信号输入，直接采用了新华公司开发的交流采样卡，从电气 CT或PT采样直接接入交流采样卡，而不需要增加电流变送器进行信号转换，简化设备环节，减少了设备投资，提高了可靠性。
按照功能相对独立的原则，设计了上煤系统和配煤系统两套DPU，方便了系统检修，两套独立工作的DPU分散了系统的危险。
对新华公司XDPS-400系统的特有的输入、输出端子板隔离方式：输入端子板直接接受直流48V信号，可以有效的防止交流干扰信号引起的信号误动，输出端子板直接安装输出隔离继电器。如果系统为新设计控制系统，反馈信号和指令信号电缆分设，输入信号和输出信号电缆分开，是完全没有必要再增加中间隔离继电器，因此对于新设计系统电缆可以直接接入到输入、输出端子板，大大减少系统机柜数量，减少中间环节，提高系统整体的可靠性。

系统功能的优化
针对输煤系统的特点，结合以往输煤系统的优缺点，在系统设计阶段完善了系统控制逻辑，并绘制了控制逻辑框图，直观的控制逻辑框图对输煤控制逻辑进行了规范化、标准化，有效的克服了以往输煤程控用户软件设计的随意性为软件维护带来的困难。对于输煤程控改造后相应输煤电气设备二次控制回路进行了优化，以最大限度的简化了控制回路，并对能够统一的控制回路进行了统一设计，减少控制回路的种类，方便了检修人员对系统的维护。

总结：

总体来看潍坊发电厂输煤程控改造是成功的，基本实现了设计的功能，为DCS设备在辅助系统上的应用作出尝试，改造后输煤程控达到国内先进水平。由于采用了DCS设备，为整个输煤程控系统的扩展，如翻车机系统，煤场管理系统提供方便扩展接口，对今后整个辅助车间控制系统的一体化改造也是有利的，从设备质量和功能看国产的DCS设备技术性能指标达到了或超过了使用PLC设备的水平，特别是在DPU功能算法和人机界面上还优于PLC设备。但是由于是旧系统改造，在许多设计上考虑了与旧系统的接口，造成系统的优化是有局限的。如果是新系统设计可以充分考虑电气控制设备的集中，就地操作方式的取留，新式开关应用等，可以更大限度的减少设备的数量、降低电缆的长度，减少设备故障点和设备投资。潍坊发电厂输煤程控改造的成功，为今后输煤程控设计与改造提供了新的思路和经验，为提高电厂整体自动化.