S7-400冗余系統在內蒙霍煤鴻峻電廠中的應用

分類：解決方案日期：2009-08-11 08:40:56 來源：廠商

一、項目簡介
1、工程簡介
內蒙霍煤鴻駿鋁電自備電廠位于內蒙古霍林格勒市，屬于內蒙霍煤集團總公司。一期20萬千瓦機組即將投產發電，二期30萬千瓦機組已開工建設。采用火電蒸汽輪機組發電，除塵系統采用空壓機氣力輸灰自動控制系統。
2、項目的大致情況
本控制系統采用西門子S7400系列中的CPU414-4H容余系統，上位機使用WINCC實時操作和監控系統的運行，同時使用了西門子工業光纖交換機OSMTP62實現了工業以太網通訊，CPU414-4H采用H960同步子模塊構建了硬件冗余系統，使用CP443-1工業以太網模塊通訊，WINCC上位機使用CP1613通過交換機實現與冗余PLC的通訊。現場控制系統采用冗余的PROFIBUS網絡IM153-2從站，實現了數據的采集和控制。
二、系統介紹
1、項目的簡要工藝
本系統包括1號2號流化爐輸灰系統、3號4號燃煤爐輸灰系統、各輸灰系統的灰斗氣化系統、空壓機系統、灰庫切換閥控制和灰庫氣化系統、撈渣碎渣除渣設備的遠程監控。
空壓機系統為輸灰系統的氣動設備控制、灰庫除塵器和除渣系統脫水倉排渣門提供氣源。在輸灰前必須保證空壓機系統的連續正常運行，1號2號流化爐、3號4號燃煤爐各有4個除塵電廠組成，每個除塵電廠可以實現自動、聯動控制，各電廠的循環時間、進灰時間、輸灰時間可以單獨設定，灰庫切換閥可以根據進灰的料位高低手、自動切換。當各電廠閥位和密封圈故障、空壓機壓力低故障等發生時，系統會自動報警或停機，數據庫并且會自動記錄。
2、項目當中使用的西門子自動化產品
CPU：CP414-H、H960同步冗余模塊 ;通訊卡：CP443-1、 CP1613 ；
工業以太網交換機：OSMTP62 ；ET 200M（包含了 PS、IM、DI，DO，AI HART，AIRTD，AI TC，AO，和其他通訊模塊等等）。
三、控制系統結構
1、整個項目中的硬件配置、系統結構（如下圖Figure 1-1 所示）

(硬件組態圖)
2、軟件平臺
本計算機采用WINDOWS2000操作系統，控制系統采用西門子STEP7軟件平臺（用于控制系統組態和編程）以及WINCC（上位計算機監控組態軟件）開發。通過STEP7軟件編好的程序已下載固化在控制器中，操作員只需在監控計算機上通過畫面信息和執行操作以保證輸灰的正常運行。本系統采用雙監控WINCC系統，一主一備，當一臺監控電腦出問題時，可以直接使用另一臺備用電腦監控和操作。同時一臺電腦工作，另一臺電腦可以實時不中斷修改PLC程序并且下載。
四、控制系統完成的功能
1、PLC程序的簡要介紹
本系統的PLC控制程序采用結構化編程如下簡圖所示：

2、WINCC監控操作畫面

3、程序控制主要功能
①、燃煤爐輸灰系統控制
燃煤爐輸灰包括3號燃煤爐輸灰和4號燃煤爐輸灰，各自獨立運行。每個鍋爐輸灰包括四個電場的輸灰控制。以3號燃煤爐輸灰為例（4號燃煤爐輸灰與之相同）：
\3號燃煤爐輸灰前必須滿足的條件
1)空氣壓縮機已啟動，且滿足6kg的氣源壓力
2)3號燃煤爐輸送氣壓力接點閉合
3)燃煤鍋爐灰斗氣化系統正常運行
4)各電場就地柜上的控制方式設定為遠程控制模式
5)各電場進料閥和出料閥的開關正確且能及時反饋正確的開限位和關限位信號
6)進料密封閥和出料密封閥的開關正確且能及時反饋正確的對應密封壓力信號
7)各發送器的料位計能正確判斷是否有料（有灰）
8)自動輸灰工作參數設定正確（在[系統參數]畫面內設定，T2<T3）
9)輸灰管道切換閥指示的下料灰庫的料位未到高位
（2）、各電場輸灰時必須滿足的條件
1)同一時間只允許有一個電場在輸灰，不允許二個以上的電場同時輸灰
2)某個電場在輸灰前其余電場的出料閥必須關閉到位，出料密封圈必須加壓且出料密封壓力到
3)各電場無報警指示，如有，必須將其復位（點擊控制按鈕，在彈出的控制畫面中按下發送器報警復位按鈕）并排除故障。
（3）、各電場輸灰控制模式
各電場的輸灰控制分為就地手動、遠程手動和遠程自動3個控制模式。
就地手動：當就地控制柜的控制方式開關設為就地時為就地手動模式，操作員手動操作電磁閥的開啟和關閉來控制氣動閥門的開關，此時在上位計算機畫面上無法進行對設備的控制。
遠程手動：當就地控制柜的控制方式開關從就地設為遠程時系統默認為遠程手動模式，此時操作員可在計算機畫面上實現對設備的遠程手動控制，操作員可根據畫面上閥門的開關限位反饋信號判斷當前閥門位置（除進料閥和出料閥外其余閥門沒有限位反饋信號）。在遠程手動模式下操作員可按照輸灰流程圖（在[系統參數]畫面中）對各電場進行手動輸灰。
遠程自動：當就地控制柜的控制方式開關從就地設為遠程時系統默認為遠程手動模式，操作員可點擊對應電場的控制按鈕，在彈出的控制畫面中將遠程控制方式設定為遠程自動，系統將該電場輸灰投入自動運行。操作員可查看輸灰畫面右面的各電場自動輸灰工作狀態來獲取輸灰的自動執行情況。
故障復位：就地手動和遠程手動操作時因系統不監視設備反饋信號所以不會發出報警。在自動輸灰時系統將嚴格監視設備的反饋信息，如果自動輸灰時發生故障，系統將中止該電場輸灰，所有閥門保持報警前的狀態，此時操作員可根據畫面最上面的報警提示框內容和畫面報警信息（故障設備圖標閃爍）作出故障判斷，點擊對應電場的控制按鈕，在彈出的控制畫面中按下發送器報警復位按鈕，此時系統將自動將控制模式轉為遠程手動，操作員可在控制畫面中手動控制故障設備，確認排除故障后再次恢復遠程自動模式。
控制模式優先選擇：
輸灰時如滿足以上1、2條件，操作員優先選擇遠程自動模式，如遠程自動不能正常進行，可選擇遠程手動模式，若遠程手動無法正常操作，選擇就地手動模式。
單個電場輸灰控制流程：參見如下[系統參數]畫面中的控制流程圖。

輸灰的自動控制執行規則：
各電場的自動輸灰控制采用任務優先級控制，當某電場從遠程手動模式切入遠程自動模式時，該電場將啟動進料延時，當料位信號到或進料時間到，電場發送器將自動關閉進料閥、平衡閥并將進料密封閥加壓，密封壓力到后該電場將進入系統輸灰任務列表（排在最后），當系統輸灰任務列表中排在前面的所有電場輸灰完畢后它才啟動輸灰。自動輸灰結束后開始進料，同時進料定時器重新開始定時。
對系統輸灰任務列表來說，所有電場的輸灰執行先進先輸灰的原則。
在發生以下情況時，該電場將從任務列表中自動刪除：
* 該電場輸灰完成
* 該電場在輸灰過程中發生故障
* 該電場未輪到輸灰，但操作員將其切換成遠程手動或就地手動

燃煤爐自動輸灰工作狀態指示
在燃煤爐輸灰畫面右面可看到3號燃煤鍋爐自動輸灰工作狀態指示，可能出現的工作狀態有：

當前無輸灰任務

準備一電場輸灰，正在關閉二三四電場出料閥

啟動一電場輸灰

出料閥關閉出錯！所有電場已轉為遠程手動

準備二電場輸灰，正在關閉一三四電場出料閥

啟動二電場輸灰

出料閥關閉出錯！所有電場已轉為遠程手動

準備三電場輸灰，正在關閉一二四電場出料閥

啟動三電場輸灰

出料閥關閉出錯！所有電場已轉為遠程手動

準備四電場輸灰，正在關閉一二三電場出料閥

啟動四電場輸灰

出料閥關閉出錯！所有電場已轉為遠程手動

輸送氣接點壓力故障，

檢查空壓機系統！

各電場飛灰發送器輸灰狀態指示
可能出現的輸灰狀態指示有：

就地手動

遠程手動

遠程自動：等待料位到或時間間隔到

準備輸灰：關進料閥、關平衡閥

準備輸灰：進料閥1未開到位報警！

準備輸灰：進料閥2未開到位報警！

準備輸灰：進料閥密封圈加壓

準備輸灰：密封圈壓力未到報警！

準備輸灰：等待輸灰允許

輸灰開始：出料閥泄壓

輸灰開始：開出料閥

輸灰開始：出料閥未開到位報警！

輸灰開始：開進氣閥、開補氣閥

正在輸灰

吹堵開始：關進氣閥、關補氣閥

正在吹堵：開吹堵閥

吹堵結束：關吹堵閥

吹堵結束：開進氣閥、開補氣閥

輸灰結束：關進氣閥、關補氣閥

輸灰結束：關出料閥

輸灰結束：出料閥未關到位報警！

輸灰結束：出料密封圈加壓

輸灰結束：出料密封壓力未到報警！

輸灰結束：進料密封圈泄壓

輸灰結束：開進料閥、開平衡閥

輸灰結束：進料閥1未開到位報警！

輸灰結束：進料閥2未開到位報警！

堵灰報警：吹堵次數超過2次！

在自動輸灰時出現的倒計時為輸灰間隔定時器倒計時。
（4）、灰庫及除渣監控系統
灰庫及除渣監控系統包括灰庫料位監視、4個輸灰切換閥和4個切換密閉閥的監控、2個布袋除塵器的啟停控制、灰庫氣化系統及除渣系統（包括燃煤爐的4個撈渣/碎渣機、2個沖渣水泵、1個渣漿提升泵、3個排泥泵和2個高效濃縮機和流化爐的4個鏈斗輸送機、6個滾筒冷渣機）。
灰庫切換閥的控制
當操作員選擇[去灰庫一]時，控制系統先將密閉閥泄壓，等待密閉閥壓力信號消失后，切換閥關閉，切換閥關限位到后再將密閉閥加壓。
當操作員選擇[去灰庫二]時，控制系統先將密閉閥泄壓，等待密閉閥壓力信號消失后，切換閥打開，切換閥開限位到后再將密閉閥加壓。
系統在等待切換閥的開關限位和密閉閥壓力信號超過5秒后將產生相應的報警信息。
布袋除塵器的控制：每個灰庫有一個布袋除塵器，當系統檢測到某一灰庫有灰進入時會自動啟動該灰庫的布袋除塵器，輸灰結束后會自動關閉布袋除塵器。操作員也可手動啟動除塵器，但在灰庫進灰時是不允許關閉的。
提示：當自動輸灰進行前系統會自動判斷當前輸灰管道進灰的灰庫料位是否已到高位，若已到高位，輸灰程序會自動切換灰庫。操作員也可在輸灰前遠程手動切換灰庫，但在自動輸灰正在進行時不允許切換灰庫。
注意：灰庫畫面中的某些除渣設備遠程控制目前無法進行，畫面上一些除渣設備的控制按鈕已經設定動作，請不要隨意點擊！如果需要遠程控制，現場必須有人監視，并能和主控室隨時聯系。
（5）、系統參數
[系統參數]畫面提供了自動輸灰所需的一些時間參數。其中：
T1：進料時間（10-9990秒），單位：10秒
T2：最小輸灰時間（0-999秒）15秒
T3：最大輸灰時間（0-999秒）5分鐘
T4：吹堵時間（0-999秒）
目前只有2號流化爐輸灰和3號燃煤爐輸灰參數可以設定。
注意：參數設定請在各爐輸灰停止時進行，在輸灰運行中不可更改參數！注意T2應小于T3！，T1允許輸入的最大時間為9990秒。
（6）、報警記錄
[報警記錄]畫面記錄系統所有的歷史報警。最大儲存1000條歷史報警，第1001條將覆蓋第1條報警記錄。
每條報警信息包括：日期、時間、類型、來源、狀態、內容、提示和操作員。
類型：包括故障、警告、提示
故障：設備發生故障，需要人為干預并排除
警告：設備當前接近臨界狀態，需要操作員特別注意
提示：一些涉及系統控制的重要操作信息
來源：指示該消息來自何處
狀態：分到達、離開、確認
到達：該信息發生，若為故障，指示該故障產生
離開：該信息消失，若為故障，指示該故障消失
確認：操作員通過報警確認按鈕確認了該條記錄。
系統確認：該消息或故障產生后又自動消失
操作員：指示當前操作員（登陸者）名稱
（7）、注意事項
本控制系統設計先進，但仍需很好的維護，工作中請注意以下幾點：
1）、保持控制室的清潔并維持正常的室內溫濕度。
2）、控制器為電子精密儀器，不要隨意觸摸，維護計算機和液晶顯示器的清潔。
3）、監控計算機內不應當儲存一些與系統無關的外來文件或游戲以防病毒進入系統，必要時安裝正版殺毒軟件并及時更新病毒庫。
4）、不要隨意更改控制柜內接線，若確實需要，請聯系設備廠家并嚴格按圖紙執行。
5）、系統正常運行時，任何一個從站的電源不能切斷，否則PLC將會報警停止運行，
如果任何一個從站發生意外掉電情況，造成PLC停機無法正常運行，必須首先恢復從站電源，PLC便會自動投入正常運行，如果PLC還是紅燈報警，可以復位PLC便可消除故障。
6）、所有閥的到位開關信號要定時檢查，發現信號不到位，可能是到位開關堵灰，要立即清理。
（8）、項目中的難點和體會
在1#燃煤爐、2#燃煤爐的四個電廠全部投入自動輸灰時，四個電廠需要采取隨即先到先輸的模式運行，壓棧、出棧程序就完成了這個任務。程序采用先進先出的邏輯進行，需要首先開辟4個緊連的順序地址區，指針并且要指到第一個索引地址區，當任何一個電廠完成進灰階段準備輸灰時，就把自己的序號壓進第一個地址區（稱作為壓棧），指針然后遞減到下一個索引號；當前電廠的輸灰任務完成時，自己的輸灰序號自動從順序地址區彈出（稱作為出棧），指針然后遞增返回前一個地址索引號。
壓棧/出棧子程序的難點就在于對指針的靈活運用和對壓棧、出棧概念的理解，一旦指針的索引出錯，整個輸灰程序就會亂套，無法完成輸灰任務。
五、結束語
自2005 年6 月投產以來，氣力輸灰除塵自動化控制系統運行穩定可靠，操作靈活方便，大大減輕了工人的勞動強度。電氣故障率相對較低，從而為電廠發電機組的穩定運行提供了保障。有效地提高了生產效率。
六、附圖