低压电器（２０１３Ｎｏ．１４） ・现场总线与网络通信・ 基于现场总线的火电厂输煤 系统分布式控制方案 王 宇 ， 樊 潇’， 翟 强 （１．山东电力工程咨询院有限公司，山东济南２５００１３； ２．淄博矿业集团许厂煤矿，山东淄博摘２７２０７３） 王男，要：针对输煤系统设备数量多、布置分散、与可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）电缆通 Ｔ（１９８４－－）． 道长等特点，提出将现场总线技术应用于电厂输煤系统程控中。利用通信网络冗余构 建上位监控系统的系统设计方案，并论述了系统的主要功能和组成。 关键词：输煤程序控制；现场总线控制系统；就地Ｉ／０模块箱 中图分类号：ＴＭ ６２１文献标志码：Ａ文章编号：１００１－５５３１（２０１３）１４－００３２－０３ 工程师，主要从 事发电厂的电气 设计。 Ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｂｏｕｔ Ｃｏａｌ Ｈａｎｄｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｐｌａｎｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＷＡＮＧ Ｙｕ ，ＦＡＮ Ｘｉａｏ ， ＺＨＡＩ Ｑｉａｎｇ （１．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｅｌｅｃｔｉｒｃ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ ２５００１３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｅｎｅｒｇｙ Ｚｉｂｏ Ｍｉｎｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｚｉｂｏ ２７２０７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｏｗｅｒ ｐｌａｎｔ ａｒｅ ｌａｒｇｅ ｉｎ ｑｕａｎｔｉｔｙ ａｎｄ ｗｉｄｅ ｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｔｏ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＰＬＣ）ｉｓ ｔｏｏ ｌｏｎｇ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｉｓ ｆｅａｔｕｒｅ，ａ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｉｆｅｌｄｂｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ（ＦＣＳ）ｆｏｒ ｃｏａｌ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｐｐｅｒ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｂｙ Ｅｔｈｅｒｕｅｔ ｒｅｄｕｎｄａｎｃｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｆｏｒ ｃｏａｌ ｈａｎｄｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｆｉｅｌｄｂｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｌｏｃａｌ ＵＯ ｃａｂｉｎｅｔ ０ 引 言 现场总线是安装在生产过程区域的现场设 备有较高的数据集成、远程诊断、故障报警，以及 数字化要求的系统。 将现场总线技术与输煤程控相结合，通过 备、仪表和控制室内的自动控制装置或系统之问 的一种串行、数字式、多点、双向通信的数据总线。 现场总线控制系统（Ｆｉｅｌｄｂｕｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ，ＦＣＳ） 总线技术将现场设备信号传送至控制室，在工 程实际中节省控制光缆，节约资源，并能有效减 少火电厂输煤系统建设工期和投产后维护 ｆ 作量。 是具有信息数字化、控制分散化、开放互操作性的 新一代工业自动化控制系统，是现场总线向信息 技术化、智能化、数字化、网络化的发展方向。 Ｐｒｏｆｉｂｕｓ足目前最具代表性的现场总线之一， 用于工厂自动化系统三级网络中的底层，即车间 １ 输煤系统传统控制方式特点 输煤系统是火电厂的一个重要组成部分，其 设备多、逻辑控制顺序复杂且布局比较分散。目 前，大多数电厂输煤系统采用传统的电气就地或 级监控和现场设备层数据通信与控制；适用于分 散的、具有通信接口的现场受控设备且对底层设 樊翟集中控制，需要使用大量的中间继电器和控制电 潇（１９７５一），女，高级工程师，主要从事发电厂、变电站的电气设计。 强（１９７５一），男，主要从事机电设备的运行管理。 ３２— ・现场总线与网络通信－ 低压电器（２０１３Ｎｏ．１４） 缆，传输距离的远近、周边环境的干扰等都会对输 煤系统自动化控制造成影响…。此种方式主要 有如下缺点： 临海边，与前期建设电厂共用输煤码头，在三期扩 建时厂区内保留煤场，因此本期工程输煤走 廊较长，转运站和栈桥数量比较多。针对输煤系 统设备数量多、布置分散及ＰＬＣ电缆通道长等特 点，将现场总线技术应用于该电厂输煤系统程控 （１）故障率高。通过大量控制电缆完成信号 的发送，系统构成复杂、庞大，且控制电缆通过的 电缆通道很长，可能跨越数个输煤栈桥，其所处环 境恶劣，易造成故障或误动作 ｊ。 （２）灵活性差。一旦输煤系统设备改造，控 制方式发生改变，需要对原系统的控制电路进行 中，可保证输煤系统控制自动化水平、工作效率与 对电 厂的要求相适应。但在此系统中，拉绳开关、 跑偏开关、速度开关等现场测控设备大都难以提 供标准的总线接口 Ｊ。此时，可以采用现场总线 更改，不仅工作量大、工作周期长，且遇到电缆断 芯、接地等故障时，查线困难。 （３）劳动强度大。沿线环境条件恶劣，粉尘、 潮湿、振动、噪声、电磁干扰等都比较严重，进行维 护需要的劳动强度大。 协议：支持的总线接口模块接收现场Ｉ／Ｏ信号，再 以总线方式进行传送至控制室的方案。 ｗＨ三期电厂输煤程控ＦＣＳ框图如图１所 示。该电厂在输煤程控中应用Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ进行 通信连接。它专为自动化控制系统和分散的Ｉ／Ｏ 设备级之间通信使用而设计，使用物理层、数据链 接层（第１、２层）和用户接口，用于现场层的高速 数据传送。 厂———————］ ｌ ２ 基于现场总线的分布式控制方案 在ＷＨ电厂的扩建工程中，三期扩建工程滨 厂— 厂— ＩＥＴ２ｏｏＰＲｏ模块Ｊ ｌＥＴ２００ＰＲＯ￣：ｌ ｏ３转运站模块箱 Ｏ２转运站配电室模块箱 ＥＴ２ｏ０ＰＲ０模块ｌ ｝ＥＴ２ｏｏＰＲｏ模块ｌ 煤仓问模块箱Ａ 煤仓间模块箱Ｂ 站 詈 窖 写 Ｌ———一 凸量～。｝ ＿１ ｌ ｌ詈 军翠 ｌ凸譬喜喜蓦 厂 Ｉ主控制站． ｌ—＿Ｔ一 Ｉ；—］—一 銮 ｌ ・ ｌ ｌ …ＩＩ：ｉ 热备控制站 匿ｌ ｌ： 输煤ＰＬｃ机柜 。ｌＩ ｌ Ｌ———＿＿一Ｙ－ＬＩＮＫ Ｈ光电转挟器ｌ ｌ ｒ＿———１ Ｈ ｌ ｆ匝 ： —］ｒ＿Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—Ｄ 娄 环Ｉ硼 ｌＥＴ２ｏｏＰＲｏ模块ｌ ｌＥＴ２００ＰＲＯ／￣： ｌ筒仓模块箱Ｂ 筒仓模块箱Ａ Ｔ２０ｏＰＲｏ模 Ｔ２ｏ０ＰＲｏ模 碎煤机室模块箱Ａ碎煤机室模块箱Ｂ 图１ ＷＨ三期电厂输煤程控ＦＣＳ框图 该电厂三期工程设１个运煤自动化控制室，位 于输煤综合楼内，其内布置控制台和上位机系统。 上位监控软件采用ＷｉｎＣＣ组态软件版本；控制核 网络： 余，确保控制系统的高可靠性。取消常规程 控的远程Ｉ／Ｏ柜，取而代之的是多个的现场分 布式Ｉ／Ｏ模块箱，在各个转运站、碎煤机室、煤仓间 内分散布置。皮带机上的跑偏、拉绳、料流、撕裂检 测等现场信号采用电缆硬接线方式接人现场分布 式Ｉ／Ｏ模块箱，皮带配套软起动、碎煤机等所有需 心ＰＬＣ软件选用ｓｔｅｐ７ ｖ５．４；硬件为ｓ７—４００Ｈ冗余 ＣＰＵ；ＰＬＣ控制结构采用ＣＰＵ热备（即配备２套主 机，２套主机装入相同的控制程序，但工作ＰＬＣ出 现故障时，备用ＰＬＣ能无间断地投入工作）、通信 接人ＰＬＣ监控的设备控制柜的信号也利用电缆接 一３３— 低压电器（２０１３Ｎｏ．１４） ・现场总线与网络通信・ 入就近Ｉ／Ｏ模块箱中，自动化控制室和各Ｉ／Ｏ模块 门的房问放置，故在输煤系统中只是分地点集中放 箱之间的通信口按单网设置。远程Ｌ／Ｏ远程子站 采用ＥＴ２００ＰＲＯ系列的远程Ｉ／Ｏ实现对远方设备 的控制，其防护等级为ＩＰ６７，因此，特别适合在恶劣 的工业环境中使用，且不需要额外的机壳。６ ｋＶ 置，分站也不能太多，否则将失去经济性。该工程 的分布式Ｉ／０模块方案根据工艺设备在系统中布 置情况，整个输煤系统共设Ｉ／０模块箱１８只，分布 于各个转运站中，安装地点灵活。 电机电源侧装设具有通信功能的综合保护测控装 置，各３８０ Ｖ配电装置的回路内设置具有通信功能 的电机保护器，作为网络节点通过现场总线接入运 煤自动化系统。 （３）实现了数字化通信。现场Ｉ／０模块箱收 到设备运行状态的各种信号，通过光纤和主控制站 连接，高性能的Ｐｒｏｆｉｂｕｓ—ＤＰ及其高数据传输率实 现了其在ＰＬＣ及其分布式Ｉ／Ｏ系统之问进行顺畅 的通信，不受在相同敷设路径上高压电缆的影响， 有效地避免了环境中电磁干扰等因素造成的信号 误动作，提高系统抗干扰性和检测精度。 （４）安全可靠、组态灵活、简单易用。现场总 线充分利用了用户层规定的标准“功能模块”来组 ３ 基于现场总线实施方案的优越性 由于输煤系统现场范围广、粉尘大、环境恶劣 的客观因素，挂接在现场总线上的现场分布式 Ｉ／０模块显现出了更强的适应性。具有ＩＰ６７的高 防护等级给现场安装带来了更大的灵活性，而且 结合现场总线技术突破了传统的“点对点”传输， 将丰富的现场状态信息、诊断信息等送人输煤控 制系统，实现了远程参数的调整和校正 Ｊ。它的 优势主要体现在几个方面： （１）实现了系统的全开放性。开放式数控系 统采用具有标准化接口的可互换的软组件和硬 件，集成于实际的标准控制环境中，对于开发者和 最终用户，系统集成均容易。开放自动化系统是 现场总线发展的必然趋势。 （２）实现了分散控制。把控制功能下放到现 场，每个控制电路由分散安装的现场Ｉ／Ｏ模块来实 现，增强了系统数据处理的就地化。常规输煤系统 程控设计由于远程Ｉ／０柜价格较昂贵，而且需要专 态成为系统，使控制策略的组态操作非常简单；运 行后系统稳定安全，日常维护方便，即使进行系统 改造，只需要在控制环网中串入新增Ｉ／Ｏ模块箱， 现场敷设电缆和查线工作量小，节省人力、物力。 （５）经济效益好。与常规输煤系统控制方式 对比，Ｉ／Ｏ点总量相同，所以在控制系统组件上投 资相差不大，但总线型系统省去了远程柜内不问 断电源（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ，ｕＰｓ），辅助电 源模块替代电源模块等设备，无需专门的顺控柜 放置，在上位机层和硬件配置方面节省投资；另 外，总线型模块更靠近设备布置，使Ｉ／０模块箱和 工艺设备设置在同一个转运站，大大减少电缆使 用长度。该方案与常规输煤程控方案的经济性对 比如表１所示。 表１不同方案输煤程控经济－眭对比表 从表１可见，在输煤系统中应用基于现场总 线的分布式控制方案，不仅节约电缆投资、电缆桥 架用量和安装费用，而且减少了栈桥中占用的空 ４ 安装调试过程遇到的问题 该工程分布式输煤控制系统在签订设备合同 间，大大缩短了施工工期，且机组２０１０年投产至 今运行安全稳定。 ．．．——时规定，备用Ｉ／０点按总量的２０％进行考虑，此 （下转第４２页） ３４．．—— 低压电器（２０１３Ｎｏ．１４） ・电能质量・ 【参考文献】 ［１］ 赵敏，谢运祥．基于ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２的有源电力滤波 器设计［Ｊ］．低压电器，２０１１（１３）：４８—５２． ［２］ 仲伟堂，王巍．电源电流控制的并联有源电力滤波 器研究［Ｊ］．电力电子技术，２００９，４３（１０）：２９—３０． ［３］ 赵闻蕾，赵红丽．一种单相并联型混合电力滤波器 图９ ＡＰＦ工作时直流电压的动态波形 的研究［Ｊ］．低压电器，２００９（１１）：４４＿４７． １ ４ Ｉ ＣＨＡＮＧ Ｇ Ｗ，ＬＩＵ Ｙ Ｊ，ＤＩＮＡＶＡＨＩ Ｖ，ｅｔ ａ１．Ｏｎ ｒｅａｌ— ｔｉｍｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ｆｌｉｃｋｅｒ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ３ 结 语 提出了一种基于现场可编程逻辑器件的ＡＰＦ 控制系统设计方案。采用了基于瞬时无功功率理 ａｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｂｕｌｋ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄｓ［Ｊ］． ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｉｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２０１０，５７（９）：２９９８—３００９． ［５］ＲＡＨＭＡＮＩ Ｓ，ＭＥＮＤＡＬＥＫ Ｎ，ＨＡＤＤＡＤ Ｋ Ａ． Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 论的谐波检测方法，改进了补偿电流控制方法，采 用正弦脉宽调制驱动电路，使得ＡＰＦ的实时性和 精度要求大大提高。试验结果证明，采用设计的 基于ＦＰＧＡ的ＡＰＦ谐波补偿效果非常显著，系统 动静态性能良好。 ｆｏｒ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｓｈｕｎｔ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆｉｌｔｅｒ ｆ Ｊ ｆ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ Ｉｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２０１０，５７（１０）：３３６４—３３７５． 收稿日期：２０１３—０１—０４ （上接第３４页） 规定与常规输煤程控系统要求相同。但对于分散 （２）如果控制电路的响应速度要求很快，则 不考虑采用现场总线。 式布置的就地Ｉ／Ｏ模块箱，每处备用点数平均为 十几个，现场施工安装时往往出现个别地点新增 设备后备用Ｉ／Ｏ点不足的问题。为应对这种情 况，在设计阶段需要依照工艺系统中设备布置情 （３）与安全有关的设备和信号不能采用现场 总线控制。 况来具体分布备用Ｌ／Ｏ点，即将更多的备用卡件 设置在设备相对布置集中的地点。 【参考文献】 ［１］ 张晓强．基于工业以太网的煤矿热电厂输煤 控系 统设计［Ｊ］．矿山机械，２０１０（１２）：４５＿４８． ［２］ 贾垄，罗辉．基于网络技术的输煤程控系统设计 ［Ｊ］．煤矿机电，２００５（１）：３１～３３． ［３］ 陈若春．现场总线在电厂辅助系统应用的经济性分 析［Ｊ］．自动化仪表，２０１１（７）：３４—３７． ［４］ 王鑫鑫，徐向东．现场总线控制技术在电厂中的应 用研究［Ｊ］．电站系统工程，２００１（４）：２４３—２４６． 收稿日期：２０１２—１２～２７ ５ 结 语 基于现场总线在电厂输煤系统实现分布式控 制，在实际运行中相对常规控制系统组成方式有 一定的优势，以及一定的可推广性，但在方案实施 前，仍需要针对具体客观条件进行分析，需考虑因 素有： （１）在系统中可获得智能现场设备，是可实 现利用现场总线实现分布式控制的前提条件。 了解技术最新前沿，搭建技术交流平台 您的需要是我们努力的方向！微博互动，期待您的加入！ｈｔｔｐ：／／ｗｅｉｂｏ．ｃｏｍ／ｌｏｗｖｏｈａｇｅ． 一４２～
