PLC控制系统在水泥窑纯低温余热发电工程的应用

　　进入20世纪末，国内水泥窑的余热利用成了一个热门话题。将大量的水泥窑余热收下来并进行发电，对节约能源、降低水泥成本、提高水泥产量、改善环境无疑具有巨大的经济效益和良好的社会效益。我院承担的江西万年青水泥股份有限公司(以下简称江西厂)^＃3窑余热发电工程的设计任务，是国产第一条纯低温余热发电的攻关项目。本文将就为该项目配套的PLC控制系统及“NCYD－1.1”纯低温余热发电工程应用软件作一介绍供参考。

１　控制系统的选定及介绍

１．１　系统配置
　　江西厂^＃３窑余热发电工程ＰＬＣ控制系统由上位机和ＰＬＣ两部分组成。上位机选用２台工业控制计算机作为监视、控制、操作、报警、参数设定、实趋及历趋显示、报表打印等功能之用，选用美国Wonｄｅｒｗａｒｅ公司的Intouch作为监控软件。PLC选用Ｓｃｈｎｅｉｄｅｒ电气公司Ｍｏｄｉｃｏｎ ＴＳＸ Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ系列，作为逻辑程序编程、信号处理、时序控制、ＰＩＤ控制、数学运算、过程控制之用，使用Ｍｏｄｉｃｏｎ Ｃｏｎｃｅｐｔ编程软件。上位机和ＰＬＣ间采用Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ作为通信网络。
　　控制系统主要硬件配置见图１。
　　图１中上位机选用“研化”P586/200MHz工业控制计算机，32Ｍ内存、3G硬盘(在2台主机中插入2块型号AM-SA85－000的Modbus Plus通信卡)１台，并配17″飞利蒲彩色监视器２台及EPSON 1600K打印机１台。PLC选用Modicon TSX Quantum PLC系列，配有8路单极性模拟量输入模块(140ACI03000，4mA～20mA)7块，8通道热电阻输入模块(140ARI03010，Pt100)3块，交流230V 16×1点输入模块(140DAI74000，AC230V)14块，直流输出24V 4×8点模块(140DDO35300，DC24V)3块，带有交流电源的单／双通道Modbus Plus分布式I/O分支(140CRA21110 DIO MB＋DROP AC １CH)2块，电源模块140CPS11410 AC PS 115／230 8A，140CPU11303 1块，芯片80186，时钟频率20MHz，RAM512K，通信端口有２个Ｍｏｄｂｕｓ及Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ。
１．２　系统介绍
　　Ｑｕａｎｔｕｍ设计为一种模块化的可扩充的结构，任何模板都没有槽位限制，每个模板、模拟量通道、锂电池、通信通道的状态都能通过人机界面或用户程序检测。此条非常适合尚未定型的开发项目，因为在开发项目初期，Ｉ／Ｏ点数统计不可能相当准确，江西厂在调试过程中，由于增加了不少与^＃３窑联络的Ｉ／Ｏ点，致使模拟量输入模块偏紧，由于上述的优点，只要有富余槽位，只要不超出ＣＰＵ的容量限制，可随意增加模块。
　　Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ采用Ｉｎｔｅｒ奔腾处理器，无论是逻辑控制、顺序控制、时序控制、数学运算、过程控制、PID调节指令，处理速度均高达0.09ｍｓ／ｋ。Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ作为控制网络，具有高速、对等通讯、即插即用等优点， Ｍｏｄｂｕｓ Ｐｌｕｓ以１Ｍ速率通讯，每秒可传递２００００个寄存器字。在江西厂现场运行中，我们做了一个测试，在工控机上用鼠标点击执行机构开的按钮，总响应时间为１ｓ，完全满足控制系统的要求。
　　Ｑｕａｎｔｕｍ系统提供了最为开放和容易使用的网络，系统采用了Ｍｏｄｂｕｓ协议为基础，Modbus为事实上的工业标准，为世界上所有自动化硬件制造厂家所采用，Modbus Plus为Modbus议协的对等网络，有数百家硬件供应商的支持。
　　Ｍｏｄｉｃｏｎ ＴＳＸ Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ系列使用环境并不苛求，其平均无故障工作小时数为３８万ｈ以上。江西厂^＃３窑余热发电工程ＰＬＣ控制系统的２台上位机，同时联网，互相热备，当１台上位机发生故障时，另１台上位机完全可承担系统监控功能。另外我们可以用１台上位机实行生产在线监控，另１台上位机承担ＰＬＣ程序在线调试，给调试工作带来便利。
　　Ｑｕａｎｔｕｍ ＰＬＣ系统模板所有点都具备隔离，所有模板都可带电插拔，系统运行可靠性强。江西厂^＃３窑余热发电工程PLC控制室位于^＃３窑附近，电磁波干扰相当强，２台工控机CRT画面晃的很厉害，而此时ＰＬＣ却安然无恙。 Ｑｕａｎｔｕｍ的系统诊断功能，能进行板级诊断，也可判定网络故障，可以细到网络的某个细节。Ｑｕａｎｔｕｍ系统还具有完善的自诊断功能。如模拟量输入模块１４０ＡＣＩ０３０００，当检测到８路中任一路断路(对４Ａ～２０Ａ)或电压小于下限(对１Ｖ～５Ｖ)ＬＥＤ出现故障信号Ｆ；８通道热电阻输入模块140ＡＲＩ03010，当ＬＥＤ出现１～８的红色数码，表示所示通道超范围(包括断路和短路情况)。开关量输入输出模块，上部ＬＥＤ可显示１～16点(绿色)输入点状态和１～32点(绿色)输出点状态。另外上位机也可利用PLC软件Concept对现场测点进行检测。这些对调试及生产无疑收益匪浅。输出模块采用故障状态预置技术，若输出模块失去与主机的联系，模块仍按预先设置的预置状态动作，保证系统的可靠性。

２　ＮＣＹＤ－１．１水泥窑纯低温余热发电工程应用软件

　　水泥窑纯低温余热发电的机理是：在水泥窑窑头设置一ＡＱＣ炉，在水泥窑窑尾设置一ＳＰ炉，水作为热交换的介质，汽轮机冷凝器中的凝结水通过水泵和来自软化水车间的补充水一起进入除氧器进行化学除氧，由锅炉给水泵送入AQC炉，水由40℃升至188℃进入ＳＰ炉，由热水循环泵强制循环，产生的饱和蒸气进入锅炉分离汽包，再进入ＳＰ过热器进行过热，产生的305℃左右过热蒸气推动汽轮机作功，进而带动发电机3000ｋＷ发电，乏汽进入冷凝器冷凝，冷凝器冷却水再回到冷却塔冷却。
　　我们利用 Modicon公司的PLC编程软件Ｃｏｎｃｅｐｔ和美国Ｗｏｎｄｅｒｗａｒｅ 公司的上位机监控软件Intouch编制了“ＮＣＹＤ－１．１水泥窑纯低温余热发电应用软件。”该软件全中文界面、全鼠标操作，力求功能完善、掌握容易、操作方便，确保余热发电系统安全可靠。软件由封面、１个主画面(见图２)、４个操作画面(汽轮机操作画面、发电机操作画面、SP炉操作画面、AQC炉操作画面)、13个辅助画面(历史趋势画面、报警画面、报表画面及10个实时趋势画面)组成。画面背景色采用冷色调，力求画面简洁(减轻操作人员长时间盯着屏幕而视觉疲劳)。画面间可随意切换，并可对主画面和４个操作画面进行实时打印。
　　软件主要功能有：
　（１）在线显示系统内所有的温度、压力、水位、料位、阀位、电流、电压、汽轮机转速、发电机瞬时功率、发电机累计发电量（附有清零装置）。
　（２）可对系统内所有电机实行集中启停、逻辑运行及联锁。在操作画面上，用鼠标单击需要操作的电机，画面上立即弹出此电机的启停操作面板，为防止误动作，面板上仅有“确认”“返回”两键，单击“确认”键后，操作面板出现“开机”“停机”键，即可进行启停操作。完成操作后，单击“返回”键，隐去启停操作面板。
　（３）可对系统内所有的执行机构实行远程操作，用鼠标单击需要操作的执行机构电机，画面上立即弹出此执行机构的手操器，用鼠标切入手动方式后，设定阀门开度，确认后，阀门会自动停在所需的阀门位置上。用鼠标切入自动方式后，设定所需设定值，确认后，阀门会自动进入自动控制状态。在操作画面上，会显示阀门的百分比开度指示和阀门的极限状态，全开时阀门底部显绿色，全关闭时阀门底部显粉红色；当执行机构过力距时阀门底部显红闪；当执行机构电机正在开时，画面上执行机构电机呈绿色，正在关时呈粉红色。
　（４）可显示各参数当前的走势。用鼠标单击操作画面下部的“实趋”键，画面上会在“实趋”键上部弹出实趋选择上拉菜单，操作人员可根据需要选择所要的参数实时走势。设定实时走势间隔为１ｈ（编程人员可根据用户需要更改时间间隔）。
　（５）可显示各参数的历史走势。用鼠标单击操作画面下部的“历趋”键，画面上会弹出历史趋势画面，用鼠标单击历史趋势画面，将弹出“历史趋势配置”对话框，操作人员可根据需要按照对话框中的“图表开始”、“图表长度”、“图表范围”及“标记”内的提示进行选择，选择完毕后单击“ＯＫ”键，即可显示所需参数的历史趋势画面，要打印时，单击画面下部的“打印”键即可。在江西厂余热发电调试过程中，历史趋势对事故分析起了相当大的作用。
　（６）实现实时报警。当某一参数出现高报警时，参数显示值呈红色，当参数值出现高高报警时，参数显示值呈红闪。同时操作画面下部会显示故障现时报警条目，按“ＡＣＫ”键确认，报警条目由红色变为蓝色，表明操作人员已知报警，各操作画面的“ＡＣＫ”键只能确认本画面参数的报警。“上、下箭头”键作为报警条翻动用。在操作画面上，有条件的参数我们采用实体模拟显示，便于操作人员监控。如ＳＰ炉汽包水位，水位在正常值－５０ｍｍ～５０ｍｍ时，蓝色的水位随测量值升高而升高当水位达到 －５０ｍｍ～－１００ｍｍ或５０ｍｍ～１００ｍｍ时，汽包水位呈红色；当水位达到或超过－１００ｍｍ及１００ｍｍ时，汽包水位呈红闪。同时操作画面下部将显示其报警条，操作人员应及时处理此异常状态。用鼠标单击各操作画面下部的“报警”键，屏幕将会显示历史报警数据及操作人员操作记录，利于事后检查。电气报警复位，当电气设备出现故障时，在操作画面上故障电机显示红闪，报警条目中显示红色报警条，用鼠标单击各操作画面下部的“复位”键后，操作画面电机红闪消失，报警条目中红色报警条变为蓝色。
　（７）具有报表的实时显示和打印功能。鼠标单击各操作画面下部的“报表”键，屏幕将会显示实时报表，如需打印，用鼠标单击各报表画面下部的“打印”键即可，留作报表管理用。
　（８）本系统拥有４个调节回路和２个自动除灰控制回路：除前压调节回路是汽轮机附带的，本软件有主蒸气温度调节回路、ＳＰ炉汽包水位调节回路、ＡＱＣ炉汽包水位调节回路；机械震打自动除灰控制回路、声波震打自动除灰控制回路。

３　结束语

　　ＰＬＣ控制系统在江西厂^＃３窑余热发电工程的应用是成功的。该套ＰＬＣ控制系统具有良好的人机界面，完全满足工艺要求和生产需要。“ＮＣＹＤ－１．１”应用软件功能强，掌握容易，江西厂余热发电车间的操作人员经过半天的培训即可上岗，经过几天的操作，就可成为熟练工。操作人员对此软件的使用是满意的。