西门子PLC在焦炉煤气（高炉煤气）发电厂的应用

　　本文介绍了焦炉煤气（高炉煤气）发电厂控制系统的特点及相应的控制系统的组态、逻辑控制及PID控制回路。

1 引言
　　利用燃烧焦炉煤气（高炉煤气）的余热发电，变废为宝，将是今后环保技术的一个重要发展方向。这种余热锅炉的热容量小，发电机组小，一般为20兆瓦以内。因此，燃烧焦炉煤气（高炉煤气）发电厂的控制系统比大型电厂简单得多。一般来说，大型电厂的主机控制系统是无法采用PLC来控制的，只有一些辅机系统才能够使用PLC。但是，随着现场总线技术及微处理器性能的突飞猛进，高档PLC集散控制系统已经成功应用在中型及较复杂的控制领域中，例如，燃烧焦炉煤气（高炉煤气）发电厂就可以使用高档PLC控制系统，这样可以大大降低控制系统的成本。

　　本文将介绍安钢集团信钢公司2×6000kw 焦炉煤气发电PLC控制系统，此控制系统由北京天拓四方公司成功开发，并一次成功投入生产运行。

2 控制系统总体方案介绍

　　该集散控制系统采用Siemens S7-400系列PLC，Siemens公司的S7-400系列PLC是90年代推出的S7系列中的大型机型，具有完善的功能和强大的通讯能力，特别是总线国际标准之一的Profibus，得到很多厂家的支持，非常有利于分布式控制系统的使用，Profibus-DP总线的通讯速率可达12Mbps。S7-414-4H双机热备系统和ET200分布式I/O组成的Profibus-DP总线网构成切换结构，实现故障时的无扰动自动切换，上位机采用STEP7组态软件进行系统组态。

    (1) 工作原理
　　焦炉煤气（高炉煤气）与鼓风机经空气预热器加热的助燃空气混合燃烧，燃烧产生的热量由余热锅炉回收。余热锅炉产生的高温高压水蒸汽推动汽机发电，
    (2) 环保发电厂主要设备
　　① 余热锅炉二台，每台主要的技术参数如下:
产生蒸汽量: 35t/h
过热蒸汽压力: 3.82MPa
过热蒸汽温度: 450℃
炉膛温度: 980℃
给水温度: 105℃
　　② 汽轮机发电机组二套，主要的技术参数如下:
主蒸汽压力: 3.43MPa
主蒸汽温度: 435℃
　　③ 发电机主要的技术参数如下:
功率: 6000kW
出线电压: 6.3kV
频率: 50Hz
额定转速: 3000r/min
功率因数: 0.8
励磁方式: 无刷励磁系统
　　④ 配套电气供配电系统
该PLC集散控制系统I/O点数有2000余点，其中模拟量300余个。全厂的PLC集散控制系统图如附图所示。

附图 全厂PLC集散控制系统图

3 上位机监控系统配置
　　系统共设6台操作员站，2台工程师站。其中2台操作员站用于炉侧设备的监控，2台操作员站用于机侧设备的监控，包括汽机系统、制给水系统、2台操作员站用于电气设备的监控。所有操作员站之间经受权后可互换操作。工程师工作站，进行系统软件开发组态，工程师站将能够作为任一操作员站完成相关控制监测功能。工程师站、操作员站及PLC之间采用OSM/ESM环形100兆工业以太网进行互连通讯。操作系统采用中文Windows xp 窗口操作系统。
    上位机采用STEP7组态软件进行系统组态。人机界面主要设计有以下内容:
    (1) 系统工艺流程显示:依据设备系统工艺流程图，按照功能组区域划分;
    (2)   调节系统、调节画面:回路手操站，调节参数与参数趋势的集中显示;
   (3)   重要参数趋势显示:有实时趋势与历史趋势两种显示;
    (4)   全局报警显示:系统按照功能区分为若干个报警组，各个报警组的报警窗口分布于相应功能显示窗口的上方，全局报警显示提供集中查看系统所有报警的能力，或按优先级、报警组过滤查看，并具有全局报警确认。

4 PLC控制系统配置
　　整个PLC控制系统系统的核心由S7-400H构成，其中包含S7-400H的安装机架和PS407，10A电源。一对冗余CPU，采用CPU414-4H，每个CPU都含有2个扩展插槽，可用于插入同步模板。同步子模板用于两套CPU之间冗余切换，它们已放置在CPU内部并由光缆完成互连任务。同时每个CPU带一对以太网处理器CP443-1，是和作为服务器的以太网上位机通讯发电机组以及汽轮机系统均采用ET200M作为PROFIBUS上的从站和S7-400H系统相连，ET200M本身不具备本地处理采集信息的能力，它作为远程I/O交由S7-400H集中处理。ET200M远程I/O有实现方式，本系统采用具有增强可用性的单通道切换式配置模式。采用单通道切换式配置模式的单输入/输出模板，该模板可以由两个子系统中的任何一个进行寻址。每个ET200M分别有两块IM153-2通信模块，分别挂在DP总线上，组成冗余的DP总线。ET200M采用是Siemens 300系列分布式I/O模块，价格低廉。每个ET200M可扩展8个I/O模块，容量可高达128字输入/128字输出，最大传输速率为12Mbps。
　　本控制系统由西门子400系列的CPU414-4H组成双机热备，进行数据冗余，300系列分布式I/O组成双冗余的DP总线，是性价比极高的集散控制系统，在今后的各种环保电厂主机控制及大型发电机组的辅机控制领域中具有极大的推广价值。
　　CPU414具有非凡的性能，它二进制指令的执行时间为0.08μs(CPU417H为0.12μs)，最大的数字量IO或模拟量IO高达65536或4096点。本集散控制系统有8000余条逻辑控制语句，6个PID控制回路，其中三冲量调节回路2个，单冲量调节回路4个。系统实时性可靠性要求较高。
　　本集散控制系统中，PLC完成全厂逻辑顺序控制及所有PID回路控制。其中, 逻辑顺序控制分以下几个部分:
　　(1) 吹扫:其目的是为了确保燃烧室风烟系统相关设备正常且信道畅通，是炉膛保护要求的重要操作之一; (2) 风机启动; (3) 锅炉吹扫:其目的是为了确保锅炉整个风烟系统相关设备正常且信道畅通，是炉膛保护要求的重要操作之一; (4) 锅炉保护; (5) 燃料跳闸;  (15) 正常发电模式; (16) 孤立运行模式; (17) 汽轮机故障模式; (18) 化学水处理控制; (19) 污水处理控制。

5 主要PID控制回路
　　(1) 炉膛压力调节系统
    此系统为单冲量调节回路。按系统工艺，炉膛应保持一定的负压值(PT101)，故需对引风机(PV101)进行PI 调节。为防止引风机变频器运行过大或过小，造成锅炉熄火，调节系统中引入高、低限幅模块。
　　(2) 锅炉汽包水位调节系统
　　此系统为三冲量调节回路。通过采用给水流量(FT101)、蒸汽流量(FT103)和汽包水位(LT102)主信号一起对给水调节阀(LV102)进行PI调节，使汽包水位保持在设定范围内，以适应锅炉的蒸发量。
　　(3) 过热蒸汽温度调节系统
　　系统将减温器后蒸汽温度(TE116)作为前馈信号引入调节，与过热蒸汽温度(TE119)主信号一起对减温水调节阀(TV119)进行PI调节。
   
6 结束语
    该PLC集散控制系统经运行证明，各项技术指标均达到国际先进水平，主要表现如下:
    (1) 燃烧效率高: 焦炉煤气（高炉煤气）与空气混合均匀燃烧充分，燃尽率高;
    (2) 回热效率高:余热锅炉分布在主炉膛和烟道中，可充分吸收焦炉煤气（高炉煤气）燃烧热量，正常燃烧热效率80%以上，
    (3)  运行维护费用低:自动控制水平高，运行人员少;
    （4）该系统如果增加一个历史站，主要提供主要监控参数的历史趋势；SOE功能，即事故掉闸的开关量打印功能对事故时的分析有一定帮助。