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PCC在发电机组辅助控制系统中的应用 |
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作者：青岛大学 周虹伯 |
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摘 要：本文介绍了B&R 2005系列可编程计算机控制器（PCC）在某发电机组辅助控制系统中的应用及该系统的实现，着重描述了该系统的工艺需求、功能以及软件和硬件设计。该PCC除了用于现场仪表的数据采集和处理以外，还用来实现对现场自动化设备的控制。此外，基于B&R Automation Studio集成软件平台的编程、数据通讯设置及HMI画面编辑功能用于监控工业生产的动态过程，以实现了辅控系统有关生产岗位无人值守的设计要求。生产实践表明，该系统运行效果良好，达到了设计目标。
关键词：可编程计算机控制器；B&R 2005 PCC；辅控系统；无人值守
1 引言
发电机组辅助系统主要为整个机组的安全稳定运行提供可靠保障，是机组的重要组成部分。其中，空气压缩系统主要应用于机组的物料输送、锅炉吹灰、设备冷却、树脂颗粒混合清洗及气动元件控制等领域；工业水及消防水系统主要为发电过程中工业水处理及消防供水等提供保障。随着工业自动化技术的发展和机组运行管理水平的提升，相关系统设备站房无人值守的要求愈加强烈。为满足运行管理水平现代化及企业优化人力资源配置的需求，华电青岛发电有限公司对上述辅助系统进行了无人值守设计与实现。空气压缩系统如图1所示。
图1 空气压缩系统的设备外观
2 辅助控制系统介绍
2.1 工艺概述与设计要求
空压机房无人值守系统主要由检修空压机、仪用空压机、干冷器、空气冷却器、除油器等设备构成；工业水泵及消防水泵房无人值守系统主要由工业水泵、消防水泵、补水泵、缓冲箱等构成。辅助系统自动监控是采用以可编程计算机控制器(PCC)技术为基础的控制系统，由中央控制站、数据通讯网络、设备级控制器及就地传感器、执行机构等组成。根据生产工艺设计要求，上述系统自动化控制系统采用典型的三级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面（HMI），为生产控制级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程计算机控制器（PCC）构成，为现场测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程；通过数据传输进入企业MIS系统，为企业管理级，主要面向企业生产管理和信息处理人员。
该辅助监控系统的设计要求如下：
（1）在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、液位等模拟量参数。需要通过PCC对这些参数进行实时采集和处理。
（2）辅助系统无人值守的自动化控制，即实现整个空气压缩、储存、输送和工业、消防水处理过程的全自动控制，进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。
（3）对调节系统可采用操作器控制，确保系统压力准确稳定，使各参数达到设计要求，并对其故障实现实时报警和联锁启停切换控制。
（4）对电动机等重要现场设备进行温度、电流及振动的状态监测。
（5）控制系统具备双路电源切换功能，当一路电源故障时能可靠的自动切换到另一路，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电。
（6）自控系统通过控制器的冗余设计保证系统运行的高可靠性。
（7）将控制与视频信号通过通讯网络传输，进行中央控制室集中监控，实现站房现场的无人值守。
2.2 控制系统选型及特点
为了实现上面提到的空压机房、工业水泵及消防泵房无人值守的设计要求，我们选用贝加莱工业自动化公司B&R 2005可编程计算机控制器（PCC）和研华公司ADVANTECH IPC-610工控机（IPC）构成的自控系统，再配以先进的B&R自动化软件，来实现上述各辅助控制系统的各项功能。
当前可编程计算机控制器（PCC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已成为电气控制系统中应用最为广泛的核心，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。
图2 B&R 2005可编程计算机控制器（PCC）
B&R新一代可编程计算机控制器（PCC）综合了PLC和工业计算机的优点和功能。它采用B&R的Automation Studio集成软件开发平台，支持多任务分时操作系统，能够使用高级语言、指令表、梯形图以及其它功能块编程，并且具备面向控制的标准功能和独特方便的模块结构，适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。独特的掉电保持功能以及可热插拔的模块特性，为系统维护带来了极大的方便。
3 控制系统构成
3.1 控制系统的结构
该系统的网络拓扑结构如图3所示。
图3 系统网络结构
3.2 控制系统硬件配置
根据系统设计要求，本系统所选用的主要硬件设备包括以下：
（1）工业计算机（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 3.0GHz处理器，1Gb内存，160Gb硬盘；
（2）中央处理单元 (CPU)
CP 260，CPU模块2块；
IF 260，CPU模块2块；
（3）I/O模块 (SM)
DI 475，数字量输入模块2块；
DI 476，数字量输入模块8块；
DO 479，数字量输出模块10块；
AI 775，模拟量输入模块2块；
AT 350，模拟量输入模块4块；
AO 775，模拟量输出模块2块；
（4）电源模块 (PS)
PS 465，电源模块4块。
该系统中B&R 2005系列PCC的硬件配置如图4所示。
图4 PCC的硬件配置
3.3 应用软件开发
B&R 的Automation Studio是一款集成软件开发平台，用来对B&R全系列控制器及远程I/O、通信网络、IPC、HMI触摸屏和伺服控制器进行应用开发，能很好地实现人机界面（HMI）和监控管理系统，真实地将工厂控制软件集成到自动化过程中。HMI人机界面系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥越来越重要的作用。压缩空气、工业及消防水HMI系统信息以友好方式与用户交互。通过自动化控制系统接收过程计算机和操作人员通过HMI输入的数据进行处理，处理后再将过程数据信息、机组状态信息和各种测量值以符号、数值、曲线、图表及历史记录的形式在HMI画面上显示。最终实现在HMI操作站上以最少的设备数量提供最大可能的信息，帮助操作人员和设备维护人员快速准确的了解系统当前状态及其相关信息的设计目标。
在上位机上用B&R Automation Studio软件设计了多幅人机界面画面，如图5所示。主要包括以下几个方面：
（1）工艺流程图：在画面中通过编程实现模拟显示整个压缩空气、工业及消防水现场生产的全过程，并且在设备本体上实时显示各路气、水的压力与温度，以便于操作者能及时准确的掌握设备本体内情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。
（2）手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。
（3）报警记录：对于如罐内压力、入口温度、水箱液位等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警。当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时通过报警一览表对话框可以检查报警超出范围以及错误出处，并对此采取相应措施。
（4）实时和历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。另外，还具有生成报警或变量记录数据运行报表的功能。
（5）摄像监控：通过摄像及图像采集设备对图像的处理，使操作人员通过视频窗口实时监控现场设备运行状况。
图5 系统主要监控画面
3.4 网络数据通信
工业以太网现已成为工控界最为流行的局域网技术，被广泛的应用于工厂控制级通信，它可以实现控制器与控制器之间、控制器与上位机之间的通信。在本系统中由于各站房与中央集中控制室距离较远，我们采用了以光纤为主要通讯介质、以TCP/IP为数据通信协议的工业以太网络，为大量的控制与视频信号传输提供稳定可靠的保障。同时，我们预留了与企业MIS系统通信的接口，为相关数据的进一步处理与利用奠定了基础。
4 系统功能
4.1 控制中心数据采集功能
上位机将可编程控制器中传出的数据信息直接采集，通过软件功能将信号以文字、图像、报表等方式形成人机界面，操作人员通过此界面进行监控操作。
4.2 控制中心控制信号发送功能
控制信号由上位机经通讯接口送入控制器，由控制器来实现各控制指令，完成对现场设备的各种操作。
4.3 监控中心控制及集中管理功能
在上位机的监控画面上点击相关控制设备均可对其进行控制，对相关参数及设备运行状态实现实时显示、报警和历史记录并形成报表。通过摄像监控功能实时监控生产现场设备运行状况，可及时发现设备及管路的跑冒滴漏现象，最终实现站房内无人值守、站房外集中管理的目标与要求。
4.4 系统调节控制功能
主要包括储气罐压力控制、工业水泵控制、消防水泵控制、补水控制、水箱液位及疏水变频控制功能。通过以上控制功能的实现，最终完成对各系统的顺序、调节控制。
4.5 系统联锁控制功能
连锁控制是辅控系统的核心。特以空压机连锁做详细说明：空气压缩系统共有5台空压设备，分为A段与B段，正常运行时各段均有一台空压机运行，在允许压力范围内，设备将采用大循环启停方式，即根据先启先停的方式由程序控制循环运行，循环时先启动停机时间长的空压机，加载后，再将需要停机的空压机按步骤停机；当母管压力低于0.65MPa时，系统自动启动另一台空压机，加载30秒后若压力仍低于允许范围，则再启动一台仪用空压机，直至满足压力条件；当母管压力低于0.55MPa时关闭除油器出口电动门；当A段或B段有两台以上空压机运行且母管压力高于0.8MPa时，系统自动对运行时间最长的一台设备停机，直至满足压力条件或每段仅剩一台运行。
5 结束语
本文讨论了基于B&R 2005系列可编程计算机控制器的发电机组辅控系统的设计与实现，充分发挥了该系列控制器性能优异、配置灵活、控制可靠、编程方便以及便于现场调试的优点。 该系统于2008年5月全面投入试运，7月与机组一起正式投入运行。在实际应用中，该系统运行效果良好，具有较高的自动化水平，实现了设计目标与要求，为机组的安全稳定运行提供了可靠保障。同时，该项目也获得了业内专家及用户的一致好评，具有一定的推广价值。
作者简介
周虹伯 男，高级工程师，硕士，主要从事工业设计工程领域工作。
山东省青岛市四方区兴隆一路6号 266031
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(11/14/2011) |
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