基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動化系統(tǒng)設計

王風金

（神華蒙西煤化股份有限公司，內(nèi)蒙古 烏海 016000）

冶煉廠需求量持續(xù)增加下，冶煉廠用電量與裝機容量大幅度增加，電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴大，對冶煉廠用電質(zhì)量與可靠性也提出了更多要求[1]。電氣系統(tǒng)安全運行已經(jīng)成為冶煉廠經(jīng)濟的基礎保障，為此提出冶煉廠電氣綜合自動化控制。電氣綜合自動化控制要求電站實行綜合調(diào)控與管理自動化運行，實現(xiàn)繼電保護、控制、測量等綜合性功能為一體。冶煉廠電氣綜合自動化由計算機完成電氣監(jiān)控、運行、保護等功能，由通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)信息交換。近些年來隨著電氣自動化水平的提高，現(xiàn)有電氣自動化控制系統(tǒng)已不能滿足冶煉廠實際應用需求，因此采用性能較高的西門子PLC系統(tǒng)，提出基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動化系統(tǒng)設計。

1 基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動化系統(tǒng)硬件設計

1.1 電氣監(jiān)控設備設計

考慮到冶煉廠在金屬加工中特殊的工作環(huán)境，其電氣監(jiān)控設備功能設計主要針對金屬加工過程中對整體電氣設備的電力監(jiān)測、記錄、電力數(shù)據(jù)采集等。

電氣監(jiān)控設備采用80486的32位處理器，考慮到安裝成本，與其他設備通過I/O站相連，與控制PF線的PLCS7-400之間相互通信。設備的CPU為西門子4122DP，存儲器容量72KB，掃描周期為0.2ms/100KB。由于所使用西門子S7系列PLC模板功耗較低，發(fā)熱少，因此可以省去原有冷卻風箱，節(jié)約安裝空間。設備中遠程站I/O分為高航計速模板、輸出模塊、模擬輸入模塊、I/O輸出模塊、電源模塊以及接口模塊組成。I/O板輸入與輸出電壓為DC24V，輸出后信號經(jīng)過光電隔離器放大，模擬量輸出至比例閥放大板上。輸入信號主要包括工作壓力、輸送機位置、系統(tǒng)工作速度等。主控臺終端采用觸摸式操作終端，設有RS-232與Prof i bus兩個結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)PC機對系統(tǒng)終端編程。

1.2 數(shù)字信號處理器設計

系統(tǒng)中數(shù)字信號處理器主要功能為同期控制、調(diào)速控制、綜合保護的核心控制器。采用西門子32位DSP芯片TM320F2812，內(nèi)存128KB，資源豐富。事件管理模塊EVA與EVB內(nèi)存18KB，其中包括4個16位通用定時器與16個16位脈寬調(diào)制通道以及12位16通道A/D轉(zhuǎn)換器。通道最小轉(zhuǎn)換時間為80ns，支持兩個事件管理器同時觸發(fā)一個16通道輸入A/D輸入器或兩個8通道輸入A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)字信號處理中控制局部網(wǎng)絡增強模塊采用56個單獨變成復用輸入輸出口，外設接口設有一個MCBSP多緩沖串行接口、一個CAN總線接口、一個UART標準異步收發(fā)接口、一個SPI接口與兩個SDI串行接口，完全滿足系統(tǒng)運行需求。

2 基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動化系統(tǒng)軟件設計

2.1 數(shù)據(jù)庫設計

冶煉廠由于在金屬加工中有著對數(shù)據(jù)實時性的需求，因此數(shù)據(jù)庫設計采用實時數(shù)據(jù)處理與存儲技術(shù)。數(shù)據(jù)庫拋棄傳統(tǒng)系統(tǒng)磁盤數(shù)據(jù)庫技術(shù)，利用計算機快速存取特點，采用CPU與存儲空間相結(jié)合的高效存儲方式[2]。數(shù)據(jù)庫由生成模塊加載設備相關信息，物理位置位于各前置機系統(tǒng)，現(xiàn)場采集實時信息存入數(shù)據(jù)庫?？紤]到內(nèi)存容量限制，在實際使用中將數(shù)據(jù)庫大小控制在內(nèi)存運行容量范圍內(nèi)。利用數(shù)據(jù)庫中緩沖模塊，對數(shù)據(jù)實時采集與刷新，解決電氣設備數(shù)據(jù)實時性需求，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)分發(fā)、遙控前實時狀態(tài)判定等功能。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如下表1所示：

表1 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)庫通過數(shù)據(jù)組中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)更新，由于數(shù)據(jù)庫容量有效，采集數(shù)據(jù)需要及時轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)庫?？紤]到同一內(nèi)存地址發(fā)生沖突情況發(fā)生，數(shù)據(jù)庫采集每5次觸發(fā)轉(zhuǎn)存方案，使系統(tǒng)運行保持在最佳狀態(tài)。

2.2 機組自控模塊

電氣設備在滿足開機條件后，機組自控模塊將按照安全開機流程啟動，PLC對DSP于輔助設備發(fā)出控制信號。DSP啟動自動調(diào)速，完成機組自控檢測[3]。電氣設備開機后，首先確定蝶閥開關與冷卻水狀態(tài)，如蝶閥關閉，則開啟蝶閥后，檢測開關狀態(tài)與冷卻水狀態(tài)，在延時180s沒有收到反饋后，系統(tǒng)則跳出開機流程，進入報警。如檢測到蝶閥與冷卻水狀態(tài)正常，延時10s后開啟調(diào)速器。隨后檢測95%Ne狀態(tài)，如發(fā)現(xiàn)狀異常，則在延時60s后跳出開機流程，發(fā)出報警。如狀態(tài)正常，則進入滅磁開關狀態(tài)檢測，如狀態(tài)異常，延遲5s后，跳出開機流程，發(fā)出報警，如狀態(tài)正常，延時30s后，進入延時8s投入自動準同期，隨后檢測發(fā)電機DL合。

圖1 設備參數(shù)顯示波形對比

如檢測到發(fā)電機狀態(tài)異常，則延時60s后跳出開機流程，發(fā)出報警。如發(fā)電機狀態(tài)正常，發(fā)電指示燈亮后，完成自動開機，自此完成整體電氣機組自控。

3 仿真實驗

3.1 實驗方法

為更加直觀對基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動化系統(tǒng)性能進行測試，設計仿真實驗。設計采用西門子系統(tǒng)操作臺，提供系統(tǒng)一個直接使用的界面程序板塊。利用模擬屏模擬冶煉廠整個電氣系統(tǒng)實時運行狀況，將系統(tǒng)開關量與電力參數(shù)直觀顯示出來，并對運行數(shù)據(jù)實時刷新。為更加直觀顯示系統(tǒng)性能，將基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動化系統(tǒng)設為實驗組，傳統(tǒng)電氣自動化系統(tǒng)設為對照組，對比兩組系統(tǒng)設備參數(shù)顯示波形，從而觀察出兩組系統(tǒng)對設備控制精準度，實驗中兩組系統(tǒng)運行參數(shù)相同。

3.2 設備參數(shù)顯示波形對比

通過實驗，兩組系統(tǒng)在實驗參數(shù)相同條件下，對100組設備運行數(shù)據(jù)進行處理，其結(jié)果如下圖1所示。

根據(jù)實驗結(jié)果可以看出，實驗組與對照組相比，其設備參數(shù)顯示波形較高，證明實驗組具有更好的設備控制精準率，從而證明設計有效性。

4 結(jié)論

為滿足冶煉廠電氣系統(tǒng)運行安全需求，提出基于PLC的冶煉廠電氣綜合自動化系統(tǒng)設計。設計采用性能較高的西門子PLC系統(tǒng)，以保障電氣系統(tǒng)安全運行為基礎，滿足電氣系統(tǒng)的運行、調(diào)度、監(jiān)控與管理等需求，利用開放性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，讓系統(tǒng)適用于大部分冶煉廠電氣管理，從而大大提升冶煉廠電氣系統(tǒng)運行、管理水平。