基于雙機熱備氣力輸送系統的開發

范劍紅

（莆田學院 電子信息工程系，福建 莆田 351100）

氣力輸送是以壓縮空氣為動力，將粉狀物料在一定混合比的情況下在密閉管道內由一處送往另一處的輸送方式.氣力輸送技術以其自身的特性很好地適應了對粉料進行環保、高效輸送的需求.隨著我國環保節能技術的推進，氣力輸送系統日益完善，對其控制系統的要求也越來越高.單機控制系統由于沒有后備保障，缺點越來越突出，經常會發生堵管、停爐等故障，已不能滿足氣力輸送系統的要求.PLC雙機熱備控制系統能夠完成瞬間切換，改善控制系統品質，對氣力輸送系統有重要意義[1-3].

1 氣力輸送系統的總體設計

1.1 工藝過程

圖1是氣力輸送系統工藝過程圖，系統共有2臺爐，6個電場，每個電場各對應一個灰斗.氣力輸送系統進料閥和平衡閥都采用氣動圓頂閥，無出料閥.

通過互不干擾的兩條管線輸送粉煤灰入庫，輸送能力約12 t/h，輸送距離約600 m.

輸送方式采用3倉泵同時輸送和分別輸送兩種方式，當系統發生堵管時，啟動吹堵閥進行吹堵，當某倉泵發生故障時，可以用下插板門關閉該倉泵，實現邊維修邊輸送.

1.2 控制系統構成

雙機系統運行時有兩個電源和兩個CPU，一個為運行CPU、另一個是熱備CPU：主CPU單元，運行用戶程序并與外部設備交換數據；熱備CPU與主CPU單元同時運行于用戶程序，但只作為備用不輸出，當主CPU單元出現故障時，實時切換成活動狀態，它長期從主CPU單元接收刷新的數據，在系統穩定性上較好.而單機系統只有一個CPU運行單元和一個電源[4-6]，系統穩定性較差.

通過對被控對象和工藝流程系統的了解，結合現代工業領域自動控制水平的發展現狀，同時考慮到經濟方面的因素.在對雙機熱備氣力輸送控制系統進行開發時，我們采用上、下位機結構形式[7-9].PLC作為下位機控制氣力輸送倉泵設備，上位機采用工控機對工藝流程進行實時監控，其監控組態畫面可以實現在線控制、過程監控、實時曲線和越限報警等[10-12]，如圖2所示.

圖1 工藝過程

1.3 開發的氣力輸送系統特點

（1）本系統采用6個相同的P泵，3個一串.每個倉泵既可以同時運行，也可以單獨運行，提高了氣力輸送系統的可靠性和可維護性.

（2）無出料閥，因兩條管線各司其職，互不干擾，輸灰管道間無需切換，無需出料閥，增加了系統的可靠性，不易堵管.

（3）每條管線有吹堵閥，結合PLC程序和測壓管的壓力可完成自動吹堵功能.

（4）控制系統下位機采用雙機熱備PLC，當一個CPU出現故障時，另一個CPU會在幾個微秒時間內替代工作，保障控制系統的正常運行.

（5）控制系統配有上位機監控，可以根據畫面判斷工作狀態，方便修改下位機時間、地址等參數，記錄歷史輸送壓力曲線和故障報警情況.

圖2 系統構成原理框圖

2 控制系統硬件設計

2.1 控制點數

輸入點DI的數量取決于以下幾個方面：料位計、密封壓力開關、輸送壓力開關、電磁閥箱手動自動切換開關等；AI：壓力變送器.輸出點DO的數量取決于以下幾個方面：進料閥、進料密封氣閥、進氣閥、電磁閥箱運行燈顯示等.系統總的DI、AI、DO如表1所示.

表1 點數確定

2.2 PLC選擇

下位機PLC選用OMRON公司CS1雙機熱備系統[13-14].根據系統要求，點數冗余如表1所示的備用量，以便隨時增加控制功能.為了操作維護的方便，輸入輸出統一選用16點模塊，且一個模塊對應一條管線，模擬量選用8通道可能遠傳的4-20 mA電流輸入.

2.3 控制線路

程控系統主要由一臺主控柜和6臺就地柜組成.主控柜內含有可編程控制器，組態有控制按鈕、報警燈等.就地柜是控制現場閥門的關鍵設備，內含電磁閥和壓力開關.此外，還有一些料位設備和壓力檢測設備，如灰斗料位、灰庫料位和輸送壓力變送器等.

2.4 就地柜端子接線

采用6臺就地柜，分別控制兩條管線.輸入輸出端子接線位置相對應，既便于互為備用，又方便檢修記住端子號和對不同系統的統一設計.

表2 主控柜端子排對應的輸出控制點位地址

2.5 主控柜端子接線

2.5.1 主控柜到就地柜端子排的輸出

主控柜到一、二、三電場就地柜端子排的輸出分別設定為：JX00、JX02，就地柜分別為Q11、Q12、Q13、Q21、Q22、Q23，其對應的輸出控制點的位地址見表2.

由于二、三電場和四電場共用一個進氣閥、氣化閥、吹堵閥和報警燈，因此，一、二電場端子排少了吹堵閥，二、三電場端子排少了進氣閥，一、三電場端子排少了氣化閥.

2.5.2 主控柜到就地柜端子排的輸入

主控柜到一、二、三電場就地柜端子排的輸入分別設定為：JX01、JX03，主控柜端子排對應的輸入控制點的位地址見表3.

2.5.3 主控柜到壓力變送器、料位計的輸入

主控柜到一、二管線端子排的輸入分別設定為：PA11、PA12、P11、P12，主控柜到壓力變送器輸入控制點的位地址見表4.

3 控制系統軟件設計

3.1 控制水平及要求

程控系統由安裝在集控室內的CRT站、PLC機柜及安裝在就地柜的電磁閥箱組成.運行人員在集控室內的CRT站完成對整個飛灰、灰庫系統工藝參數及設備的集中監控，當設備出現欠壓、堵管及灰庫溢出等故障時，在CRT的系統畫面上自動發出報警信號，并指出報警的地點和類別.系統的在線控制功能可以實現在CRT上強制啟、停系統.

系統控制方式分為自動、手動兩種方式.自動方式：系統根據灰斗料位計數器和時間間隔計數器自動運行.間隔時間可通過CRT設定.除灰程序運行時，當料位高或間隔時間到時，程序將對粗灰庫料位、細灰庫料位、輸送氣源壓力和儀器用氣源壓力做出判斷；如細灰庫料位高而粗灰庫料未到高位時，細灰庫料位高報警，程序將把灰庫頂電磁閥切換至粗灰庫.

表3 主控柜端子排對應的輸入控制點的位地址

3.2 PLC軟件設計

3.2.1 輸送系統邏輯過程

接通電源、合上空開，啟動電源，電源燈亮，輸送氣源和儀器用氣源壓力達到0.5 MPa后，氣源電接點壓力燈亮，啟動一號或者二號爐的一、二、三號發送器，如果運行燈未閃爍，表明程控系統正常，一、二號爐的發送器可以投入運行，程控系統投入正常運行.如圖3所示.

除灰程序運行時，當料位超出高值時，超高料位報警并發出停止系統提示.否則當料位計數或時間間隔計數到時，關進料閥→密封圈加壓→檢測氣源壓力是否符合要求，若不符合要求，發出停止系統提示；若符合要求，開出料閥→開進氣閥→檢測管道壓力是否偏低，若不是，報警并提示關進氣閥；若是，關進氣閥→延時3秒→關出料閥，密封泄壓→是否停止系統，若是，按停止按鈕；若不是，進入下一循環.

自動控制流程為：開進料閥→灰斗料位到或時間間隔到位，關進料閥→密封加壓→開出料閥→開進氣閥→關進氣閥→關出料閥，密封泄壓→系統循環.

3.2.2 手動控制

手動控制程序：接通電源→合上空開→啟動電源，電源燈亮→就地柜轉鈕轉向手動位置，用改錐逐個調試閥門，直至滿意為止.

手動控制必須以自動控制流程為操作順序：開進料閥→關進料閥→密封加壓→開出料閥→開進氣閥→關進氣閥→關出料閥，密封泄壓.

手動方式為軟件操作方式，通過控制單個閥門實現上述過程.

3.2.3 梯形編程

如圖4所示，是CS1雙機熱備PLC編程界面，共分為2個程序，每個程序分別有一電場、二電場、三電場；IO表示主機架00通道16點輸出、01通道16點輸入、02通道16點輸出、03通道16點輸入和04通道AI輸入等.

表4 主控柜到壓力變送器輸入控制點的位地址

圖3 編程邏輯過程圖

在PLC通電后，進行程序初始化，所有的軟繼電器都復位到最初設置的狀態.系統開始運行，在每一次輸灰過程中，系統都可以置位在運行狀態，以確保一次輸灰過程的順利完成.如果在系統運行中需要中止，按下停止按鈕，系統將在下一次循環中止，所以當前系統還將繼續運行，直到把管道中的灰送入灰庫.這樣設計可以確保輸灰系統的安全，如果系統在輸灰過程中快速響應中止程序，管道中的灰栓停止運動就會堵塞在管道中，造成堵管現象，這樣在實際工廠中是不允許的.所以我們在程序中大量用到置位指令，從而避免出現堵管現象.

圖4 梯形圖

3.3 系統組態設計

3.3.1 繪制氣力輸送系統的主畫面

圖5所示為氣力輸送系統主畫面，畫面中的圓頂閥、倉泵、壓力變送器等采用擬人化設計，畫面內容基本上與系統圖對應.圖中包含了系統所需的部件，如泵、圓頂閥、平衡閥、料位計、手動閥、自動閥、壓力表、灰庫、管線等.

3.3.2 動畫連接

以圓頂閥為例，可在主畫面中雙擊鼠標彈出對話柜，如圖6所示，點擊旋轉，輸入變量確定.必須說明的是，在連接前必須把所要的開關量或模擬量設定好，否則在動畫連接時將找不到所需的開關量或模擬量.其他的元件也可以按此步驟進行動畫連接.

圖5 氣力輸送系統編輯主畫面

3.3.3 運行主畫面.

當動畫連接完成后，就可以運行主畫面組態，如圖7所示.本畫面的特點是：動畫過程與真實的進料閥工作過程相同；落料過程是根據落料時間設計變量的，所以落料過程也是動畫過程，與真實的落料過程相同；輸送過程是根據輸送時間設計變量的，與真實的輸送過程相同；另外輸送氣源壓力表用小方框表示，如果氣源不足則顯示綠色，否則顯示紅色.

圖6 動畫連接

圖7 運行的組態

4 結論

在對粉煤灰氣力輸送的設計原理、工藝過程分析的基礎上，進行 PLC雙機熱備控制、組態監控的開發.

（1）雙機熱備控制系統非常適合粉煤灰氣力輸送的特點，因為氣力輸送如果單機發生瞬間故障就會引起堵管，造成嚴重事故.因此，開發雙機熱備氣力輸送系統是必要的.

（2）開發的雙機熱備氣力輸送系統，通過現場安裝、調試和半年的運行表明，雙機熱備控制系統可以在粉煤灰氣力輸送系統中推廣應用.

（3）組態監控技術能實時監控現場情況，降低了工人的勞動強度.雙機熱備PLC的應用也使得系統功能易于擴展，增加了系統的可靠性和靈活性.

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