分散控制系統(tǒng)在大型選煤廠的應(yīng)用

榮 梅

(中煤科工集團南京設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

隨著選煤廠規(guī)模的不斷擴大，選煤廠對生產(chǎn)過程監(jiān)控、生產(chǎn)安全環(huán)境監(jiān)控、生產(chǎn)過程信息綜合利用等方面的網(wǎng)絡(luò)化、自動化和智能化提出了新的要求，對于建設(shè)一套可靠的選煤廠控制系統(tǒng)提出了更高的要求[1]。目前，選煤廠控制基本上都是采用可編程邏輯控制器(PLC)進行集中控制，PLC在選煤廠中應(yīng)用廣泛，具有性能穩(wěn)定、可靠性高、抗干擾能力強、使用方便等優(yōu)點[2-3]。大型選煤廠對智能化要求越來越高，模擬量采集數(shù)量增加，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化更高，因此，將分散控制系統(tǒng)(DCS)應(yīng)用于大型選煤廠具有重要意義，可為建設(shè)智能化選煤廠奠定基礎(chǔ)。

結(jié)合產(chǎn)能為12 Mt/a的內(nèi)蒙古察哈素大型選煤廠改造項目，根據(jù)工藝流程和項目分期建設(shè)方案，分析了集中控制系統(tǒng)存在的問題，收集了電廠、化工廠、鋼鐵、水泥等大型企業(yè)普遍使用DCS的實際運行資料[4-5]，做了可行性研究報告。利用DCS容量大、處理模擬量點數(shù)多、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、更好的開放性和拓展性、安全可靠性等優(yōu)點[6]，將EDPF-CS分散控制系統(tǒng)應(yīng)用于察哈素選煤廠，對整個選煤廠的控制進行了改造，使系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定可靠，可擴展性更好。

1 PLC與DCS的比較

PLC在應(yīng)用、系統(tǒng)功能、體系結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品形態(tài)和實現(xiàn)方法等多個方面與DCS有較大的區(qū)別，但也有共同之處。下面就PLC和DCS的異同點作簡要的比較[7-8]。

1.1 功能和應(yīng)用目標(biāo)

PLC 的控制功能以邏輯控制和順序控制為主，與DCS相比，在連續(xù)控制方面效率比較低、成本比較高，主要應(yīng)用領(lǐng)域以離散控制為主。而DCS系統(tǒng)所有I/O模塊均帶CPU，能實現(xiàn)采集及輸出信號的判斷與變換。

1.2 體系結(jié)構(gòu)

PLC包括中央處理單元、存儲器、電源、輸入輸出回路等組成。DCS包括直接控制層、操作監(jiān)控層、生產(chǎn)管理層、決策管理層。

1.3 現(xiàn)場設(shè)備

PLC就是可編程邏輯控制器，包括CPU、輸入輸出模塊、電源模塊、通信模塊等安裝在PLC柜內(nèi)。DCS的現(xiàn)場設(shè)備就是控制站，包括輸入輸出單元、過程控制單元、電源等，均安裝在DCS柜內(nèi)。

1.4 系統(tǒng)特點

PLC的特點是其構(gòu)成部分的完全產(chǎn)品化，例如PLC支持標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)則，可實現(xiàn)不同 PLC間的操作。DCS的特點是控制與顯示分離，采用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)則，完備的開放系統(tǒng)，具有可靠性高，擴展靈活，管理能力強等特點。

2 EDPF-CS在大型選煤廠的應(yīng)用

2.1 工程概述

內(nèi)蒙古察哈素大型選煤廠于2014年投產(chǎn)運行，塊煤采用淺槽重介分選機分選工藝。選煤廠控制系統(tǒng)采用計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和ROCKWELL AB的PLC相結(jié)合的方式。選煤集成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍為整個選煤廠主煤流系統(tǒng)，在選煤集成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)操作員站、工程師站對各車間生產(chǎn)設(shè)備進行監(jiān)測、操作、運行管理。在選煤廠集中控制室，上位機操作員站對各車間進行集中監(jiān)視控制。各車間PLC控制機柜布置于各車間本地配電室內(nèi)。在選煤廠集成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)上位機中，可實現(xiàn)對全廠內(nèi)的電機、閥門、儀表等設(shè)備的控制，并進行監(jiān)測、報警、控制和報表打印。

該工程的集中控制采用ROCKWELL AB集成架構(gòu)方案，集中監(jiān)控設(shè)集中控制中心1處，采用研華工控機，布置在選煤廠綜合辦公樓二層，綜合樓配電室放置PLC控制主站；設(shè)原煤倉上PLC分站、壓風(fēng)機房PLC分站、濃縮車間PLC分站、原煤倉下PLC分站、產(chǎn)品倉下PLC分站、產(chǎn)品倉上PLC分站和地銷煤倉倉上PLC分站。主要管理人員可以通過個人電腦使用IE瀏覽方式監(jiān)視生產(chǎn)系統(tǒng)實時狀況。板框壓濾機通過DH+網(wǎng)與主網(wǎng)進行通訊；空氣壓縮機、高低壓變頻器、軟啟動器、濃縮機等設(shè)備通過DeviceNet與主網(wǎng)進行通訊；自動加藥系統(tǒng)、淺槽分選系統(tǒng)及快速裝車站控制系統(tǒng)采用以太網(wǎng)通訊，最終通過主網(wǎng)光纖傳送到集控室內(nèi)。

2.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

EDPF-CS系統(tǒng)由現(xiàn)場控制站、人機界面及通信網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成[9-10]。具體EDPF-CS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 EDPF-CS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場控制站包括控制器和I/O兩部分，控制器具有數(shù)據(jù)采集和處理、控制算法、輸出以及通信等功能，作為DCS的核心，能與現(xiàn)場設(shè)備連接，并通過通信網(wǎng)絡(luò)與上位機界面相連；I/O模塊主要完成現(xiàn)場模擬量、開關(guān)量、脈沖量等信號的采樣和轉(zhuǎn)化。

人機界面主要包括操作員站、工程師站、服務(wù)器等，操作員站為操作員提供生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)，操作員能夠通過實際數(shù)據(jù)做出判斷，并可對設(shè)備遠程操作；工程師站主要對DCS進行組態(tài)[11]、管理和維護。

通信網(wǎng)絡(luò)主要實現(xiàn)DCS各級之間的數(shù)據(jù)通信，使生產(chǎn)過程的檢測、控制、操作、管理等形成一個整體。通過人機界面可與局域網(wǎng)連接，實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控及進行遠距離操作和控制。

2.3 系統(tǒng)硬件配置[12-13]

(1)工程師站ES。該工程設(shè)一個主工程師站，布置在選煤廠集控室，用于存放整個系統(tǒng)的組態(tài)文件，并進行組態(tài)發(fā)布、多人組態(tài)、組態(tài)備份、組態(tài)網(wǎng)絡(luò)同步和還原等工作。

(2)操作員站OS。該工程設(shè)置2臺操作員站，布置在選煤廠集控室，對選煤廠進行集中操作與監(jiān)視。操作員站安裝實時監(jiān)控軟件，并提供流程圖、趨勢圖、報警窗口、控制分組、數(shù)據(jù)一覽、操作面板以及系統(tǒng)狀態(tài)信息等監(jiān)控界面。通過操作員站，對現(xiàn)場設(shè)備進行實時控制，了解工藝過程信息和報警信息，并可調(diào)用歷史數(shù)據(jù)庫進行趨勢查看和報表輸出。

(3)控制器P2-CU01。CPU頻率采用1 GHz，內(nèi)存為1 G，閃存為4 G，以太網(wǎng)口2個 10/100/1 000 Mbps，輸入電壓為24 VDC±5%，紋波≤150 mVp-p，功耗為5 W。

(4)I/O模塊。具有冗余功能，單個I/O模塊還具有供電和通訊的冗余，互為冗余的I/O模塊之間能監(jiān)控雙方的工作狀態(tài)，根據(jù)工作狀態(tài)控制冗余切換；支持熱插拔，支持即插即用；具備自診斷功能，包括上電自診斷和運行過程自診斷。

(5)網(wǎng)絡(luò)[14]。網(wǎng)絡(luò)包括系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)，主要完成相對獨立的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制等功能。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)工程師站和操作員站與現(xiàn)場控制站的實時通訊網(wǎng)絡(luò)，用于工程師站/操作站和主控單元之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 系統(tǒng)軟件配置[15-16]

EDPF-NT+分散控制系統(tǒng)支持多域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使用工程管理器PO在一臺全局工程師站可以同時對多套DCS子系統(tǒng)進行組態(tài)和維護。

EDPF-CS分散控制系統(tǒng)的控制組態(tài)簡單、快捷，而且支持SAMA圖、邏輯圖等全圖形化控制組態(tài)語言，并實現(xiàn)自定義算法，所有算法均被模塊化封裝，組態(tài)過程簡單、高效。

3 對比分析

根據(jù)工程實際，對已運行的PLC系統(tǒng)和改造后的DCS系統(tǒng)進行分析。

3.1 經(jīng)濟性

PLC系統(tǒng)采用計算機監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和可編程控制器相結(jié)合的方式，三臺獨立的監(jiān)控上位工控機作為操作員站(其中一臺兼工程師站)，配置1臺IBM的服務(wù)器。該工程采用國產(chǎn)的EDPF-CS，在2019年改造實施完成，費用大約是原系統(tǒng)費用的一半。

若按進口設(shè)備作DCS系統(tǒng)的報價，費用與PLC系統(tǒng)費用差不多。由此可知：同樣規(guī)模的系統(tǒng)，采用進口的PLC和采用進口的DCS兩套系統(tǒng)的價格差不多，采用進口的PLC和采用國產(chǎn)的DCS，后者價格為前者的一半。

3.2 可靠性

隨著選煤廠規(guī)模的擴大和智能化選煤廠不斷的推進，模擬量信號越來越多，使用DCS系統(tǒng)的可靠性更高，數(shù)據(jù)采集更快更精確，而PLC系統(tǒng)實現(xiàn)起來就比較困難。因此，對于小型的選煤廠，工藝簡單，模擬量少，可采用PLC系統(tǒng)，相比DCS系統(tǒng)更經(jīng)濟；對于大型的選煤廠，工藝復(fù)雜，模擬量多，可采用DCS系統(tǒng)。

3.3 可擴展性

大型的選煤廠建設(shè)都是分期完成，例如一期主要完成原煤分級系統(tǒng)建設(shè)，二期主要完成塊煤分選系統(tǒng)建設(shè)，三期主要完成末煤分選系統(tǒng)建設(shè)。DCS系統(tǒng)可以從中央集線器對用戶受信進行管理，更容易實現(xiàn)升級。而PLC系統(tǒng)，則需要增加更多的硬件和數(shù)據(jù)庫，并且需要單獨維護，實現(xiàn)升級更為費時費力費錢。

4 結(jié)語

將EDPF-CS應(yīng)用到大型選煤廠可使選煤廠控制系統(tǒng)更加安全可靠，解決了大型選煤廠控制系統(tǒng)容量大、模擬量點數(shù)多、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不標(biāo)準(zhǔn)、可擴展性差等缺點，為選煤廠智能化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。由于該系統(tǒng)是在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改造完成的，與原有配電系統(tǒng)開關(guān)量連接方面存在著不匹配問題，在實際工程中增加了硬件轉(zhuǎn)換，因此增加了投資成本和故障點，建議今后在設(shè)計階段采取措施盡力避免，以使系統(tǒng)更加簡潔、安全可靠。