基于西門子S7-1200 的苞谷山瓦斯電站機組自動化升級改造

鐘漍標，何俊明，黃 誠

（1.廣東宏大欣電子科技有限公司，廣州 510003；2.廣東水利電力職業技術學院，廣州 510630）

隨著能源需求的不斷增長，煤炭等傳統能源的開采和利用已成為全球能源供應的重要來源，而煤炭開采和利用過程中產生的瓦斯等有害氣體不僅對礦工的生命安全造成威脅，還對環境造成了嚴重污染，因此瓦斯的利用已成為煤炭行業的重要課題。苞谷山電站位于貴州省盤縣苞谷山，是一座以煤礦瓦斯為燃料的發電站，電站一期規模為6 臺700 kW 等級低濃度瓦斯發電機組，于2014年6 月投產發電；二期為2 臺700 kW 低濃度淄柴瓦斯發電機組，于2018 年6 月份投產發電。隨著時間的推移和技術的發展，苞谷山瓦斯發電站的控制系統已經逐漸老化，存在控制系統功能單一，無法實現遠程集控和自動化控制；瓦斯流量和濃度測量不準確，影響發電機組的運行效率和安全等問題[1]。

1 項目意義

為了提高苞谷山瓦斯發電站的生產效率和安全性，須對其自動化控制系統進行升級改造。以達到實現遠程集控和自動化控制，打造區域標桿示范瓦斯發電示范項目，樹立貴州新能源發電品牌的目的。

2 苞谷山瓦斯電站控制系統升級的總體要求

針對現在苞谷山瓦斯電站的設備穩定性差、生產效率低下、安全性弱的情況，對整個控制系統進行重設改造，包含控制策略升級和網絡拓撲設計、現場硬件改造和升級、系統管理軟件設計等，本項目選用西門子S7-1200 的PLC 作為控制核心，要求進一步實現系統操作簡便、集控互聯、技術先進和功能穩定等要求，其系統架構圖如圖1 所示。

圖1 苞谷山瓦斯電站自動化升級改造項目總架構圖

3 苞谷山瓦斯電站控制策略升級和網絡拓撲設計

瓦斯電站改造升級工作完成后，數據接入貴州公司集控中心的遠程監控系統并實現對電站設備的遠程監視和最優控制等功能，滿足用戶對遠程集控系統軟件二次開發功能需求。實現就地監控中心及遠程集控中心對電站機組及輔助系統滿足電站無人值守、一鍵啟停、設備單操、設備運行順控、設備自動、設備電氣聯鎖保護、設備工藝過程調節策略、設備最優化運行、設備故障統計分析、電站日常報表統計分析和設備狀態監測與預警等生產數據統計分析功能[2]。

3.1 單機本地控制模式

3.1.1 開機控制流程策略

PLC 控制主要控制單元采用西門子公司的S7－1200系列，增加數字量和模擬量輸入輸出模塊，配合電力智能儀表、各溫度傳感器、壓力傳感器、氧濃度傳感器、速度傳感器和瓦斯流量計等，實現閉環控制和檢測。啟動控制過程包括合上啟動電源，啟動冷卻水系統，預先供給潤滑油，監測啟動電機，從PLC 向發電機控制器發送啟動信號，執行啟動控制，并在參數指標達到要求時并網合閘。其具體控制策略如圖2 所示[3]。

圖2 開機控制流程策略

3.1.2 停機控制流程策略

正常停機時，斷開發電機出口開關，按下停車按鈕，發電機組自動減速，怠速運行1 min，關閉進氣電動閥，打開本機組排空閥，停車結束。

當機組發生飛車或者瓦斯泄漏等緊急情況，運行人員可通過按下運行機組急停按鈕停機，或由程序控制啟動緊急停車流程，速度停機，關閉進氣閥，根據事態監測數據反饋情況，打開排空閥，以保障發電廠運行安全。其具體控制策略如圖3 所示[3]。

圖3 停機控制流程策略

3.2 本地集控模式

本地集控室用一臺西門子S7－1500 PLC 系列的CPU 為載體，采用PROFINET 協議與就地控制柜中S7-1200 PLC 通信，由S7－1500 PLC 采集各臺發電機組就地控制柜中S7-1200 PLC 所采集的數據并存儲、計算、數據處理。本地工程站服務器與西門子S7－1500 PLC 通信，進行計算、數據處理，實現監控、遠程操控目的。電站監控室集控中心可控制本電站所有發電機組，包含監控功能、操控功能、數據查詢打印功能、數據采集和處理功能、DCS模擬量控制功能、順序控制功能和保護及報警功能。其網絡拓撲如圖4 所示。

圖4 本地集控中心網絡拓撲圖

3.3 遠程集控模式

遠程集控中心擁有本地集控室的所有功能，只是操作優先級要次于本地集控室。遠程通信可采取租用電信光纖專用通道、利用4G 或5G 網絡，自行組建無線網絡。包含就地側的數據基站、遠程監控程序（APP、大屏、電腦端）、云服務（機組遠程優化、診斷、分析等），包括掌上APP 等。通過工程師站將發電機的油溫、缸溫、瓦斯濃度、燃氣壓力及電機轉速和狀態等數據通過網絡上傳到盤州及貴陽集控中心，可通過智能終端如手機、電腦、平板等通信設備按權限等級訪問數據。為了保證通信的可靠性和安全性，需增添對數據加解密算法和CRC 沉余校驗。工程師站服務器與集控中心服務器之間通信采用數據加解密處理，在滿足政府、電力等部門網絡安全標準要求的基礎上，保證數據通信的實時性。被控設備，在一些關鍵機構或關鍵位置，要有反饋回路，形成閉環回路，與其他相關聯的部件形成聯鎖控制機制，提升了設備的可靠性和安全性，以此來提升網絡安全防護級別。其網絡拓撲如圖5 所示。

圖5 集控中心與電站的網絡拓撲圖

4 控制系統升級

粵電集團貴州有限公司苞谷山、中紙廠和老洼地瓦斯發電機組技術改造后的就地控制系統，通過專用控制模塊將實時數據等信息提供人機對話監控系統界面，人機對話監控系統可以顯示瓦斯發電機組的實時運行數據。控制系統在自動運行模式下運行時，所有運行參數無須人工調節，全部由控制系統自動調節；控制系統在手動模式下運行時，發電機組工況根據現場情況需要人工調節來保證發電機組在最佳工況下運行，就地控制系統與電站監控中心和遠程集控中心通信協議采用PROFINET或MOUDBUS 工業以太網進行組網。

就地控制系統采用S-1200 PLC，通過搭載模擬量和數字量擴展模塊及RS485 通信模塊電壓電流、壓力、流量和溫度等，以及各類傳感器的信號采集，通過PLC 程序實現對輸出對象閥門、電動閥、電磁閥、比例閥、繼電器、伺服系統和變頻系統的控制，在就地通過HMI 實現對系統的控制，在多個機組之間、多個PLC之間可以實現數據的交互，實現對機組運行狀態（正常運行、停止運行等）、機組手動控制、機組自動控制、累計運行小時數、累計發電量、當前發電量、三相電流、相間電壓、功率因數、發電機轉速、發電機功率、平均缸溫、平均排溫、油溫、水溫、濾前油壓、濾后油壓、濾網前后油壓差、主油道機油壓力、增壓器油壓、渦前溫度、渦后溫度、最優缸溫、空氣反饋或空氣閥門開度、燃氣反饋或燃氣閥門開度、節氣門開度、高負壓濃度、低負壓濃度、混合濃度、混合流量、流量、溫度、壓力和振動等的監控[4]。其PLC 控制系統改造示意圖如圖6 所示。

圖6 PLC 控制系統改造示意圖

5 系統控制程序和管理程序設計

5.1 S7-1200 PLC 和HMI 程序設計

S7-1200 PLC 程序針對實際應用功能分成操作系統程序、IO 數據分析程序、Modbus 通信程序、連鎖與測量程序、空燃比控制程序、控制邏輯程序和對象控制程序，在工藝對象中設計了5 路的伺服閥門的PID 控制，設計了PID 缸溫調節、PID 余氧調節、PID 功率調節、PID 速度調節和PID 壓力調節等，人機界面則開發了手自動模式界面、參數設置界面、調節燃氣空氣閥門開度界面和查詢點電量數據記錄界面等共21 個界面[5]。HMI 部分可視化界面如圖7 所示。

圖7 HMI 部分可視化界面

5.2 遠程集控程序設計

遠程集控程序設計以vue2.6 作為基礎技術架構，同時使用vuex 進行數據的管理；采用antdesignUI 對UI 界面進行布局，圖表采用了主流的echarts 作為支持、視頻監控主要采用了flv.js 技術進行實時展示監控畫面，首頁大屏展示采用了組件化處理技術，實現后臺配置生成組件，每個圖標可采用后臺配置快速生成圖標，實現低代碼、高復用的快速配置方式；使用了MQTT 協議進行鏈接數據的讀寫，可以實現數據的高頻刷新；使用了axios.js技術實現與后端的下發指令進行交互，可做到快速下發指令，并快速獲得下發成功與否的反饋。遠程集控中心看板如圖8 所示。

圖8 集控中心看板

6 結束語

改造項目實施后，能在電站現有自動化控制水平的基礎上，顯著提高苞谷山電站機組就地控制系統自動化控制水平，能在電站及集控中心全面監視和控制電站內機組設備及其輔助系統，實現對瓦斯機組及其輔助系統的最優安全穩定運行調節和各類報表報送、故障報警及查詢、異常事件記錄、各類操作記錄、自動聯鎖、順序控制、模擬調節、單操、歷史數據、實時無延遲數據通信和就地遠方一鍵啟停等，從而實現瓦斯電站少人值守目的，有效提高自動化水平，推動瓦斯行業發展，提高社會影響力。