电力线式现场总线的叶轮给煤系统设计与应用

王秀丽，刘长青，李博昌，袁晓明，赵泽生

（1.山西大学工程学院，山西太原030013；2.山西电力设备厂，山西太原030031；3.西安博恒智能技术有限公司，陕西西安710065；4.中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原030006；5.天津电气传动设计研究所有限公司，天津300180）

叶轮给煤机是火力发电厂输煤系统中非常重要的设备，它可沿煤沟纵向轴道行走或停在一处将煤定量、均匀连续地拨到输煤皮带上［1］。叶轮给煤机的工作过程大致为：地下煤斗中的煤经叶轮给煤机拨到输煤皮带上，经皮带几级转运进入主厂房原煤斗。叶轮给煤机是采矿、煤炭、冶金、化工、建材等行业的重要设备。

1 问题的提出

传统的叶轮给煤机控制系统存在许多问题，比如叶轮给煤机控制系统是移动设备，控制线缆铺设难度大，车体定位系统不够精确，控制拖缆容易断芯、断线等，这些问题的产生将会为给煤量的控制带来很大的困难，同时也对配煤质量造成影响。

针对上述叶轮给煤机系统存在的问题，特提出以下改进措施。

1）供电方式采用动力滑触线。传统的供电方式采用动力电缆，其优点是载流量大、绝缘强度高，但采用绝缘导线的动力线路在敷设范围和环境上受到限制。而采用动力滑触线的优点是电流量大、安全可靠、经济方便，在防护等级和绝缘方面有很大改进，可适用于恶劣环境，装拆、调整和维修十分方便。

2）控制方式采用电力线式现场总线。传统的控制拖缆往往有几十芯，在长时间移动的过程中容易导致断芯断线等现象，使得指令无法正常发出，信号无法反馈，造成设备故障甚至设备损坏。而采用电力线式现场总线可有效避免上述控制方式的不足，减少故障的发生。

在以上改进措施的前提下，该设计过程已经制作成产品，被运用在多个电厂，并取得了良好的社会经济效益。

2 基于电力线式的现场总线设计

2.1 现场总线的概念

现场总线（FieldBus）是20世纪80年代末、90年代初国际上发展形成的，用于过程自动化、制造自动化、楼宇自动化等领域的现场智能设备互连通讯网络。它作为工厂数字通信网络的基础，沟通了生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系，图1 为典型的现场总线控制方式示意图［2-5］。

图1 现场总线控制示意图Fig.1 Schematic diagram of fieldbus control system

2.2 基于电力线式的现场总线控制

本系统中针对传统叶轮给煤机控制系统存在的问题，采用一种电力线式的现场总线控制方式。电力线式现场总线技术，是指将传统意义上的现场总线与低压电力线载波技术相融合，低压电力线载波技术是指将高频信号耦合到低压电力线路上，实行低压电力线载波通信的一种技术，现场总线主要采用编码技术，将二者结合是一种全新的现场总线技术和应用系统。该技术特点为：1）每个现场总线设备自带CPU，EPROM，RAM，I/O 等电路，可独立执行控制逻辑，可通过总线随时更新程序；2）现场总线设备对外信号发送采用高频载波调制方式，对总线电缆选型和电缆接头无任何特殊要求，可以利用VV电缆、KVV电缆等作为现场总线信号传输的介质，而取消了一般意义上的现场总线必须采用双绞线或同轴电缆的限制；3）总线拓扑结构为自由拓扑，每个网段上挂线的总线设备数量可达120 个，按工艺系统重要性可接为环型、总线型、星型总线。通讯距离理论值可达30 km，实际应用中可认为不受限制；4）电力线式现场总线的物理介质为普通电缆，无线通信的物理介质为无线电波，无线通信可以采用总线协议；5）总线设备供电和通讯同时通过同一电缆实现，供电无距离和容量限制。

与其它现场总线技术如ProfiBus现场总线相比，该技术的应用功能更为广泛，主要表现在以下几个方面。

1）电力线式现场总线具有极强的系统抗干扰能力，原因是高频信号经过电缆传输只会改变信号幅值，不会改变频率，因此抗干扰能力强。ProfiBus 现场总线，当电平信号经过电缆传输会产生波形畸变，因此其抗干扰能力差。

2）电力线式现场总线的挂接能力强，理论数据一个组可挂接120 个，已实施项目中最大已达到80 个/组。ProfiBus 现场总线理论数据一个网段可挂接32个设备，与距离、供电等相关，已实施项目最大16个/段。

3）电力线式现场总线采用自由的网络拓扑结构，灵活可靠。ProfiBus 现场总线只能采用总线型，一旦总线某位置中断，后续系统将不可控，系统可靠性低。

4）电力线式现场总线供电方式灵活，一根电缆同时实现总线设备供电与总线通讯，通过总线AC 220 V 供电，也可采用其它电压供电。Profi-Bus现场总线设备供电电缆与总线通讯电缆严格区分，必须单独解决供电问题，一般只采用DC 24 V供电。

5）电力线式现场总线的距离长，理论值30 km，具体工程设计中可认为无距离限制。Profi-Bus现场总线的总线距离与波特率、总线电缆、敷设路径等相关，在9 600 bit/s时理论1 000 m，具体工程设计中限制很多，反复核算。

6）电力线式现场总线的设计过程很简单，主要设计过程为：按工艺系统划分组数量，确定主控数量，一个被控对象设置一个总线型智能设备，按此统计设备数量，按物理布置位置，绘制电缆联系图。若采用ProfiBus现场总线设计将会很复杂，其设计过程为：先按区域确定I/O点数总需求，计算本区所需总线模块数量，再按工艺系统初步进行网段分配，初步核算每段内的总线距离、电源容量是否满足要求，根据初步核算再次调整网段划分，再次进行电源设计，反复核实，安装调试阶段若发现不合适之处再次修改。

将电力线式现场总线应用于输煤程控系统中，具体的设计思路为：首先将整个输煤程控系统以皮带或转运站为单位进行划分，设置多个控制区域，对每个区域内的被控对象，以被控对象为单位，设置就地智能电控箱，每个就地电控箱内，同时包含该被控对象对应的动力配电回路、就地操作回路、以及现场总线程控设备。

对皮带保护装置，在每个保护装置内部封装现场总线单元，变为总线型智能程控设备，挂接在皮带沿线的现场总线上。

对皮带沿线的所有智能电控箱或智能设备，以皮带为单位，划分为多个组，每组内的设备之间，先用1根ZRC-KVVP-450/750 V 4×1.5电缆串行连接，最后与主控装置相连。考虑到总线电缆断线的可能，总线电缆采用环网连接。

1 台主控装置可以接入2 组总线环网，主控装置为IP67防护等级铸铝质的挂墙箱，直接布置于转运站内的墙上，安装简单。主控装置通过光缆，与布置在程控室的DCS DPU通讯连接。

在输煤程控室，设置上位监控计算机，DCS DPU等设备，程控系统的控制逻辑尽量由布置在就地的智能设备处理，皮带联锁关系由DCS DPU实现。

3 叶轮给煤机控制系统组成

基于电力线式的现场总线叶轮给煤机控制系统组成示意图如图2 所示。由图2 可见，系统主要由输煤程控系统远程站、主控装置、行走定位系统、分控装置、PLC控制器、变频器、叶轮给煤机等组成。主要工作原理为：输煤系统远程站发出指令并传送给主控装置，主控的通讯接口适配远程站的要求，通信方式由远程站决定。主控装置连接到控制安全滑触线（或采用无线通讯方式），即电力线总线上。电力线总线上还连接的设备有分控装置，分控装置通过RS232 或RS485接口与PLC 通信，PLC 执行程序控制驱动变频器进而调节叶轮给煤机的转速。行走定位装置也连接至电力线总线上，将实时的位置反馈给远程站。挂在电力线上的各设备之间的通信方式采用电力线总线协议。PLC与输煤程控系统远程站的通信由各厂商的通信协议来实现（如采用MODBUS协议等）。

图2 叶轮给煤机控制系统组成Fig.2 Impeller coal feeder control system

3.1 现场总线主控装置

图2中的现场总线主控装置（BH-DLZK），主要实现的是与运煤自动化系统的接口、与现场总线分控装置的通讯、对位于同一轨道上2 台叶轮给煤机之间的控制协调等功能。

主控装置通常直接布置于运煤自动化系统远程站程控柜内，与运煤自动化系统通过通讯口实现无缝连接。

3.1.1 主控装置的作用

现场总线控制装置采用BH-DLZK 系列。主控装置的作用在于提供BH系列电力线式现场总线与PLC直接连接，通过网络实现两者之间的直接通讯。

3.1.2 主控装置与PLC模块之间的相互关系

下面以AB PLC 为例介绍主控装置与PLC 模块之间的相互关系：

BH-DLZK-PLC/AB（产品命名）型主控装置可直接挂接在AB公司的ControlNet总线网上，实现与AB PLC CPU 的直接通讯，也就是说在同一个CPU 所属的ControlNet 网络上，可同时允许多个BH-DLZK-PLC/AB 型主控装置与多个常规ControlNet I/O远程站共存。

站在PLC侧来看，BH-DLZK-PLC/AB型主控装置的各项技术指标及连接关系均完全遵从ControlNet 双冗余同轴电缆总线接口协议，其功能和地位完全等同于AB 公司的1756-CNBR 通讯模块。两者的区别在于：对1756-CNBR型通讯模块，需要再配置单独的电源模块、PLC机架后方与ControlNet 总线相连，而BH-DLZK-PLC/AB 型主控装置只需外部提供AC 220 V电源，无需再添加任何外部设备便可直接挂接在ControlNet总线上。

由于该主控装置等同于1756-CNBR，因此在此模块正常工作之前也需要在Rslogix5000 内进行硬件配置，在RsnetWork 软件内进行网络刷新等工作。

3.1.3 主要技术指标

每台主控装置可挂接的分控装置数量为最大2组，每组最大120个分控装置。

与运煤自动化系统接口方式：硬件规范，RS232 或RS485 串口通讯；通讯协议，用户自定义，MODBUS，TCP/IP，RK512等，具体由用户在定货前协商确定；通讯速率19 200 bit/s，38 400 bit/s；工作电源，交流220 V，0.2 A。

3.2 现场总线分控装置

现场总线分控装置采用BH-DLFK系列，接收现场总线主控装置发来的远方控制指令，下传给叶轮给煤机本体所配的微型PLC或给煤机执行终端，同时将微型PLC或执行终端所采集到的给煤机状态、转速、电流、行走位置等数据打包，上传给主控装置。此装置一般每台叶轮给煤机设置一个，安装于叶轮给煤机本体移动控制箱内［6-7］。

现场总线分控装置除可以连接至安全滑触线工作外，还可实现无线通讯。此装置根据其在系统中所起的作用和安装位置不同，又可分为调度端、执行端2 类。调度端安装于卸煤沟内的侧墙上，与主控装置之间通过现场总线实现有线通讯；执行端挂装于叶轮给煤机本体控制柜旁，与叶轮给煤机本体所配的微型PLC 或给煤机执行终端有线通讯；调度端与执行端之间通过无线电方式通讯。区别于其它工业无线电通讯的主要特征是：1）该无线通讯系统的多个调度端之间通讯电力线现场总线系统进行协调；2）该系统的无线发射功率很小，仅满足卸煤沟空间内通讯要求，不对外界系统造成无线电干扰［7］。

主要技术指标：与叶轮给煤机本体控制柜接执行端，中继段口方式为串口通讯。适用场合为给煤机本体自带PLC的场合。硬件规范为RS232或RS485 串口通讯。通讯协议为标准方式：ASCII，TCP/IP（以太网），DF1（AB PLC），自由口（西门子PLC），三菱专有等通讯协议。通讯波特率19 200 bit/s，38 400 bit/s等可选。工作电源：交流220 V，0.2A。

3.3 给煤机行走IC卡定位系统

对行走范围比较长的给煤机，在程控室显示其行走的确切位置，具有重要意义。以往给煤机行走位置判断基本上采用旋转编码、接近开关计数等办法，实际应用中存在许多难以克服的问题。本系统采用IC卡定位方法，彻底解决了此难题。本系统由布置于皮带沿线的IC卡（数量随皮带的长度而定）、读卡器（每台给煤机设1 台）、定位器（每台给煤机设1台）等几部分组成。通过此设备，程控室可感知给煤机所处的绝对位置，不会因各种外部系统的变化而变化。

主要技术指标：与主控装置连接方式是电力线式现场总线。适用场合为给煤机运行轨道相对比较长的场合；工作电源，交流220 V，0.1 A；IC卡接近距离：0～50 mm；配套IC卡数量，随用户要求，一般1.5～2 m设置一个。

设备安装：IC 卡，轨道沿线现场支架焊接安装；读卡器，控制柜背部或给煤机本体适当位置现场支架焊接安装；定位装置，控制柜内螺丝或导轨安装。

3.4 微型PLC或给煤机执行终端

给煤机本体控制柜内的就地控制设备，一般给煤机设备厂都会考虑在其内配置一个微型PLC，用于给煤机就地逻辑控制和控制信号接入。

主要技术指标：与叶轮给煤机本体控制柜接口方式为硬接线；适用场合为给煤机本体不带PLC的场合；与分控装置接口为RS232串口通讯。

3.5 安全控制滑触线

安全控制滑触线，在本系统中充当现场总线和滑动连接的作用。

4 系统配置方案

一般来说，为保证整个系统的性能指标，推荐的系统配置及使用方式为：对1 个卸煤沟内仅有1 台叶轮给煤机的场合，配置1 台主控装置、1台分控装置、1 套定位系统；对1 个卸煤沟内有2台叶轮给煤机的场合，共配置1台主控装置、2台分控装置、2 套定位装置；对1 个卸煤沟内有4 台叶轮给煤机的场合，常设2条皮带，共配置2台主控装置、4台分控装置、4套定位装置；对1条皮带上设3 台叶轮给煤机的场合，每条皮带配置1 台主控装置，每台给煤机配置1台分控装置，1套定位装置。

对不同的卸煤沟，应分别独立考虑设置主控装置，不考虑几个卸煤沟共用的情况。

5 系统应用及结论

设计出的系统接线原理图如图3 所示，一次部分主要由三相电源、左右行走电机、推杆电机、除尘电机、变频器、叶轮给煤机等组成；二次侧电力线现场总线部分主要接的设备有远程站台、主控装置、行走定位、定位分控装置PLC等组成。

图3 系统接线原理图Fig.3 System wiring diagram

该控制系统已制作成产品，并申请了实用新型专利（专利号：ZL 2008 Z 0221664.0；ZL 2008 Z 0029048.5）。本文之前提到的型号均为产品型号，在全国数家电厂投入使用后取得了良好的效果，典型案例有：1）甘肃崇信电厂，叶轮给煤机的PLC 采用西门子S7-200 系列，上位机的PLC 是GE-RX 7i 系列；2）山西山阴电厂，叶轮给煤机的PLC是施耐德TWIDO系列，上位机的PLC是施耐德Modicon Quantum140 系列；3）湖北黄石电厂，叶轮给煤机的PLC 是AB 公司MicroLogix1500 系列，上位机的PLC 是AB 公司Logix5000 系列；4）同煤国电王坪发电有限公司，叶轮给煤机的PLC采用施耐德TWIDO TWDLCAA24DRF，变频器为ABB ACS550-01-045A-4，上位机的PLC是AB 公司Logix5000系列。

本系统已从2004年最初应用于叶轮给煤机控制发展到目前整个输煤程控系统的控制，并正在向火力发电厂其它辅机控制系统和主厂房控制系统迈进。从投运的机组规模上，小到2×50 MW 机组，大到2×1 000 MW 机组，涵盖了火力发电厂所有机组容量。该系统在投入使用中得到了用户的一致好评，但是也存在一定的不足，比如主控、分控外观可以进行改进等，这也有待于在今后的设计中予以考虑。

［1］张桢，牛玉刚.DCS 与现场总线综述.电气自动化［J］.2013，35（1）：4-5.

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