基于Modicon PLC的氢气点火自控系统设计

2015-12-30李小娟

科技视界 2015年14期

关键词：点火装置自控上位

李小娟

（中核建中核燃料元件有限公司，四川宜宾644000）

0 引言

工业生产中产生的氢气是可以直接排入大气的，但由于比重轻，易燃、易爆的性质对其大量直接的排放，在排放高度、温度、压力等方面提出了很高的要求，因而当前最有效的方法是将生产中产生的氢气混合天然气点火燃烧。

PLC系统作为一种优秀的工业控制系统，在实际工程中有着广泛的应用。配合点火装置，操作人员只需在上位机发出指令，就可以轻松实现点火控制。文章将以施耐德Modicon PLC为基础详细介绍氢气点火自控系统的设计。

1 氢气点火自控概述

氢气点火自控的目的是将整个生产中产生的含有一定氧含量的氢气，混合外网来的天然气点火燃烧，以达到干净、安全处理氢气的作用。

氢气点火的前提条件为：氢气中的氧含量低于氢氧混合气体爆炸临界值。

自控主要包括对点火装置以及天然气阀开/阀关的控制。在点火自控过程中，当有点火控制输出时，外网来天然气阀开，上位机监控显示“正在点火”、“天然气阀已开”，并输出火焰检测报警；若点火失败，则外网来天然气阀关闭，监控显示“天然气阀已关闭”。

2 系统设计

该控制系统主要由上位机监控、PLC集中控制、下位控制执行三个部分。其中下位控制执行主要由I/O模块、火焰探测器、天然气阀、点火装置实现。氢气点火自控回路框图如图1所示。

图1 氢气点火自控回路框图

2.1网络设计

该控制系统要求自控实时性强、可靠性高。本控制系统采用上位机监控操作、星型以太网通信和PLC控制工艺设备相结合的方式。

整个系统网络分为两层。上层工程师/操作员站为管理监控网络，使用工业以太网，通过集线器将工程师站、操作员站和主/备Modicon PLC连接，为星型网络结构，符合TCP/IP协议，介质为双绞线。其中，主/备Modicon PLC通过Quantum 140 NOE 771 01以太网适配器连接网络。

下层为测控网络，采用远程输入/输出（RIO）。通过一个分离器（MA-0186-00）将主/备PLC中CRP（远程处理器）模块与下层主干网连接，而下层现场监测站通过分支器（MA-0185-00）将本监测站CRA（分站适配器）模块与主干网络连接，网络终端安装75Ω终端电阻。下层网络采用Modbus和Modbus+通讯，介质为同轴电缆。系统网络结构图如图2所示。

图2 系统网络结构

2.2 硬件配置

硬件配置主要包括主/备PLC集中控制器及现场监测站I/O模块的配置。

（1）PLC配置：PLC采用一主一备，双机热备的模块式结构。主、备PLC使用相同的框架式底板和相同的模块。在Quantum PLC模块式结构中，虽然模块对底板不存在依赖关系，但是要求主、备PLC的模块顺序要求一一对应。

CPS模块：Quantum 140 CPS 111 00，为底板提供标准电压的电源和保护系统免受噪声和电源波动的干扰，将输入电源转换为+5 Vdc供给CPU、本地I/O及底板上任意通讯模块。

CPU模块：Quantum 140 CPU 534 14型号CPU为32位586处理器，内存为4MB。

CRP模块：RIO网络实现PLC与一个或多个监测站间的通讯。而远程处理器/主通讯模块140 CRP 931 00主要完成网络数据、信息的初始化。

NOE模块：Quantum 140 NOE 771 01以太网模块以以太网线TCP/IP模块设计，使其能为Quantum的可编程序控制器与设备通过以太网通信。

CHS模块：Quantum 140 CHS 110 00热备模块，两个热备模块采用一主、一备，可以切换控制远程输入/输出网络。两热备模块各有一个接收端和一个发送端，接收端和发送端过高速光纤交叉连接，使得备用热备模块能实时追踪主热备模块所在PLC运行情况，一旦发生故障立即跳转交换状态。

底板：模块插在底板上，一个槽位供插一块模块。底板提供控制信号并为模块分配电源。底板的每一个槽位都是通用的。

配置完成的主/备PLC结构图如图3所示。

图3 主/备PLC结构图

（2）现场监测站配置：配置包括底板、CPS模块、CRA模块以及I/O模块。

CRA模块：即分站适配器模块位于RIO网络的现场监测站。每个CRA模块必须被分配一个唯一的地址数，用于远程处理器CRP通讯时寻址。

I/O模块：在氢气点火自控中，点火装置的控制输出、火焰探测器检测信号的输入以及天然气阀开/关的控制都是数字信号。采用数字量组合输入/输出模块DDM，用于在同一模板组合24VDC输入/24VDC输出。

2.3 执行器部分

下位执行控制通过执行器实现，执行器包括：火焰探测器、天然气阀及点火装置。天然气阀采用电磁阀；点火装置为触点点火装置。

火焰探测器：

光耦型红紫外火焰探测器可与火灾报警控制器配套，组成具有较高抗干扰能力的火灾探测自动报警系统。

在氢气点火自控系统中，火焰探测器用于外网来天然气阀的关闭控制及检测到火焰时上位机监控报警的输出。

当红紫外探测器单独使用即用于光耦输出方式使用时，如图4，B(F)端接电源正极如：+24V、+12V、+5V，电源负极与D(H)端公用。探测器正常工作时，C(G)端无输出（外网来天然气阀关闭），探测器接到火警时，C(G)端有电压输出（上位机监控显示“火焰检测报警”），其值等于B(F)端电压。

表1 火焰探测器电路特征

图4 探测器光耦输出方式

2.4 上位机监控

采用基于Windows2000操作平台的监控软件IFix3.5。IFix3.5采用MBE驱动利用Modbus TCP/IP协议与Quantum PLC通讯。

上位机监控主要用于氢气点火的自动和手动两种控制方式的实现。两种控制方式都通过上位机触发，其中手动方式用于人为控制天然气阀开/阀关，主要用在点火结束后天然气阀的关闭。

2.5 自控程序

使用配套组态及编程软件Concept2.6编程。程序包括：

（1）“点火”命令的触发

在初次发出“点火”命令，触发“BS1601”后，点火装置开始点火，持续点火5秒，点火装置停止。程序模块“TON”为延时程序功能块，在氢气点火自控中，延时时间T设置为5秒。

（2）火焰检测报警

程序段实现工程师/操作员站画面“火焰检测报警”。报警条件需满足火焰探测器“BT1601”、“BT1602”检测到火焰的同时，伴有点火控制输出。

（3）天然气阀控制

初次“点火”命令发出，触发“BS1601”后，“BV1601”将触发天然气阀持续开5秒,阀开状态在上位机工程师/操作员站监控画面显示。若火焰探测器“BT1601”、“BT1602”同时检测到火焰信号，则天然气阀继续保持开状态；当火焰探测器“BT1601”、“BT1602”同时检测无火或在一开始点火的5秒钟内，火未点燃时，则关闭天然气阀“BV1601”。

程序设计还可通过变量“BV1601_MAN”实现手动方式控制，对天然气阀的手动开/关由“BV1601_OPEN”完成。

（4）编辑完毕下载程序，将主/备PLC程序进行一致备份。

3 联动调试

当氧分析器无报警输出，氢气中的氧含量低于氢氧混合气体爆炸临界值时，工程师/操作员站发出“点火”控制。

控制指令输出后，经“主”状态下PLC控制器CPU模块编辑程序的运算、分析处理，通过下层RIO测控网络，按照一一对应的地址，数据信号进入点火自控现场监测站DDM模块，由DDM模块分别输出24VDC到两个中间继电器，一个到点火装置，触发点火，另一个到天然气电磁阀，控制阀开。根据控制设计要求，在初始“点火”信号发出后，点火装置开始点火，并在5秒钟后停止点火。与此同时，天然气阀保持持续开阀5秒。

火点着后，由工艺人员人工打开氢气阀。

在氢气混合外网天然气燃烧的同时，火焰探测器探测到火焰信号，输出24VDC入DDM模块，再经RIO测控网络传递，通过CPU程序分析，根据控制设计要求，若同时伴有“点火”控制输出，则上位机工程师/操作员站监控显示“火焰检测报警”。

若在点火装置与天然气阀同时运作的5秒内，火焰探测器没有检测到火焰信号，说明火没点着，则不输出24VDC，根据控制程序设计要求，天然气电磁阀关闭。