基于PLC的输煤控制系统设计及典型故障分析

金崇伟,黄　峰

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411104)



基于PLC的输煤控制系统设计及典型故障分析

金崇伟1,2,黄峰1,2

(1.湖南工程学院 电气信息学院，湘潭 411104；2.湖南省风电装备与电能变换协同创新中心，湘潭 411104)

利用施耐德Qunatum PLC设计了温州电厂大型输煤控制系统，包括主机模块、电源模块、通讯模块等.研究输煤控制系统的典型故障，针对调试过程中出现的具体故障，提出解决方案.经实际运行，控制系统工作可靠、运行良好，提高了效率，实现了设计要求.

输煤系统；PLC；中继器

0　引　言

输煤系统是传统火力发电厂的重要部分，其控制系统的先进性、可靠性对于火电厂的安全、高效运行起关键作用[1].传统输煤系统通常采用继电器作为逻辑元件，控制精度差、效率低，难以满足火电厂生产的需要[2].本文基于温州电厂输煤系统，利用施耐德的Qunatum系列PLC，设计了输煤控制系统.实际运行表明，系统具有良好的电气质量，能显著提高生产效率和工作精度.分析了输煤控制系统的典型故障，针对运行中出现的通讯故障，给出了解决方案，实际运行表明，达到了设计要求.

1　系统方案

输煤系统由输煤皮带机、滚轴筛、碎煤机、犁煤器、除尘器、煤采样机、电子皮带秤、除铁器等设备组成.输煤控制系统主要采用程控和就地两种控制方式.从提高效率、安全性考虑，通常采用程控方式.就地控制一般在具体设备要进行专门维修或者试验时选用.

设计了基于PLC的输煤控制系统，如图1所示.系统包括上位机监控管理层，PLC控制层以及现场设备层.在PLC控制层，各子站之间采用光纤通信.输煤方式通过PLC软件编程实现，具有分散控制、集中管理、构建灵活、组态方便以及高可靠性等突出优点.

控制系统主要由电源柜、程控柜、电脑、上位机监控系统、PLC系统构成.输煤系统在主控室和远程站分别配置电源柜和程控柜.柜子采用下进线方式.电源柜主要用于实现程控电源的变换及切换.电源柜内包括：交流电源切换器，直流电源.从现场引入不同两路AC220V电源至电源柜交流电源自动切换分路器.平时一路工作，一路备用，可以通过手动切换，也可在工作电源消失情况下自动切换.如其中任意一路失电时能立即切换到另一路，切换时间满足现场需要.程控柜上安放PLC机架、模块，下面安放继电器或隔离器.为了满足输入、输出驱动电流较大的要求，提高系统抗干扰能力，同时可对I/O模块进行保护，全系统输入、输出信号均采用继电器隔离.继电器为日本欧姆龙公司产品.

输煤系统的上位机布置在主控室内.上位机监控系统采用InTouch HMI软件.与PLC柜之间采用双以太网通讯，通讯介质为超五类双绞线.

采集信号包括输煤系统各种数字量信号：拉绳保护、跑偏保护、拉紧保护、输煤电机温度保护、高煤位信号、堵煤信号、犁煤器位置信号等.模拟量信号：速度保护、电机电流保护等.数字量信号经就地控制箱转接，再输入数字量模块.采用继电器隔离.模拟量信号经变送器转换成4～20 mA电流信号输入模拟量模块.

图1　系统结构图

输煤控制系统的中心是140CPU67160主机.上位机作为人机接口设备，将现场的各种信息反映在显示器上，并将操作员的各种指令传入主机，以实现对现场设备的控制.

采用施耐德的Qunatum系列PLC，如图2所示.编程软件采用UnityPro.UnityPro是一种基于Microsoft Windows环境的编程工具，提供包括FBD、LD、SFC、IL、ST等多种编程语言的单一开发环境，用于生成控制系统程序.

系统模块包括：

140CPU67160主机模块：系统采用施耐德公司的Quantum型控制主机140CPU67160，采用双机热备方式，采用双工冗余电缆来提高系统通讯的可靠性.

140CPS11420电源模块：电源模块包括PLC系统的主机、通讯模块、I/O模块提供所需的直流电源.输入交流220 V/110 V，输出DC 5.1 V.安装在机架的第一个槽位上，便于散热.

图2　输煤系统可编程控制器组成

140NOE77101以太网模块：以太网络通讯模块提供10/100 M自适应RJ45以太网络接口，可以连接到以太网络交换机，供上位机、辅机网络系统与PLC通讯使用.

140CRP93200及140CRA93200通讯模块：远程I/O是PLC的一部分, 它安装在远离主机的远程站内，通过140 CRA93200远程I/O适配器和主控室的140CRP93200 I/O处理器进行通讯.远程站和主机的最大通讯距离可达4.5 km，通讯速率为1.544兆波特.远程I/O处理器支持单根或双根(冗余)电缆，采用冗余电缆可有两根电缆同时传送数据,使用中只采用第一根电缆的数据，但对两根电缆的通讯数据作检验.

140NRP95400光纤中继器模块[3]：光纤中继器模块通过多模光纤介质在两个或多个 RIO 节点或网段之间进行通讯.每个中继器都包含一个 RIO 电气接口和两个光纤收发器.

I/O模块:开关量输出模块选用140DDO353000型模块，每模块为32点输出；模拟量输入模块选用140ACI04000型模块，每模块为16路输入；热电阻输入模块选用140ARI03010，每模块为8路输入.在所有现场设备和开关量输出模块通道之间安装有隔离继电器，用以将现场电气回路和控制回路完全分开.保护了控制模块，提高系统抗干扰能力.

2　输煤机控制器典型故障及解决方案

输煤系统典型故障有胶带跑偏、输煤廊道粉尘超标及皮带烧损等[4].控制系统故障又可分为软件故障和硬件故障两大类.软件故障通常由于程序编译不合理造成，可以重新修改程序并重启PLC，排除故障.硬件故障又分为内部故障和外部故障.内部故障是由于PLC本身硬件损坏，这可以从硬件本身的指示灯F灯亮来判断.或者是外部确定有输入信号，而程序检测不到输入信号(输出模块检测亦同)，这时可以确定为某一个I/O点损坏，这两种情况下都是要更换硬件模块.通信线问题会造成PLC各个模块或者各子站之间通信故障.

在温州电厂输煤控制系统实际调试过程中，遇到故障如下：上位机显示#5号站所有信号(煤位信号以及犁煤器位置信号)时有时无，其它分站信号正常，所有PLC分站通讯模块CRA显示B路通讯故障.这些故障并不影响输煤系统整体运行.

原因分析及故障排除：

#5号站所有信号丢失，首先怀疑#5号站电源模块问题，因为电源问题会造成整个站的输入信号丢失.现场长时间观察发现，输入继电器无闪动现象，这表明现场的输入信号很稳定，排除电源原因.查看煤控上位机#5号站的通信状态字，发现通信状态字在变化.正常情况下此连接运行正常，则显示为1，如果PLC和子站之间的连接出现故障，则此位显示为0，而现在是0、1变化.这表明#5号站与PLC主站的通信出现中断[3].返回#5号站查看NRP中继模块，NRP中继模块运行正常，光纤盒的光纤、光缆无扭曲或破损现象，但通信模块CRA显示B路故障，A路正常，联系故障现象，可以基本排除通讯模块CRA问题.查看系统结构图，发现#5号站是#3号站的延伸，因为#5号站的信号必须通过#3号站的NRP中继模块才能与PLC主站通信.在#3号站，发现#3号站的NRP中继模块与光纤盒之间的光纤成90°弯曲，并且表面有破损现象，但未伤及光纤内部.更换NRP中继模块与光纤盒之间的4根光纤后，发现所有PLC分站通讯模块CRA显示B路通讯正常，上位机显示#5号站所有信号无闪动，上位机查看#5号站的通信状态字也显示正常.至此故障解除.

结论：光纤不同于电信号传输线，它有许多优点如传输稳定、不受外部干扰，但是光纤内部是玻璃或塑料纤维，扭曲或强受力会造成内部损坏，而外表不易发现.所以在安装的时候尽量让光纤处于自然状态，避免成90°弯曲或强受力状态.

3　总　结

输煤控制系统稳定可靠，已经成功运行.在设计阶段充分考虑了系统的稳定性和可靠性，采用PLC系统和上位机监控软件，方便实现输煤设备的远程控制和实时数据读取，改善了输煤系统自动化程度，提高了输煤的效率.在调试过程中出现的通讯故障，得到解决，可为同类故障排除提供参考.

[1] 王航宇. S7-400H在输煤控制系统中的应用研究[J].自动化与仪器仪表,2015(1):139-141.

[2] 韩冰. PLC在火电厂输煤系统中的应用[J].煤炭技术,2014,33(2):38-40.

[3] 施耐德电气. Modicon140NRP95400光纤中继器模块用户指南[M]. 2011,11.

[4] 闫学伟. 输煤系统常见设备故障检修与治理[J]. 科技视界, 2014,32:104-105,125.

A Design of PLC Control System of Coal Handling and Its Fault Analysis

JIN Chong-wei1,2,HUANG Feng1,2

(1. College of Electrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;2. The Cooperative Innovation Center of Wind Power Equipment and Energy Conversion, Xiangtan 411104, China)

A PLC control system of coal handling by using Schneider Qunatum PLC is designed. The system includes main module, power module and communication module. Some faults of the control system are also stadied. A solution to an actual system of communication failure is proposed. Practical operation shows that the control system runs well and meets the design requirements

coal handing system; PLC; fiber optic repeater

2016-03-09

湖南省教育厅科研资助项目(15K03214k029).

金崇伟(1984-)，男，硕士研究生，研究方向：PLC控制.

TM621.6

A

1671-119X(2016)03-0017-03