无线通信技术在发电厂输煤程控系统中的应用研究

袁 清

（阳城国际发电有限责任公司，山西 晋城 048102）

1 基于无线通信技术的输煤程控系统设计

在某火电厂的输煤程控系统中，配煤部分与上煤部分通过热备S7-400HPLC 加ET200 站方式进行控制。该PLC 是西门子公司所研发的可编程控制器产品，其数字量以及模拟量I/O 十分丰富，且所有的SIMTIC 部件都可以通过STEP7 来实现硬件组态以及通信连接组态，并有着参数设置以及可编程的功能，其逻辑控制器有着极高的性能和可靠性。

该火电厂的输煤程控系统可以按照三层来进行划分，一层是生产管理层，也就是输煤控制室，二层是现场控制层，也就是PLC 控制站，三层是就地控制层，也就是远程I/O 控制系统。借助于PLC 系统，可以对现场的何种数据进行采集，然后再借助于工业以太网将这些数据传输给中心控制室，集中控制室的计算机可以对这些数据进行集中的监控和管理。

因为系统设备有着很强的干扰性和连锁性，且设备十分分散，所以该火电厂设置了一个控制主站和多个I/O 控制分站，主站应用的是S7-400HPLC 控制系统，I/O 控制分站包括输煤控制楼、碎煤机室站（2 号）、1号远程站以及煤仓远程站（3 号），这些分站主要采用的是ET200 分布式的I/O。在这个系统中，现场设备主要包括皮带保护信号、卸料小车以及皮带传动设备等，当现场设备的信号进入到附近I/O 远程控制分站时，借助于PROFIBUS-DP 总线网络的设置冗余，就可以与系统的主站进行通信，通过这样的方式，可以大量减少I/O 的接线数量。这样就可以将系统主站作为控制中心，将配煤以及上煤等的过程组成一个远程监控网，进而实现对该系统中所有设备的集中管理与分散控制。

为保障系统的稳定性和安全性，主站的PLC 系统采用了互为热备用的机架结构，并借助于光纤来进行数据的同步更新和保存。在该系统中，输入模块和输出模块主要控制数字量和模拟量的输入与输出。可以将这些模块统称为信号模块，其数字量与模拟量的输入输出参数如表1 所示。

表1 数字量与模拟量的输入输出参数

在该系统的接口模块中，应用了6ES7153-02B01-0XBO，表2 就是该系统的I/O 点配置表。

表2 I/O 点配置表

由表2 可知，在该系统中，数字量I/O 点以及模拟量I/O 点都有着很低的负载率，因此在设计过程中可以不将其作为考虑的重点。在进行S7-400HPLC 控制系统的应用过程中，只需要对RAN 的存储容量加以重点考虑即可。表3 是该系统内存使用情况的统计数据。

表3 系统内存使用情况统计数据表

在该PLC 系统中，CPU 的RAM 储存是1 400 KB， 同时，系统也可以插入8 MB 的微储存卡来进行扩容。通过表3 可以看出，该PLC 系统需要的内存总量为784.8 KB，占用的容量比例非常小，可有效保障系统的稳定可靠运行。因此，在系统的设计过程中，根据其控制对象，并考虑到系统的通用性、经济性与先进性，最终选择了如下设计方案，即将S7-400HPLC 系统作为主站控制系统，将STMTIC ET200 I/O 系统作为远程站的控制系统。因为S7-400HPLC 系统是一种模板式的系统结构，所以在实际的应用过程中，可以按照实际的需求来进行模板扩展，如电源模板的扩展、信号模板的扩展、中央处理器的扩展、功能模板的扩展以及通信模板的扩展等，并通过继电器来隔离开关量输入和输出，通过隔离器来隔离模拟量输入和输出。

在该系统的管理层中，应用了ifix5.8 作为上位机组态软件，并使之与冗余的工业以太网之间进行连接，以此来对各个设备进行实时监控。通过ifix5.8组态软件，不仅可以实现设备的监控以及数据的采集，也可以实现组态、OPC 以及脚本语言等的先进技术。工业以太网是专门为工业应用所设计的一种以太网，其有着极强的抗干扰能力，通过标准导轨的应用，可以为各种网络拓扑结构的组成提供便利。根据实际的通信距离，可以将光纤或者是屏蔽双绞线作为工业以太网通信介质，其自适应的传输速率可以达到10 Mb/s 到100 Mb/s。同时，该工业以太网的扩充性也十分良好，可以借助于相关的网络设置或交换机来实现SIS 网或MIS网的连接，进而让各个设备的信息得到集中的管理与 监控。

在该系统的控制层中，主要应用的是双网双缆冗余的PROFIBUS-DP 作为系统网络，以实现对主机和现场总线的通信控制。在该网络中，各个节点之间的传输距离最远可以达到1 000 m，是专门针对工业控制现场层所设计的网络系统。通过这个网络系统，可以实现大容量信息数据的传输，其数据传输的最大速度可以达到12 000 kb/s，远远大于其统计的传输量。

2 基于无线通信技术的输煤程控系统软件设计

2.1 控制程序组态设计

在本次所研究的火电厂中，输煤程控可以按照输煤以及配煤这两个部分来进行划分和实现。根据该火电厂的实际需求以及现场的设备，在本次系统的设计之中，对现场的所有设备进行了详细合理的划分，并实现了远端I/O 控制站的就近设置，按照多个流程来进行输煤线路的划分，以此为上位机操作提供出更大的便利。为保障集控运行的需求，在设备之间进行了连锁位的设置，进而使其连锁得到合理控制，并将中间变量设置在了PLC 程序之中，以实现多种的控制方式。在配煤过程中，煤流走向通过犁煤器抬落来控制，同时可以根据高料位开关以及煤仓料位置所提供的反馈来进行犁煤器和煤仓等的合理设置，进而实现配煤自动化控制。通过这样的方式，就可以让系统中的各个控制站实现共同的操作管理与控制，如设备的正常启停、故障急停、安全互锁、报警、报警信息的采集以及上位机数据的通信和备份等。

2.2 上位机画面的组态设计

在本次所研究的输煤控制室中，采用了两台上位机对输煤系统进行集中的监测与控制，其中的一台上位机设置在了操作员站，另一台设置在了工程师站。在该系统的上位机主画面中，主要包括流程路径和控制方式的选择、紧急情况的连锁和停车等很多个选择按钮。通过上位机，不仅可以将电机以及各个系统运行的情况显示出来，也可以将其实时的运行参数以及报警等信息显示出来，还可以对不同的运行方式进行选择与切换，并实现手动或者是自动化的操作。在该系统的人机交互界面设计中，人机交互可以通过ifix5.8来实现。在具体设计过程中，首先实现系统数据库的建立，并将系统中的开关量以及模拟量等的数据存储到系统的历史数据库中，借助于编程来实现各种历史报警的查询，然后就可以绘制出系统的静态工艺画面。最后，可以借助于数据链接来实现动态链接的建立，进而使系统数据库中的数据和静态工艺画面之间实现动态的连接。在具体的应用过程中，操作人员可以借助于先导，按照设备、时间段或者是数据类型等的方法来实现历史数据库的查询。

3 系统应用过程中的实时性与可靠性解决方法分析

3.1 实时性

在该系统的应用过程中，为了实现数据的无线实时通信，将现场的控制需求作为依据，将斗轮机的无线控制系统通信周期设计为380 ms。在斗轮机中，如果PLC 系统的开关量信号出现变化，斗轮机之中的PLC 将会立刻借助于无线通信装置将采集到的数据打包并传输到主站。在打包的过程中，需要通过CEC 对打包的数据进行校验，这样才可以保障数据的准确性。当输煤主站的PLC 系统接收到了打包数据之后，会立刻进行数据包的解包，然后将相应的数据信号传输到PLC 开关量控制卡，让相关的控制为强置为1 或者是复位为0，这样就实现了对继电器输出动作的控制，进而实现对现场设备的控制。在接收到主站发来的应答包之后，才表明本次的通信成功。在该系统中，一次通信总时间为170 ms，各个流程之中的具体时间参数如表4 所示。

表4 一次通信之中各流程时间参数表

因为计算延时需要10 ms 的时间，发送方的超时等待需要200 ms 的时间，所以总的通信时间是380 ms。 在本次所研究的这个系统中，因为斗轮机以及输煤皮带的信号连锁对于时间并没有太过苛刻的要求，所以本次系统设计的通信时间可以与系统控制信号的实时性传输需求相符。

3.2 可靠性

在系统中分别进行了断电报错以及上电告知程序的设计，通过这两个程序，可以对各个斗轮机数据传输电台从站以及输煤主站数据传输电台主站的通信状态进行协调控制。如果系统出现了断电故障，UPS 电源可以继续为系统供电，使其维持30 min 的正常运转。在这一时间段之内，系统中的断电报错程序就会一直处于执行状态。由于断电发生，将会让PLC 中的某一个输入点复位，进而让本站的PLC 判断系统随之断电，然后将这个断电信号发送到对方站。在接收到断电站发来的断电信号之后，对方站会给断电站发送一个响应的信号，并进入到故障状态中。在断电站接收到对方站发来的响应信号之前，断电站将会持续进行数据信号的发送，直到结束超时为止。

如果断电站并没有收到对方站的响应信号，系统会自动进行断电信号的重新发送，若一直收不到对方站发来的响应信号，就说明这个系统已经不能正常运行。如果数据传输电台断电或者是对方的数据处理控制单元未开启，系统将自动发出报警，以提示操作人员对这些问题加以及时解决。如果没有数据传输，输煤系统的数据传输电台主站会定时给斗轮机电台发送一个检测信号，使其对系统的运行状况进行检测。

4 结 论

在火电厂的输煤程控系统之中，无线通信技术的应用可以有效解决传统输煤程控系统的问题，提升现场信号传输的效率和稳定性，满足火电厂输煤系统的生产需求。因此，本文通过具体的实例对无线通信技术在火电厂输煤程控系统之中的应用进行分析，研究了系统的设计与软件设计，并分析了系统实际应用之中的相关问题与解决方案。希望本次的分析可以对该技术在火电厂之中的应用提供相应的参考价值。