基于西门子S7-1200 的苞谷山瓦斯电站机组自动化升级改造

钟漍标，何俊明，黄 诚

（1.广东宏大欣电子科技有限公司，广州 510003；2.广东水利电力职业技术学院，广州 510630）

随着能源需求的不断增长，煤炭等传统能源的开采和利用已成为全球能源供应的重要来源，而煤炭开采和利用过程中产生的瓦斯等有害气体不仅对矿工的生命安全造成威胁，还对环境造成了严重污染，因此瓦斯的利用已成为煤炭行业的重要课题。苞谷山电站位于贵州省盘县苞谷山，是一座以煤矿瓦斯为燃料的发电站，电站一期规模为6 台700 kW 等级低浓度瓦斯发电机组，于2014年6 月投产发电；二期为2 台700 kW 低浓度淄柴瓦斯发电机组，于2018 年6 月份投产发电。随着时间的推移和技术的发展，苞谷山瓦斯发电站的控制系统已经逐渐老化，存在控制系统功能单一，无法实现远程集控和自动化控制；瓦斯流量和浓度测量不准确，影响发电机组的运行效率和安全等问题[1]。

1 项目意义

为了提高苞谷山瓦斯发电站的生产效率和安全性，须对其自动化控制系统进行升级改造。以达到实现远程集控和自动化控制，打造区域标杆示范瓦斯发电示范项目，树立贵州新能源发电品牌的目的。

2 苞谷山瓦斯电站控制系统升级的总体要求

针对现在苞谷山瓦斯电站的设备稳定性差、生产效率低下、安全性弱的情况，对整个控制系统进行重设改造，包含控制策略升级和网络拓扑设计、现场硬件改造和升级、系统管理软件设计等，本项目选用西门子S7-1200 的PLC 作为控制核心，要求进一步实现系统操作简便、集控互联、技术先进和功能稳定等要求，其系统架构图如图1 所示。

图1 苞谷山瓦斯电站自动化升级改造项目总架构图

3 苞谷山瓦斯电站控制策略升级和网络拓扑设计

瓦斯电站改造升级工作完成后，数据接入贵州公司集控中心的远程监控系统并实现对电站设备的远程监视和最优控制等功能，满足用户对远程集控系统软件二次开发功能需求。实现就地监控中心及远程集控中心对电站机组及辅助系统满足电站无人值守、一键启停、设备单操、设备运行顺控、设备自动、设备电气联锁保护、设备工艺过程调节策略、设备最优化运行、设备故障统计分析、电站日常报表统计分析和设备状态监测与预警等生产数据统计分析功能[2]。

3.1 单机本地控制模式

3.1.1 开机控制流程策略

PLC 控制主要控制单元采用西门子公司的S7－1200系列，增加数字量和模拟量输入输出模块，配合电力智能仪表、各温度传感器、压力传感器、氧浓度传感器、速度传感器和瓦斯流量计等，实现闭环控制和检测。启动控制过程包括合上启动电源，启动冷却水系统，预先供给润滑油，监测启动电机，从PLC 向发电机控制器发送启动信号，执行启动控制，并在参数指标达到要求时并网合闸。其具体控制策略如图2 所示[3]。

图2 开机控制流程策略

3.1.2 停机控制流程策略

正常停机时，断开发电机出口开关，按下停车按钮，发电机组自动减速，怠速运行1 min，关闭进气电动阀，打开本机组排空阀，停车结束。

当机组发生飞车或者瓦斯泄漏等紧急情况，运行人员可通过按下运行机组急停按钮停机，或由程序控制启动紧急停车流程，速度停机，关闭进气阀，根据事态监测数据反馈情况，打开排空阀，以保障发电厂运行安全。其具体控制策略如图3 所示[3]。

图3 停机控制流程策略

3.2 本地集控模式

本地集控室用一台西门子S7－1500 PLC 系列的CPU 为载体，采用PROFINET 协议与就地控制柜中S7-1200 PLC 通信，由S7－1500 PLC 采集各台发电机组就地控制柜中S7-1200 PLC 所采集的数据并存储、计算、数据处理。本地工程站服务器与西门子S7－1500 PLC 通信，进行计算、数据处理，实现监控、远程操控目的。电站监控室集控中心可控制本电站所有发电机组，包含监控功能、操控功能、数据查询打印功能、数据采集和处理功能、DCS模拟量控制功能、顺序控制功能和保护及报警功能。其网络拓扑如图4 所示。

图4 本地集控中心网络拓扑图

3.3 远程集控模式

远程集控中心拥有本地集控室的所有功能，只是操作优先级要次于本地集控室。远程通信可采取租用电信光纤专用通道、利用4G 或5G 网络，自行组建无线网络。包含就地侧的数据基站、远程监控程序（APP、大屏、电脑端）、云服务（机组远程优化、诊断、分析等），包括掌上APP 等。通过工程师站将发电机的油温、缸温、瓦斯浓度、燃气压力及电机转速和状态等数据通过网络上传到盘州及贵阳集控中心，可通过智能终端如手机、电脑、平板等通信设备按权限等级访问数据。为了保证通信的可靠性和安全性，需增添对数据加解密算法和CRC 沉余校验。工程师站服务器与集控中心服务器之间通信采用数据加解密处理，在满足政府、电力等部门网络安全标准要求的基础上，保证数据通信的实时性。被控设备，在一些关键机构或关键位置，要有反馈回路，形成闭环回路，与其他相关联的部件形成联锁控制机制，提升了设备的可靠性和安全性，以此来提升网络安全防护级别。其网络拓扑如图5 所示。

图5 集控中心与电站的网络拓扑图

4 控制系统升级

粤电集团贵州有限公司苞谷山、中纸厂和老洼地瓦斯发电机组技术改造后的就地控制系统，通过专用控制模块将实时数据等信息提供人机对话监控系统界面，人机对话监控系统可以显示瓦斯发电机组的实时运行数据。控制系统在自动运行模式下运行时，所有运行参数无须人工调节，全部由控制系统自动调节；控制系统在手动模式下运行时，发电机组工况根据现场情况需要人工调节来保证发电机组在最佳工况下运行，就地控制系统与电站监控中心和远程集控中心通信协议采用PROFINET或MOUDBUS 工业以太网进行组网。

就地控制系统采用S-1200 PLC，通过搭载模拟量和数字量扩展模块及RS485 通信模块电压电流、压力、流量和温度等，以及各类传感器的信号采集，通过PLC 程序实现对输出对象阀门、电动阀、电磁阀、比例阀、继电器、伺服系统和变频系统的控制，在就地通过HMI 实现对系统的控制，在多个机组之间、多个PLC之间可以实现数据的交互，实现对机组运行状态（正常运行、停止运行等）、机组手动控制、机组自动控制、累计运行小时数、累计发电量、当前发电量、三相电流、相间电压、功率因数、发电机转速、发电机功率、平均缸温、平均排温、油温、水温、滤前油压、滤后油压、滤网前后油压差、主油道机油压力、增压器油压、涡前温度、涡后温度、最优缸温、空气反馈或空气阀门开度、燃气反馈或燃气阀门开度、节气门开度、高负压浓度、低负压浓度、混合浓度、混合流量、流量、温度、压力和振动等的监控[4]。其PLC 控制系统改造示意图如图6 所示。

图6 PLC 控制系统改造示意图

5 系统控制程序和管理程序设计

5.1 S7-1200 PLC 和HMI 程序设计

S7-1200 PLC 程序针对实际应用功能分成操作系统程序、IO 数据分析程序、Modbus 通信程序、连锁与测量程序、空燃比控制程序、控制逻辑程序和对象控制程序，在工艺对象中设计了5 路的伺服阀门的PID 控制，设计了PID 缸温调节、PID 余氧调节、PID 功率调节、PID 速度调节和PID 压力调节等，人机界面则开发了手自动模式界面、参数设置界面、调节燃气空气阀门开度界面和查询点电量数据记录界面等共21 个界面[5]。HMI 部分可视化界面如图7 所示。

图7 HMI 部分可视化界面

5.2 远程集控程序设计

远程集控程序设计以vue2.6 作为基础技术架构，同时使用vuex 进行数据的管理；采用antdesignUI 对UI 界面进行布局，图表采用了主流的echarts 作为支持、视频监控主要采用了flv.js 技术进行实时展示监控画面，首页大屏展示采用了组件化处理技术，实现后台配置生成组件，每个图标可采用后台配置快速生成图标，实现低代码、高复用的快速配置方式；使用了MQTT 协议进行链接数据的读写，可以实现数据的高频刷新；使用了axios.js技术实现与后端的下发指令进行交互，可做到快速下发指令，并快速获得下发成功与否的反馈。远程集控中心看板如图8 所示。

图8 集控中心看板

6 结束语

改造项目实施后，能在电站现有自动化控制水平的基础上，显著提高苞谷山电站机组就地控制系统自动化控制水平，能在电站及集控中心全面监视和控制电站内机组设备及其辅助系统，实现对瓦斯机组及其辅助系统的最优安全稳定运行调节和各类报表报送、故障报警及查询、异常事件记录、各类操作记录、自动联锁、顺序控制、模拟调节、单操、历史数据、实时无延迟数据通信和就地远方一键启停等，从而实现瓦斯电站少人值守目的，有效提高自动化水平，推动瓦斯行业发展，提高社会影响力。