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【摘 要】对大型电厂灰库系统的原控制系统德国SIMENS公司生产的S5-115U控制系统进行升级改造，并探讨在机组不停役的情况下完成的工作过程。本文介绍了该控制系统改造技术方案、控制系统中的硬件配置、网络配置及软件编制以及实施流程。
【关键词】PLC控制；改造；技术方案
南阳鸭河口电厂一期工程装机2X350MW汽轮发电机组，配套锅炉为W火焰，亚临界参数，一次中间再热、控制循环、燃煤汽包炉，其结构为单炉体，Π型，露天布置。灰库控制系统现采用德国SIMENS公司生产的S5-115U系列PLC可编程控制器，“控制台+PLC+模拟屏+报警盘”和现场手动操作形式对灰库全过程进行控制。在操作间设有一模拟屏，屏上刻画出了灰库区的设备及工艺流程图，控制台安装了大量的开关和按钮，当前工艺过程状态通过操作屏上的指示灯进行显示，设备、功能组的启停全部通过控制台上开关和按钮控制。灰库料位模拟量通过智能数字式仪表显示。
1.现PLC系统及设备概况
灰库控制系统S5-115U系列PLC已运行多年，进入老化故障期。控制系统出现不稳定现象，严重影响了灰库区设备的正常运行，直接威胁到两台机组的安全经济运行。为恢复控制设备的可维护性、兼容性和可扩展能力，消除设备这些方面的不稳定对正常生产的影响和隐患，需要对现有控制系统进行改造升级。
2.常规改造存在的问题
2.1 灰库控制系统的改造施工，按常规的施工方法，为了保证运行设备的安全，必须将全部灰库系统的设备全部停运后，才能进行设备的安装和接线工作。
2.2 南阳鸭河口电厂一期工程#1、#2机组共用一套PLC控制系统而根据当前的发电形式，不可能两台机组同时停役给改造工作创造必要的条件。
2.3 在改造工作调试過程中，会对灰库控制系统带来安全上的影响，进而影响运行机组的安全运行。
综合上述，灰库控制系统升级改造难度很大，且存在较多不确定因素，如果施工处理失当，会极大影响电厂运行机组的安全稳定运行。
3.改造工程的技术方案
对原有控制柜进行整体升级替换，全新更换对整个控制系统的性能有保证。设备更新以控制柜端子为界，柜外保留不变，柜内全部更新。新设备的功能不变，工艺原理和操作习惯立足原有规范，并根据积累的经验进行更新设计升级。
灰库控制系统改造对SIMENS公司生产的S5-115U系列PLC彻底拆除，保留控制柜及外围设备（如电源和继电器柜）。现有的“控制台+PLC+模拟屏+报警盘”和现场手动操作的控制模式更改为 “PLC+上位机监控站CRT”的控制模式，保留必要的现场手动操作。
3.1PLC
根据设备的工艺性能要求，采用当前较为先进并经济型SIMENS公司生产S7-300系列PLC产品。使用3个独立的PLC，各自独立的控制每个灰库及其相关设备，公用辅助系统的设备分别根据功能分配到每个PLC中完成控制，这样设计的优点在于，一是当一个PLC故障时，仅影响一部分灰库设备，而其它设备仍能够保证正常运行，从而不影响整个机组的正常除灰除渣。二是为了检修维护控制系统的需要，可以分别停电进行检修，而不影响发电机组除灰系统的正常运行。
3.2CRT
人机界面提供更完备的信息提示和反馈，更方便的操作，界面全部中文化（图2）。
灰库区所有受控（受PLC控制）设备，在上位机CRT上能实现单独手操与自动运行方式，自动运行方式下各子系统画面设计程控开启/停止按钮实现子系统功能组运行启动/停止功能，并能实现声音报警功能。
3.3上位机系统
上位机系统主要由两台工控机组成，2台为工程师站兼操作员站，操作系统为Windows XP，控制软件为PCS7 V610 SP2，并安装WinCC6.1版。
两台工控机通过西门子的CP343-1 NEW用于S7300 PLC到PROFINET，作为I/O控制器接连到现场I/O设备。操作员站主要供操作使用，在界面上显示各种实时运行参数，对各种控制设备的运行状态和运行参数进行调整，对现场的电机和电动、气动控制阀进行控制。工程师站用于系统工程师进行系统维护、实现程序修改、系统运行状态监控、用户登录管理、用户权限分配等。
3.4网络通信配置
整个控制系统的通信采用三层网络进行数据交换。最上层是操作层，为操作终端网；中间层为控制层，为设备主干网， 它是高速工业以太网（10/100Mbps）；底层为I/O层，为现场总线，采用Profibus2DP通信协议。其中设备主干网为整个系统的骨干网。主要负责控制器之间、控制器与监控系统之间的数据交换。设备主干网采用快速以太网，支持TCP/IP协议。
3.5软件编制
系统的组态软件为SIMATIC Manager，所有的组态工作均在工程师站上完成。系统采用集中的、从上到下的组态方式，过程控制与监视的组态采用的是图形化组态，方便易用。人机接口部分的组态软件是WinCC，如图3所示。
过程控制与监视的组态包括硬件系统搭建、控制策略实现、各种记录配置、报表生成及数据归档。I/O卡件采集现场数字量和模拟量信号，经过PCS7 的驱动块处理， 通过监视块传送给上位机WinCC， 用于WinCC画面进行监控。
4.具体实施流程
根据灰库区系统的运行情况，在#2机组大修时一座灰库可满足 #1机组运行的要求。3座灰库可分别停运，进行控制系统改造。每座灰库控制系统改造调试结束且相关设备投入正常后，再进入下一座灰库控制系统的改造，从而不影响机组的安全运行。
5.本技术方案的优点
1）可以在机组不停役的情况下实施改造方案，从而使改造工作不影响电厂的经济效益。
2）在进行控制系统安装调试时，可以逐座灰库进行，从而不影响电厂机组的运行。
6.实施改造方案的安全注意事项
1）在施工实施前应充分摸清原PLC控制柜各控制单元的接线情况。
2）在原PLC控制柜进行拆、接线工作时应做好相临运行设备的安全措施。如拆下的线头用绝缘带临时包扎并做好标记，对运行的设备作好警告标志等。
3）在控制电缆施工时应注意对运行设备的保护。
4）在分系统进行调试时应密切注意对其他运行系统的影响。
7.结束语
1）改造后新程序不仅成功地解决了原系统存在的安全隐患，又保证和完善了各种联锁保护逻辑，并结合上位机组态，实现更加灵活的运行方式和更为直观的操作监控。增加了实时趋势图显示功能、操作历史查询及历史数据查询功能、完善了报警系统及增加报警历史（追忆）查询功能、增加了逻辑在线修改、另外实时逻辑监视使用十分方便。
2）成功地解决了原系统存在的安全隐患，和改造前相比，改造后提升灰库控制系统的自动化程度、大大降低了灰库控制系统的故障率和潜在危险，提高了锅炉安全运行的稳定性，系统便与升级、运行方式灵活、维护方便，同时也为以后的技术改造工作提供了经验。
【关键词】PLC控制；改造；技术方案
南阳鸭河口电厂一期工程装机2X350MW汽轮发电机组，配套锅炉为W火焰，亚临界参数，一次中间再热、控制循环、燃煤汽包炉，其结构为单炉体，Π型，露天布置。灰库控制系统现采用德国SIMENS公司生产的S5-115U系列PLC可编程控制器，“控制台+PLC+模拟屏+报警盘”和现场手动操作形式对灰库全过程进行控制。在操作间设有一模拟屏，屏上刻画出了灰库区的设备及工艺流程图，控制台安装了大量的开关和按钮，当前工艺过程状态通过操作屏上的指示灯进行显示，设备、功能组的启停全部通过控制台上开关和按钮控制。灰库料位模拟量通过智能数字式仪表显示。
1.现PLC系统及设备概况
灰库控制系统S5-115U系列PLC已运行多年，进入老化故障期。控制系统出现不稳定现象，严重影响了灰库区设备的正常运行，直接威胁到两台机组的安全经济运行。为恢复控制设备的可维护性、兼容性和可扩展能力，消除设备这些方面的不稳定对正常生产的影响和隐患，需要对现有控制系统进行改造升级。
2.常规改造存在的问题
2.1 灰库控制系统的改造施工，按常规的施工方法，为了保证运行设备的安全，必须将全部灰库系统的设备全部停运后，才能进行设备的安装和接线工作。
2.2 南阳鸭河口电厂一期工程#1、#2机组共用一套PLC控制系统而根据当前的发电形式，不可能两台机组同时停役给改造工作创造必要的条件。
2.3 在改造工作调试過程中，会对灰库控制系统带来安全上的影响，进而影响运行机组的安全运行。
综合上述，灰库控制系统升级改造难度很大，且存在较多不确定因素，如果施工处理失当，会极大影响电厂运行机组的安全稳定运行。
3.改造工程的技术方案
对原有控制柜进行整体升级替换，全新更换对整个控制系统的性能有保证。设备更新以控制柜端子为界，柜外保留不变，柜内全部更新。新设备的功能不变，工艺原理和操作习惯立足原有规范，并根据积累的经验进行更新设计升级。
灰库控制系统改造对SIMENS公司生产的S5-115U系列PLC彻底拆除，保留控制柜及外围设备（如电源和继电器柜）。现有的“控制台+PLC+模拟屏+报警盘”和现场手动操作的控制模式更改为 “PLC+上位机监控站CRT”的控制模式，保留必要的现场手动操作。
3.1PLC
根据设备的工艺性能要求，采用当前较为先进并经济型SIMENS公司生产S7-300系列PLC产品。使用3个独立的PLC，各自独立的控制每个灰库及其相关设备，公用辅助系统的设备分别根据功能分配到每个PLC中完成控制，这样设计的优点在于，一是当一个PLC故障时，仅影响一部分灰库设备，而其它设备仍能够保证正常运行，从而不影响整个机组的正常除灰除渣。二是为了检修维护控制系统的需要，可以分别停电进行检修，而不影响发电机组除灰系统的正常运行。
3.2CRT
人机界面提供更完备的信息提示和反馈，更方便的操作，界面全部中文化（图2）。
灰库区所有受控（受PLC控制）设备，在上位机CRT上能实现单独手操与自动运行方式，自动运行方式下各子系统画面设计程控开启/停止按钮实现子系统功能组运行启动/停止功能，并能实现声音报警功能。
3.3上位机系统
上位机系统主要由两台工控机组成，2台为工程师站兼操作员站，操作系统为Windows XP，控制软件为PCS7 V610 SP2，并安装WinCC6.1版。
两台工控机通过西门子的CP343-1 NEW用于S7300 PLC到PROFINET，作为I/O控制器接连到现场I/O设备。操作员站主要供操作使用，在界面上显示各种实时运行参数，对各种控制设备的运行状态和运行参数进行调整，对现场的电机和电动、气动控制阀进行控制。工程师站用于系统工程师进行系统维护、实现程序修改、系统运行状态监控、用户登录管理、用户权限分配等。
3.4网络通信配置
整个控制系统的通信采用三层网络进行数据交换。最上层是操作层，为操作终端网；中间层为控制层，为设备主干网， 它是高速工业以太网（10/100Mbps）；底层为I/O层，为现场总线，采用Profibus2DP通信协议。其中设备主干网为整个系统的骨干网。主要负责控制器之间、控制器与监控系统之间的数据交换。设备主干网采用快速以太网，支持TCP/IP协议。
3.5软件编制
系统的组态软件为SIMATIC Manager，所有的组态工作均在工程师站上完成。系统采用集中的、从上到下的组态方式，过程控制与监视的组态采用的是图形化组态，方便易用。人机接口部分的组态软件是WinCC，如图3所示。
过程控制与监视的组态包括硬件系统搭建、控制策略实现、各种记录配置、报表生成及数据归档。I/O卡件采集现场数字量和模拟量信号，经过PCS7 的驱动块处理， 通过监视块传送给上位机WinCC， 用于WinCC画面进行监控。
4.具体实施流程
根据灰库区系统的运行情况，在#2机组大修时一座灰库可满足 #1机组运行的要求。3座灰库可分别停运，进行控制系统改造。每座灰库控制系统改造调试结束且相关设备投入正常后，再进入下一座灰库控制系统的改造，从而不影响机组的安全运行。
5.本技术方案的优点
1）可以在机组不停役的情况下实施改造方案，从而使改造工作不影响电厂的经济效益。
2）在进行控制系统安装调试时，可以逐座灰库进行，从而不影响电厂机组的运行。
6.实施改造方案的安全注意事项
1）在施工实施前应充分摸清原PLC控制柜各控制单元的接线情况。
2）在原PLC控制柜进行拆、接线工作时应做好相临运行设备的安全措施。如拆下的线头用绝缘带临时包扎并做好标记，对运行的设备作好警告标志等。
3）在控制电缆施工时应注意对运行设备的保护。
4）在分系统进行调试时应密切注意对其他运行系统的影响。
7.结束语
1）改造后新程序不仅成功地解决了原系统存在的安全隐患，又保证和完善了各种联锁保护逻辑，并结合上位机组态，实现更加灵活的运行方式和更为直观的操作监控。增加了实时趋势图显示功能、操作历史查询及历史数据查询功能、完善了报警系统及增加报警历史（追忆）查询功能、增加了逻辑在线修改、另外实时逻辑监视使用十分方便。
2）成功地解决了原系统存在的安全隐患，和改造前相比，改造后提升灰库控制系统的自动化程度、大大降低了灰库控制系统的故障率和潜在危险，提高了锅炉安全运行的稳定性，系统便与升级、运行方式灵活、维护方便，同时也为以后的技术改造工作提供了经验。