分散控制系統在大型選煤廠的應用

榮 梅

(中煤科工集團南京設計研究院有限公司，江蘇 南京 210031)

隨著選煤廠規模的不斷擴大，選煤廠對生產過程監控、生產安全環境監控、生產過程信息綜合利用等方面的網絡化、自動化和智能化提出了新的要求，對于建設一套可靠的選煤廠控制系統提出了更高的要求[1]。目前，選煤廠控制基本上都是采用可編程邏輯控制器(PLC)進行集中控制，PLC在選煤廠中應用廣泛，具有性能穩定、可靠性高、抗干擾能力強、使用方便等優點[2-3]。大型選煤廠對智能化要求越來越高，模擬量采集數量增加，網絡協議標準化更高，因此，將分散控制系統(DCS)應用于大型選煤廠具有重要意義，可為建設智能化選煤廠奠定基礎。

結合產能為12 Mt/a的內蒙古察哈素大型選煤廠改造項目，根據工藝流程和項目分期建設方案，分析了集中控制系統存在的問題，收集了電廠、化工廠、鋼鐵、水泥等大型企業普遍使用DCS的實際運行資料[4-5]，做了可行性研究報告。利用DCS容量大、處理模擬量點數多、網絡協議標準化、更好的開放性和拓展性、安全可靠性等優點[6]，將EDPF-CS分散控制系統應用于察哈素選煤廠，對整個選煤廠的控制進行了改造，使系統的運行更加穩定可靠，可擴展性更好。

1 PLC與DCS的比較

PLC在應用、系統功能、體系結構、產品形態和實現方法等多個方面與DCS有較大的區別，但也有共同之處。下面就PLC和DCS的異同點作簡要的比較[7-8]。

1.1 功能和應用目標

PLC 的控制功能以邏輯控制和順序控制為主，與DCS相比，在連續控制方面效率比較低、成本比較高，主要應用領域以離散控制為主。而DCS系統所有I/O模塊均帶CPU，能實現采集及輸出信號的判斷與變換。

1.2 體系結構

PLC包括中央處理單元、存儲器、電源、輸入輸出回路等組成。DCS包括直接控制層、操作監控層、生產管理層、決策管理層。

1.3 現場設備

PLC就是可編程邏輯控制器，包括CPU、輸入輸出模塊、電源模塊、通信模塊等安裝在PLC柜內。DCS的現場設備就是控制站，包括輸入輸出單元、過程控制單元、電源等，均安裝在DCS柜內。

1.4 系統特點

PLC的特點是其構成部分的完全產品化，例如PLC支持標準的通信規則，可實現不同 PLC間的操作。DCS的特點是控制與顯示分離，采用標準的網絡通信規則，完備的開放系統，具有可靠性高，擴展靈活，管理能力強等特點。

2 EDPF-CS在大型選煤廠的應用

2.1 工程概述

內蒙古察哈素大型選煤廠于2014年投產運行，塊煤采用淺槽重介分選機分選工藝。選煤廠控制系統采用計算機監控網絡和ROCKWELL AB的PLC相結合的方式。選煤集成監控網絡覆蓋范圍為整個選煤廠主煤流系統，在選煤集成監控網絡操作員站、工程師站對各車間生產設備進行監測、操作、運行管理。在選煤廠集中控制室，上位機操作員站對各車間進行集中監視控制。各車間PLC控制機柜布置于各車間本地配電室內。在選煤廠集成監控網絡控制系統上位機中，可實現對全廠內的電機、閥門、儀表等設備的控制，并進行監測、報警、控制和報表打印。

該工程的集中控制采用ROCKWELL AB集成架構方案，集中監控設集中控制中心1處，采用研華工控機，布置在選煤廠綜合辦公樓二層，綜合樓配電室放置PLC控制主站；設原煤倉上PLC分站、壓風機房PLC分站、濃縮車間PLC分站、原煤倉下PLC分站、產品倉下PLC分站、產品倉上PLC分站和地銷煤倉倉上PLC分站。主要管理人員可以通過個人電腦使用IE瀏覽方式監視生產系統實時狀況。板框壓濾機通過DH+網與主網進行通訊；空氣壓縮機、高低壓變頻器、軟啟動器、濃縮機等設備通過DeviceNet與主網進行通訊；自動加藥系統、淺槽分選系統及快速裝車站控制系統采用以太網通訊，最終通過主網光纖傳送到集控室內。

2.2 系統的結構

EDPF-CS系統由現場控制站、人機界面及通信網絡等構成[9-10]。具體EDPF-CS網絡結構如圖1所示。

圖1 EDPF-CS網絡結構圖

現場控制站包括控制器和I/O兩部分，控制器具有數據采集和處理、控制算法、輸出以及通信等功能，作為DCS的核心，能與現場設備連接，并通過通信網絡與上位機界面相連；I/O模塊主要完成現場模擬量、開關量、脈沖量等信號的采樣和轉化。

人機界面主要包括操作員站、工程師站、服務器等，操作員站為操作員提供生產過程實時數據，操作員能夠通過實際數據做出判斷，并可對設備遠程操作；工程師站主要對DCS進行組態[11]、管理和維護。

通信網絡主要實現DCS各級之間的數據通信，使生產過程的檢測、控制、操作、管理等形成一個整體。通過人機界面可與局域網連接，實現對現場設備的狀態監控及進行遠距離操作和控制。

2.3 系統硬件配置[12-13]

(1)工程師站ES。該工程設一個主工程師站，布置在選煤廠集控室，用于存放整個系統的組態文件，并進行組態發布、多人組態、組態備份、組態網絡同步和還原等工作。

(2)操作員站OS。該工程設置2臺操作員站，布置在選煤廠集控室，對選煤廠進行集中操作與監視。操作員站安裝實時監控軟件，并提供流程圖、趨勢圖、報警窗口、控制分組、數據一覽、操作面板以及系統狀態信息等監控界面。通過操作員站，對現場設備進行實時控制，了解工藝過程信息和報警信息，并可調用歷史數據庫進行趨勢查看和報表輸出。

(3)控制器P2-CU01。CPU頻率采用1 GHz，內存為1 G，閃存為4 G，以太網口2個 10/100/1 000 Mbps，輸入電壓為24 VDC±5%，紋波≤150 mVp-p，功耗為5 W。

(4)I/O模塊。具有冗余功能，單個I/O模塊還具有供電和通訊的冗余，互為冗余的I/O模塊之間能監控雙方的工作狀態，根據工作狀態控制冗余切換；支持熱插拔，支持即插即用；具備自診斷功能，包括上電自診斷和運行過程自診斷。

(5)網絡[14]。網絡包括系統網絡和控制網絡，主要完成相對獨立的數據采集和設備控制等功能。系統網絡實現工程師站和操作員站與現場控制站的實時通訊網絡，用于工程師站/操作站和主控單元之間的雙向數據傳輸。

2.4 系統軟件配置[15-16]

EDPF-NT+分散控制系統支持多域網絡環境，使用工程管理器PO在一臺全局工程師站可以同時對多套DCS子系統進行組態和維護。

EDPF-CS分散控制系統的控制組態簡單、快捷，而且支持SAMA圖、邏輯圖等全圖形化控制組態語言，并實現自定義算法，所有算法均被模塊化封裝，組態過程簡單、高效。

3 對比分析

根據工程實際，對已運行的PLC系統和改造后的DCS系統進行分析。

3.1 經濟性

PLC系統采用計算機監控網絡和可編程控制器相結合的方式，三臺獨立的監控上位工控機作為操作員站(其中一臺兼工程師站)，配置1臺IBM的服務器。該工程采用國產的EDPF-CS，在2019年改造實施完成，費用大約是原系統費用的一半。

若按進口設備作DCS系統的報價，費用與PLC系統費用差不多。由此可知：同樣規模的系統，采用進口的PLC和采用進口的DCS兩套系統的價格差不多，采用進口的PLC和采用國產的DCS，后者價格為前者的一半。

3.2 可靠性

隨著選煤廠規模的擴大和智能化選煤廠不斷的推進，模擬量信號越來越多，使用DCS系統的可靠性更高，數據采集更快更精確，而PLC系統實現起來就比較困難。因此，對于小型的選煤廠，工藝簡單，模擬量少，可采用PLC系統，相比DCS系統更經濟；對于大型的選煤廠，工藝復雜，模擬量多，可采用DCS系統。

3.3 可擴展性

大型的選煤廠建設都是分期完成，例如一期主要完成原煤分級系統建設，二期主要完成塊煤分選系統建設，三期主要完成末煤分選系統建設。DCS系統可以從中央集線器對用戶受信進行管理，更容易實現升級。而PLC系統，則需要增加更多的硬件和數據庫，并且需要單獨維護，實現升級更為費時費力費錢。

4 結語

將EDPF-CS應用到大型選煤廠可使選煤廠控制系統更加安全可靠，解決了大型選煤廠控制系統容量大、模擬量點數多、網絡協議不標準、可擴展性差等缺點，為選煤廠智能化建設奠定了基礎。由于該系統是在原系統的基礎上改造完成的，與原有配電系統開關量連接方面存在著不匹配問題，在實際工程中增加了硬件轉換，因此增加了投資成本和故障點，建議今后在設計階段采取措施盡力避免，以使系統更加簡潔、安全可靠。