S7-400PLC在焦炉煤气电站计算机控制系统的技术应用
2007/11/26 11:13:00
摘要：本文介绍了S7-400PLC在焦炉煤气电站计算机控制系统的技术应用，祥述了S7-400PLC本地站与上位机ethernet通讯链接，以及与ET200远程I/O站Profibus－DP通讯链接。并重点介绍了利用STEP7软件PID功能块FB41串联连接实现汽包液位调节控制。
关键词：S7-400PLC本地站 ET200远程I/O站 焦炉煤气电站计算机控制系统 汽包液位调节控制。
Abstract：This paper introduces that S7-400PLC is applied to the computer control system of coke oven gas power plant, and detailed introduces the ethernet communication link between the local station of s7-400 plc with the upper monitor, and the Profibus-DP communication link between it with the ET200 I/O station. And lays emphasis on using the PID FB41 in step7 soft series to realize the steam drum liquid level adjust control.
Key words： S7-400PLC local station,ET200 remote I/O station,the computer control system of coke oven gas power plant, the steam drum liquid level adjust control.
一、 项目简介
贵州六盘水市焦化公司年产焦炭180万吨，其焦炉煤气以前除部分送回焦炉燃烧供生产用外，多余的焦炉煤气自燃排放到大气中。既浪费了能源，又污染了环境，不符合国家节能减排的环保政策。该公司决定采用焦炉煤气发电技术，将自燃排放的焦炉煤气用来发电，发电的电能一部分用于工厂自用电，一部分并网外送电。该焦炉煤气电站采用2台75吨燃汽锅炉建设12000kw的电厂。
该焦炉煤气电站位于六盘水市二塘境内，电站装机总容量12000kW。其外送电的主接线为一机一变单元接线。电站10kV出线为两回线均接至二塘变, 站内10kV高压侧设单母线。电站同时受市电网调度。
电站内主要设备有：两套焦炉煤气锅炉燃烧系统、一套汽轮机发电机组、一台主变压器、一台厂用变压器等。
武汉亿科华技术有限公司于2005年承接该电站计算机与自动化控制系统的设计、项目集成、编程与调试。为投资省，建设周期短，同时实现电站无人值守的高自动化程度。该电站采用自动化集成度高的计算机系统控制。
二、 控制系统构成
1. 焦炉煤气电站计算机系统构成
焦炉煤气电站计算机控制系统主要设置有：锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统以及继电保护系统。这三个系统共设一个站级主控计算机系统，站级主控计算机系统设置一个工程师站和两个操作员站。工程师站允许电站工程技术人员对系统程序的编制、修改和编译工作以及数据库管理；操作员站允许电站操作人员对电站生产过程的操作控制、流程监控、事故记录、日志管理等工作。其自动化控制系统采用Siemens公司的一套S7-400PLC，主CPU采用S7-414 模块。同时设有一套GPS系统负责校准系统时钟。站级主控计算机选用DELL公司DimensionTM 4600n计算机，其配置为Intel P4 2.8G CPU/512M/80G/19吋LCD。站级主控计算机系统HMI软件选用SIEMENS公司的WinCC。其配置图如下：
2. 焦炉煤气电站自动化系统构成
依据焦炉煤气电站控制系统要求，同时由于该厂其他系统PLC采用S7-400的CPU,为保持CPU模块备件的一致性，其自动化系统设置一套Siemens公司的S7-400系列PLC，采用PLC本地－远程站方式实现全电站自动化控制。PLC本地－远程站设有1个本地站、6个远程I/O站。PLC本地站采用S7-414CPU,PLC远程站采用ET200 I/O站。PLC本地－远程站之间采用Siemens公司的工业级现场总线Profibus-DP通讯，PLC本地站与上位机之间采用Ethernet网络通讯。
6个PLC远程站中有4个核心I/O站分别是：2个焦炉煤气锅炉燃烧系统PLC远程I/O站、1个汽轮机发电系统PLC远程I/O站和1个继电保护系统PLC远程I/O站。剩余2个I/O站是净化水PLC远程I/O站以及除氧器PLC远程I/O站。
PLC本地站接受操作员站发布的操作控制命令对全电站生产过程进行控制，同时将生产流程的信息通过ethernet网络传输给站级主控计算机系统。
锅炉燃烧系统PLC远程I/O站负责控制锅炉燃烧系统及其油水风辅助系统。它接受PLC本地站的控制命令，并通过输出模块控制调节阀等现场设备。同时该远程I/O站采集锅炉燃烧系统中生产过程的各种开关量、模拟量信号，并通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。
汽轮机发电系统PLC远程I/O站负责控制汽轮机发电系统及其开关站与油水风辅助系统。它接受PLC本地站的控制命令，并通过输出模块控制调节阀等现场设备。同时该远程I/O站采集汽轮机发电系统中生产过程的各种开关量、模拟量信号，并通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。
继电保护系统PLC远程I/O站负责控制发电机组、变压器、线路等保护。该远程I/O站中有控制这些保护的专用智能保护装置，这些智能保护装置采集主线路中保护用的CT及PT信号。各种保护功能依据这些CT及PT信号进行保护控制，并由其对应的智能保护装置独自实现保护功能。一旦保护动作，将断路器断开；同时发出报警、故障等信号给该远程I/O站。该远程I/O站将这些信号通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。另外这些智能保护装置还通过主线路中测量用的CT及PT信号，将电流、电压等模拟量信号通过通讯规约转换器与站级主控计算机通讯，存储在数据库中。
依据PLC本地－远程站的控制要求，设计siemens硬件配置有：
序号 设备名称 型号 数量
1 主站电源模块 6ES7 407-0KA01-0AA0 1
2 CPU模块 6ES7 414-3XJ00-0AB0 1
3 存储器卡 6ES7 952-1KL00-0AA0 1
4 以太网模块 6GK7 443-1EX02-0XE0 1
5 主站机架 6ES7 400-1JA01-0AA0 1
6 子站电源模块 6EP1336-1SH01 6
7 子站通信模块 6ES7 153-1AA03-0XB0 6
8 DI数字量模块 6ES7 321-1BL00-0AA0 12
9 DO数字量模块 6ES7 322-1BH01-0AA0 8
10 AI热电偶模块 6ES7 331-7SF00-0AB0 8
11 AI模拟量模块 6ES7 331-7KF02-0AB0 8
12 AO模拟量模块 6ES7 332-5HD01-0AB0 4
13 子站机架 6ES7 390-1AE80-0AA0 6
上述siemens硬件成套组屏3面柜，同时电站还有直流系统组屏3面柜，励磁系统组屏2面柜，继电保护系统组屏2面柜，高压系统组屏11面柜，引风机变频控制等低压系统组屏13面柜，以及若干现场操作箱等。
三、 控制系统功能
焦炉煤气电站计算机控制系统能实时、准确、有效地完成对电站被控对象的安全监视和生产运行。为提高电站监控和运行管理的自动化水平，确保电站安全可靠运行，改善运行维护人员的工作条件，实现电站无人值班，提高电站的经济效益。其完成了如下控制功能：
1. 数据采集和处理
计算机控制系统定时采集锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统以及继电保护系统中各种模拟量、脉冲量和开关量，并对采集的数据进行越限检查、复限检查和状态检查，记录并保存检查结果。
2. 运行监视和事件报警
计算机控制系统监视信号有：锅炉燃烧系统中主要工艺参数如煤气流量、空气流量、炉膛压力、汽包液位、蒸汽流量、蒸汽温度、蒸汽压力、残氧含量等，以及汽轮机发电系统中主要机电设备运行参数如电流、电压、功率等。
另外监视电站各生产过程中设备状态、对越限和状态事件的报警以及事故顺序记录。
3. 继电保护系统功能
继电保护功能由该PLC远程I/O站完成全站主变及线路的保护功能。采用许继公司全微机式的继电保护系统。汽轮机组部分的保护采用GCHF系列微机保护；主变、10KV线路保护装置则分别采用GCHF-BZ11和GCHF-311C保护装置。
4. 焦炉煤气电站主要控制功能
焦炉煤气锅炉燃烧系统包括：煤气和空气输送、混合、燃烧、烟气排放；锅炉补水输汽；锅炉和燃气热交换；其它一些辅助设备。
焦炉煤气锅炉燃烧系统的主要控制有：煤气支管流量调节、空气总管压力调节、空气支管流量调节、煤气支管流量调节、空燃比调节、煤气放散调节、炉膛压力调节、除氧器液位控制、除氧器压力控制、给水泵给水流量控制、汽包液位控制、汽包压力控制、蒸汽温度控制、汽包紧急放水和紧急放汽控制、过热蒸汽减温控制、给水泵启停控制、循环水泵启停控制、凝结水泵启停控制、射水泵控制启停控制等。
汽轮机发电系统包括：一台汽轮发电机组、一台主变压器、一台厂用变压器、两回10kV出线、10kV断路器和隔离开关、400V厂用配电系统、220V直流系统及油水风等辅助设备。
汽轮机发电系统的主要控制有：机组开/停机操作、机组同期、机组发电、机组有功、无功调节、断路器分/合操作、线路送电/停电、机组辅助设备启/停控制、工况或运行方式转换操作。
5. 汽包液位调节控制
在上述电站各项控制功能中，维持汽包液位稳定在汽水循环中具有重要意义。其汽包液位的调节控制是电站众多控制之中难点与重点，本文着重介绍。汽包液位示意图如下：
图：汽包液位流程图
汽包液位控制是为了维持汽包液位在一定范围内变化、保持给水量变化波动较小。汽包液位过高，影响汽水分离器正常工作，造成出口蒸汽中水份过多、蒸汽带盐份，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢，严重时导致蒸汽带水，造成过热器管道和汽机冲击，同时会使主汽温度急剧变化，直接影响机组安全性和经济性。汽包液位过低，可能使锅炉循环水工况破坏，造成水冷壁供水不足而爆管。
汽包液位调节控制必须采用三冲量调节。汽包液位调节原理图如下：
图：汽包液位调节原理图
汽包液位设定值和汽包液位测量值相比较后经PID1运算后输出一值，该值和给水流量以及蒸汽流量换算后的值相比较，再经PID2调节后，控制给水调节阀门开度。其数学模型表示如下：
第一级PID1输出值Y1为：
Y1= Kp1×(X1-X2) + Ki
关键词：S7-400PLC本地站 ET200远程I/O站 焦炉煤气电站计算机控制系统 汽包液位调节控制。
Abstract：This paper introduces that S7-400PLC is applied to the computer control system of coke oven gas power plant, and detailed introduces the ethernet communication link between the local station of s7-400 plc with the upper monitor, and the Profibus-DP communication link between it with the ET200 I/O station. And lays emphasis on using the PID FB41 in step7 soft series to realize the steam drum liquid level adjust control.
Key words： S7-400PLC local station,ET200 remote I/O station,the computer control system of coke oven gas power plant, the steam drum liquid level adjust control.
一、 项目简介
贵州六盘水市焦化公司年产焦炭180万吨，其焦炉煤气以前除部分送回焦炉燃烧供生产用外，多余的焦炉煤气自燃排放到大气中。既浪费了能源，又污染了环境，不符合国家节能减排的环保政策。该公司决定采用焦炉煤气发电技术，将自燃排放的焦炉煤气用来发电，发电的电能一部分用于工厂自用电，一部分并网外送电。该焦炉煤气电站采用2台75吨燃汽锅炉建设12000kw的电厂。
该焦炉煤气电站位于六盘水市二塘境内，电站装机总容量12000kW。其外送电的主接线为一机一变单元接线。电站10kV出线为两回线均接至二塘变, 站内10kV高压侧设单母线。电站同时受市电网调度。
电站内主要设备有：两套焦炉煤气锅炉燃烧系统、一套汽轮机发电机组、一台主变压器、一台厂用变压器等。
武汉亿科华技术有限公司于2005年承接该电站计算机与自动化控制系统的设计、项目集成、编程与调试。为投资省，建设周期短，同时实现电站无人值守的高自动化程度。该电站采用自动化集成度高的计算机系统控制。
二、 控制系统构成
1. 焦炉煤气电站计算机系统构成
焦炉煤气电站计算机控制系统主要设置有：锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统以及继电保护系统。这三个系统共设一个站级主控计算机系统，站级主控计算机系统设置一个工程师站和两个操作员站。工程师站允许电站工程技术人员对系统程序的编制、修改和编译工作以及数据库管理；操作员站允许电站操作人员对电站生产过程的操作控制、流程监控、事故记录、日志管理等工作。其自动化控制系统采用Siemens公司的一套S7-400PLC，主CPU采用S7-414 模块。同时设有一套GPS系统负责校准系统时钟。站级主控计算机选用DELL公司DimensionTM 4600n计算机，其配置为Intel P4 2.8G CPU/512M/80G/19吋LCD。站级主控计算机系统HMI软件选用SIEMENS公司的WinCC。其配置图如下：
2. 焦炉煤气电站自动化系统构成
依据焦炉煤气电站控制系统要求，同时由于该厂其他系统PLC采用S7-400的CPU,为保持CPU模块备件的一致性，其自动化系统设置一套Siemens公司的S7-400系列PLC，采用PLC本地－远程站方式实现全电站自动化控制。PLC本地－远程站设有1个本地站、6个远程I/O站。PLC本地站采用S7-414CPU,PLC远程站采用ET200 I/O站。PLC本地－远程站之间采用Siemens公司的工业级现场总线Profibus-DP通讯，PLC本地站与上位机之间采用Ethernet网络通讯。
6个PLC远程站中有4个核心I/O站分别是：2个焦炉煤气锅炉燃烧系统PLC远程I/O站、1个汽轮机发电系统PLC远程I/O站和1个继电保护系统PLC远程I/O站。剩余2个I/O站是净化水PLC远程I/O站以及除氧器PLC远程I/O站。
PLC本地站接受操作员站发布的操作控制命令对全电站生产过程进行控制，同时将生产流程的信息通过ethernet网络传输给站级主控计算机系统。
锅炉燃烧系统PLC远程I/O站负责控制锅炉燃烧系统及其油水风辅助系统。它接受PLC本地站的控制命令，并通过输出模块控制调节阀等现场设备。同时该远程I/O站采集锅炉燃烧系统中生产过程的各种开关量、模拟量信号，并通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。
汽轮机发电系统PLC远程I/O站负责控制汽轮机发电系统及其开关站与油水风辅助系统。它接受PLC本地站的控制命令，并通过输出模块控制调节阀等现场设备。同时该远程I/O站采集汽轮机发电系统中生产过程的各种开关量、模拟量信号，并通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。
继电保护系统PLC远程I/O站负责控制发电机组、变压器、线路等保护。该远程I/O站中有控制这些保护的专用智能保护装置，这些智能保护装置采集主线路中保护用的CT及PT信号。各种保护功能依据这些CT及PT信号进行保护控制，并由其对应的智能保护装置独自实现保护功能。一旦保护动作，将断路器断开；同时发出报警、故障等信号给该远程I/O站。该远程I/O站将这些信号通过Profibus-DP通讯传输给PLC本地站。另外这些智能保护装置还通过主线路中测量用的CT及PT信号，将电流、电压等模拟量信号通过通讯规约转换器与站级主控计算机通讯，存储在数据库中。
依据PLC本地－远程站的控制要求，设计siemens硬件配置有：
序号 设备名称 型号 数量
1 主站电源模块 6ES7 407-0KA01-0AA0 1
2 CPU模块 6ES7 414-3XJ00-0AB0 1
3 存储器卡 6ES7 952-1KL00-0AA0 1
4 以太网模块 6GK7 443-1EX02-0XE0 1
5 主站机架 6ES7 400-1JA01-0AA0 1
6 子站电源模块 6EP1336-1SH01 6
7 子站通信模块 6ES7 153-1AA03-0XB0 6
8 DI数字量模块 6ES7 321-1BL00-0AA0 12
9 DO数字量模块 6ES7 322-1BH01-0AA0 8
10 AI热电偶模块 6ES7 331-7SF00-0AB0 8
11 AI模拟量模块 6ES7 331-7KF02-0AB0 8
12 AO模拟量模块 6ES7 332-5HD01-0AB0 4
13 子站机架 6ES7 390-1AE80-0AA0 6
上述siemens硬件成套组屏3面柜，同时电站还有直流系统组屏3面柜，励磁系统组屏2面柜，继电保护系统组屏2面柜，高压系统组屏11面柜，引风机变频控制等低压系统组屏13面柜，以及若干现场操作箱等。
三、 控制系统功能
焦炉煤气电站计算机控制系统能实时、准确、有效地完成对电站被控对象的安全监视和生产运行。为提高电站监控和运行管理的自动化水平，确保电站安全可靠运行，改善运行维护人员的工作条件，实现电站无人值班，提高电站的经济效益。其完成了如下控制功能：
1. 数据采集和处理
计算机控制系统定时采集锅炉燃烧系统、汽轮机发电系统以及继电保护系统中各种模拟量、脉冲量和开关量，并对采集的数据进行越限检查、复限检查和状态检查，记录并保存检查结果。
2. 运行监视和事件报警
计算机控制系统监视信号有：锅炉燃烧系统中主要工艺参数如煤气流量、空气流量、炉膛压力、汽包液位、蒸汽流量、蒸汽温度、蒸汽压力、残氧含量等，以及汽轮机发电系统中主要机电设备运行参数如电流、电压、功率等。
另外监视电站各生产过程中设备状态、对越限和状态事件的报警以及事故顺序记录。
3. 继电保护系统功能
继电保护功能由该PLC远程I/O站完成全站主变及线路的保护功能。采用许继公司全微机式的继电保护系统。汽轮机组部分的保护采用GCHF系列微机保护；主变、10KV线路保护装置则分别采用GCHF-BZ11和GCHF-311C保护装置。
4. 焦炉煤气电站主要控制功能
焦炉煤气锅炉燃烧系统包括：煤气和空气输送、混合、燃烧、烟气排放；锅炉补水输汽；锅炉和燃气热交换；其它一些辅助设备。
焦炉煤气锅炉燃烧系统的主要控制有：煤气支管流量调节、空气总管压力调节、空气支管流量调节、煤气支管流量调节、空燃比调节、煤气放散调节、炉膛压力调节、除氧器液位控制、除氧器压力控制、给水泵给水流量控制、汽包液位控制、汽包压力控制、蒸汽温度控制、汽包紧急放水和紧急放汽控制、过热蒸汽减温控制、给水泵启停控制、循环水泵启停控制、凝结水泵启停控制、射水泵控制启停控制等。
汽轮机发电系统包括：一台汽轮发电机组、一台主变压器、一台厂用变压器、两回10kV出线、10kV断路器和隔离开关、400V厂用配电系统、220V直流系统及油水风等辅助设备。
汽轮机发电系统的主要控制有：机组开/停机操作、机组同期、机组发电、机组有功、无功调节、断路器分/合操作、线路送电/停电、机组辅助设备启/停控制、工况或运行方式转换操作。
5. 汽包液位调节控制
在上述电站各项控制功能中，维持汽包液位稳定在汽水循环中具有重要意义。其汽包液位的调节控制是电站众多控制之中难点与重点，本文着重介绍。汽包液位示意图如下：
图：汽包液位流程图
汽包液位控制是为了维持汽包液位在一定范围内变化、保持给水量变化波动较小。汽包液位过高，影响汽水分离器正常工作，造成出口蒸汽中水份过多、蒸汽带盐份，使过热器管壁和汽轮机叶片结垢，严重时导致蒸汽带水，造成过热器管道和汽机冲击，同时会使主汽温度急剧变化，直接影响机组安全性和经济性。汽包液位过低，可能使锅炉循环水工况破坏，造成水冷壁供水不足而爆管。
汽包液位调节控制必须采用三冲量调节。汽包液位调节原理图如下：
图：汽包液位调节原理图
汽包液位设定值和汽包液位测量值相比较后经PID1运算后输出一值，该值和给水流量以及蒸汽流量换算后的值相比较，再经PID2调节后，控制给水调节阀门开度。其数学模型表示如下：
第一级PID1输出值Y1为：
Y1= Kp1×(X1-X2) + Ki
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