1 引言
發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)主要為整個(gè)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障，是機(jī)組的重要組成部分。其中，空氣壓縮系統(tǒng)主要應(yīng)用于機(jī)組的物料輸送、鍋爐吹灰、設(shè)備冷卻、樹(shù)脂顆粒混合清洗及氣動(dòng)元件控制等領(lǐng)域；工業(yè)水及消防水系統(tǒng)主要為發(fā)電過(guò)程中工業(yè)水處理及消防供水等提供保障。隨著工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和機(jī)組運(yùn)行管理水平的提升，相關(guān)系統(tǒng)設(shè)備站房無(wú)人值守的要求愈加強(qiáng)烈。為滿(mǎn)足運(yùn)行管理水平現(xiàn)代化及企業(yè)優(yōu)化人力資源配置的需求，華電青島發(fā)電有限公司對(duì)上述輔助系統(tǒng)進(jìn)行了無(wú)人值守設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。空氣壓縮系統(tǒng)如圖1所示。

圖1  空氣壓縮系統(tǒng)的設(shè)備外觀

 
2  輔助控制系統(tǒng)介紹
2.1  工藝概述與設(shè)計(jì)要求
空壓機(jī)房無(wú)人值守系統(tǒng)主要由檢修空壓機(jī)、儀用空壓機(jī)、干冷器、空氣冷卻器、除油器等設(shè)備構(gòu)成；工業(yè)水泵及消防水泵房無(wú)人值守系統(tǒng)主要由工業(yè)水泵、消防水泵、補(bǔ)水泵、緩沖箱等構(gòu)成。輔助系統(tǒng)自動(dòng)監(jiān)控是采用以可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，由中央控制站、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備級(jí)控制器及就地傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求，上述系統(tǒng)自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用典型的三級(jí)監(jiān)控方式。上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主要的人機(jī)界面（HMI），為生產(chǎn)控制級(jí)，完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機(jī)由可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）構(gòu)成，為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及過(guò)程控制等，面向生產(chǎn)過(guò)程；通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入企業(yè)MIS系統(tǒng)，為企業(yè)管理級(jí)，主要面向企業(yè)生產(chǎn)管理和信息處理人員。
該輔助監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：
（1）在生產(chǎn)過(guò)程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、液位等模擬量參數(shù)。需要通過(guò)PCC對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。
（2）輔助系統(tǒng)無(wú)人值守的自動(dòng)化控制，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)空氣壓縮、儲(chǔ)存、輸送和工業(yè)、消防水處理過(guò)程的全自動(dòng)控制，進(jìn)行故障診斷，并在監(jiān)控畫(huà)面上顯示各工況參數(shù)并控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。
（3）對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用操作器控制，確保系統(tǒng)壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，使各參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并對(duì)其故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和聯(lián)鎖啟停切換控制。
（4）對(duì)電動(dòng)機(jī)等重要現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行溫度、電流及振動(dòng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。
（5）控制系統(tǒng)具備雙路電源切換功能，當(dāng)一路電源故障時(shí)能可靠的自動(dòng)切換到另一路，以保證任何一路電源的故障均不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的任一部分失電。
（6）自控系統(tǒng)通過(guò)控制器的冗余設(shè)計(jì)保證系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。
（7）將控制與視頻信號(hào)通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸，進(jìn)行中央控制室集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)站房現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)人值守。
2.2 控制系統(tǒng)選型及特點(diǎn)
　　為了實(shí)現(xiàn)上面提到的空壓機(jī)房、工業(yè)水泵及消防泵房無(wú)人值守的設(shè)計(jì)要求，我們選用貝加萊工業(yè)自動(dòng)化公司B&R 2005可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）和研華公司ADVANTECH IPC-610工控機(jī)（IPC）構(gòu)成的自控系統(tǒng)，再配以先進(jìn)的B&R自動(dòng)化軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)上述各輔助控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。
當(dāng)前可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）是專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，已成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心，它不僅能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時(shí)的閉環(huán)控制功能，并且抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間、不間斷運(yùn)行，且編程簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，并配有各類(lèi)通訊接口與模塊處理，可方便各級(jí)連接。

圖2  B&R 2005可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）

B&R新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC）綜合了PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和功能。它采用B&R的Automation Studio集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，支持多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)，能夠使用高級(jí)語(yǔ)言、指令表、梯形圖以及其它功能塊編程，并且具備面向控制的標(biāo)準(zhǔn)功能和獨(dú)特方便的模塊結(jié)構(gòu)，適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得各種單獨(dú)的模塊之間可進(jìn)行廣泛組合以用于擴(kuò)展。獨(dú)特的掉電保持功能以及可熱插拔的模塊特性，為系統(tǒng)維護(hù)帶來(lái)了極大的方便。

3 控制系統(tǒng)構(gòu)成
3.1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3  系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

 
3.2 控制系統(tǒng)硬件配置
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)所選用的主要硬件設(shè)備包括以下：
（1）工業(yè)計(jì)算機(jī)（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 3.0GHz處理器，1Gb內(nèi)存，160Gb硬盤(pán)；
（2）中央處理單元 (CPU)
CP 260，CPU模塊2塊；
IF 260，CPU模塊2塊；
   （3）I/O模塊 (SM)
DI 475，數(shù)字量輸入模塊2塊；
DI 476，數(shù)字量輸入模塊8塊；
DO 479，數(shù)字量輸出模塊10塊；
AI 775，模擬量輸入模塊2塊；
AT 350，模擬量輸入模塊4塊；
AO 775，模擬量輸出模塊2塊；
（4）電源模塊 (PS)
PS 465，電源模塊4塊。
該系統(tǒng)中B&R 2005系列PCC的硬件配置如圖4所示。

圖4  PCC的硬件配置

 
3.3 應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)
B&R 的Automation Studio是一款集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用來(lái)對(duì)B&R全系列控制器及遠(yuǎn)程I/O、通信網(wǎng)絡(luò)、IPC、HMI觸摸屏和伺服控制器進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，能很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，真實(shí)地將工廠控制軟件集成到自動(dòng)化過(guò)程中。HMI人機(jī)界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設(shè)定、顯示、故障報(bào)警，以及相應(yīng)操作和設(shè)備的在線(xiàn)調(diào)試及維護(hù)，發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。壓縮空氣、工業(yè)及消防水HMI系統(tǒng)信息以友好方式與用戶(hù)交互。通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)接收過(guò)程計(jì)算機(jī)和操作人員通過(guò)HMI輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后再將過(guò)程數(shù)據(jù)信息、機(jī)組狀態(tài)信息和各種測(cè)量值以符號(hào)、數(shù)值、曲線(xiàn)、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫(huà)面上顯示。最終實(shí)現(xiàn)在HMI操作站上以最少的設(shè)備數(shù)量提供最大可能的信息，幫助操作人員和設(shè)備維護(hù)人員快速準(zhǔn)確的了解系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)及其相關(guān)信息的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
　　在上位機(jī)上用B&R Automation Studio軟件設(shè)計(jì)了多幅人機(jī)界面畫(huà)面，如圖5所示。主要包括以下幾個(gè)方面：
（1）工藝流程圖：在畫(huà)面中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)模擬顯示整個(gè)壓縮空氣、工業(yè)及消防水現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的全過(guò)程，并且在設(shè)備本體上實(shí)時(shí)顯示各路氣、水的壓力與溫度，以便于操作者能及時(shí)準(zhǔn)確的掌握設(shè)備本體內(nèi)情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。
（2）手操器的操作與對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的監(jiān)控：手操器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動(dòng)操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時(shí)常用自動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。
（3）報(bào)警記錄：對(duì)于如罐內(nèi)壓力、入口溫度、水箱液位等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍，同時(shí)通過(guò)報(bào)警一覽表對(duì)話(huà)框可以檢查報(bào)警超出范圍以及錯(cuò)誤出處，并對(duì)此采取相應(yīng)措施。
（4）實(shí)時(shí)和歷史趨勢(shì)：在此畫(huà)面中除了實(shí)時(shí)顯示變量的變化趨勢(shì)，操作員還可以檢查過(guò)去的過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)對(duì)過(guò)去歷史趨勢(shì)的比較進(jìn)而可以對(duì)變量未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做進(jìn)一步的預(yù)測(cè)。另外，還具有生成報(bào)警或變量記錄數(shù)據(jù)運(yùn)行報(bào)表的功能。
（5）攝像監(jiān)控：通過(guò)攝像及圖像采集設(shè)備對(duì)圖像的處理，使操作人員通過(guò)視頻窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。

圖5  系統(tǒng)主要監(jiān)控畫(huà)面

 3.4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信
工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)已成為工控界最為流行的局域網(wǎng)技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用于工廠控制級(jí)通信，它可以實(shí)現(xiàn)控制器與控制器之間、控制器與上位機(jī)之間的通信。在本系統(tǒng)中由于各站房與中央集中控制室距離較遠(yuǎn)，我們采用了以光纖為主要通訊介質(zhì)、以TCP/IP為數(shù)據(jù)通信協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，為大量的控制與視頻信號(hào)傳輸提供穩(wěn)定可靠的保障。同時(shí)，我們預(yù)留了與企業(yè)MIS系統(tǒng)通信的接口，為相關(guān)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理與利用奠定了基礎(chǔ)。

4 系統(tǒng)功能
4.1 控制中心數(shù)據(jù)采集功能
上位機(jī)將可編程控制器中傳出的數(shù)據(jù)信息直接采集，通過(guò)軟件功能將信號(hào)以文字、圖像、報(bào)表等方式形成人機(jī)界面，操作人員通過(guò)此界面進(jìn)行監(jiān)控操作。
4.2 控制中心控制信號(hào)發(fā)送功能
控制信號(hào)由上位機(jī)經(jīng)通訊接口送入控制器，由控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)各控制指令，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的各種操作。
4.3 監(jiān)控中心控制及集中管理功能
在上位機(jī)的監(jiān)控畫(huà)面上點(diǎn)擊相關(guān)控制設(shè)備均可對(duì)其進(jìn)行控制，對(duì)相關(guān)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和歷史記錄并形成報(bào)表。通過(guò)攝像監(jiān)控功能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備及管路的跑冒滴漏現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)站房?jī)?nèi)無(wú)人值守、站房外集中管理的目標(biāo)與要求。
4.4 系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制功能
主要包括儲(chǔ)氣罐壓力控制、工業(yè)水泵控制、消防水泵控制、補(bǔ)水控制、水箱液位及疏水變頻控制功能。通過(guò)以上控制功能的實(shí)現(xiàn)，最終完成對(duì)各系統(tǒng)的順序、調(diào)節(jié)控制。
4.5 系統(tǒng)聯(lián)鎖控制功能