输煤监控系统
技 术 方 案
黑龙江省科学院自动化研究所
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输煤监控系统
系统设计
1、工程概况
锅炉输煤系统是锅炉生产过程中非常重要的外围辅机系统，是保证生产稳定可靠运行的重要因素之一。输煤控制系统具有控制设备多、工艺流程复杂、设备分散等特点，沿线环境条件恶劣，粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等都比较严重，传统的强电集中控制方式已不能适应大型锅炉输煤系统自动化的要求，PLC程控方式由于其自身优点，目前在国内大型输煤系统中已逐渐取代常规的强电集中控制方式，成为输煤程控系统的核心。我们在收集大量的基础数据信息、现场调查调度监测系统运行情况、设备工作情况的基础上，提出锅炉输煤系统分析及控制系统总体方案。具体阐述如下。
1.1输煤系统特点
1、输煤系统设备较多，实际运行中，一次启动、停止设备多，顺序启动方式多，安全联锁要求高。
2、控制过程具有很强的时序性。
3、现场环境条件恶劣，粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等都比较严重，给电气设备运行和维修都带来不便。
4、整个系统分散，覆盖距离远。
5、卸煤沟等区域布线非常困难，叶轮给煤机等设备和外界通信难以用常规手段实现。
6、皮带传送机的电动机十分重要，需要对其进行全面监控和保
3 护。
2、编制依据
5.1施工公开招标文件 5.2主要施工验收规范
智能建筑设计标准（DBJ 08-47-95） 民用建筑电气设计规范（JGJ/T 16-92） 中华人民共和国安全防范行业标准（GA/T74-94） 中华人民共和国公共安全行业标准（GA/T70-94） 工业企业通讯设计规范（GBJ42-81）
自动化仪表工程施工及验收规范（GB 50093-2002） 工业企业通讯接地设计规范（GBJ79-85） 建筑电器设计规范（IGI16-83）
3、输煤系统方案
输煤程序自动化控制系统，包括程控和监控两大部分，用于操作员在输煤中心控制室内实现对整个输煤系统的控制和监视。该输煤控制系统主要由PLC程控系统和工业电视监控系统两部分组成。工业电视监控系统主要是用于程控运行人员在中心室监视现场设备状况。在输煤自控系统中，工业控制计算机作为上位机和输煤控制PLC进行通
4 信，对皮带跑偏信号和设备的运行状态进行实时采样，并在屏幕上显示输煤系统仿真画面，可以直观地察看设备的状态。当皮带跑偏（跑偏15度）时，在屏幕上显示报警画面。当设备发生故障或皮带严重跑偏（跑偏30度）时，在屏幕上显示报警画面并向PLC发送事故停车信号。且工业电视监控系统可实现与PLC程控系统之间的报警联锁，即当某个监视区域发生故障报警时监视系统可自动切换到该监视点，从而实现在最短的时间内观察到现场故障情况，及时掌握重要信息，为系统的操作、维护提供了极大方便。输煤控制PLC则根据控制开关的输入信号，执行对应程序块，控制电机实现对应的功能，向上级工业控制计算机发送工作组态信息，接收上级工业控制计算机发送的事故停车信号，实现事故停车处理功能并启动报警设备。二者配合共同实现输煤系统的控制和监视功能。系统关系如图1所示。
CRT显示A/DD I/O 工控计算机其他系统PLC传感器输入（开关)输煤控制PLC输出（接触器）被控对象（输煤设备） 图1 系统关系简图
4、输煤系统组成
输煤控制系统由程控系统和监控系统组成，主要完成视频监控、动态图形显示、越线报警、自由报表及打印、历史数据采集、趋势图和棒图、历史数据储存和恢复功能等。输煤控制系统组成如图2所示。
图2 输煤控制系统组成
PLC程控系统
PLC控制系统是该程控系统的核心，其采用工控机为上位机、PLC系统为下位机的两级控制模式。 (1) 上位机
上位机采用DELL机，共设1台，分别用于程控部分的操作。系统软件基于Windows2000，并配以工业用人机接口软件。
6 (2) PLC PLC选用德国西门子公司S7-300系列，采用S7软件编程。通过现场检测各种设备装置，实现控制各设备运行状况。
PLC远程站配置有数字量输入、输出模块和模拟量输入、输出模块。数字量输入模块接受220VAC的输入信号，数字量输出模块输出电压为24VDC，用于驱动输出继电器，输出信号再通过继电器节点输出，在必要设备控制回路中加装隔离继电器，保证信号给入给出正常工作。
PLC组为系统中留有通讯接口，在条件允许的情况下，可以把现场的皮带保护装置进行通讯接口使用，并且通过加装各种传感器。令系统可以扩展成为：由一次元件主要由皮带保护元件和煤仓料们检测元件两部分组成，其中皮带保护元件包括:皮带跑偏开关、事故拉绳开关、速度开关、纵向撕裂保护装置、断带保护装置和堵煤信号发生器。煤仓料位检测元件包括:高料位开关和超声波料位计。
工业电视监控系统
监控系统根据其使用环境、使用部门和系统的功能而具有不同的组成方式。无论系统规模的大小和功能的多少，一般视频监控系统由摄像、传输、控制、图像处理和显示等四个部分组成。如图3所示。
图3 视频监控系统组成
视频监控系统依结构可分为：摄像、传输、控制和显示记录四部分。
摄像部分：是安装在现场的，它包括摄像机、镜头、防护罩、支架和云台。它的任务是对被摄体进行摄像，并把摄得的光信号转换成电号。
传输部分：把现场摄像机发出的电信号传送到控制室，它一般包括线缆、线路驱动设备等。
显示与记录部分：把现场传来的电信号转换成图像在监视设备上显示，并且可以把图像用硬盘录像机保存下来。所以，它主要包括监视器、硬盘录像机等设备。
控制部分：负责所有设备的控制与图像信号的处理。在输入与输出之间加上视频切换设备，负责视频信号的切换。
设备组成：
8 （1）前端设备主要有：摄像机、镜头、防护罩等。 （2）传输设备有：视频传输电缆、控制传输线、接线箱等。 （3）显示记录设备有：监视器 （4）控制设备主要有：硬盘录像机 其他设备
（1）摄象机、镜头的安装
根据实际情况及安全防范设备的具体使用要求，设计配置有定点彩色摄像机和动点全球摄像机，分别在各个运煤车间的各个重要部位。全方位监控运煤的情况，对意外情况可及时发现并及时处理，并可实时录像，并有录像作为处理问题的依据。如图4所示。
图4 监控输煤图象
（2）中心控制室设计
中心控制室设计安装有全套的工控设备，数字硬盘录像机、纯平显示器、操作台等设备，它们性能稳定、可全天候连续工作、反应速
9 度快、操作简单，一般人员操作两次即可熟练地进行布防、撤防等工作。由摄像头将监控信息实时传输到监控室，值班人员可对多路视频图像进行整体监视，数字硬盘录像机可控制云台、镜头的放大或缩小，二十四小时实时录像，具有直观、实时、记录、回放等特点。 （3）全双工对讲系统
系统特点操作简单，坚固耐用，各级主机之间，各级主机与分机之间为纯双工对讲方式，效果清晰、逼真。分机面板上有一个红色呼叫请求按钮。并有工作状态指示灯，满足夜间使用。监听器采用时分电路设计，监听声音音质清晰。 （4）外部传感器
输煤系统传感元件是实现自动检测和控制的重要环节，对输煤设备的安全运行起着举足轻重的作用。可以说整个程控系统是以外部传感器的可靠性、灵敏性为基础的。
本工程共使用了以下八种传感器：拉绳、跑偏、撕裂、打滑、料流、堵煤、高煤位和低煤位料位计，其中前7种均为常规型号，低煤位选用超声波料位计。 （5）远程变频控制柜
用于现场变频控制给煤机，并且远程与PLC进行通讯。可以就地远程切换，实行在现场和控制室操作功能。 （6）通讯方式
本地站与远程站之间通过屏蔽双绞线(西门子公司专用)通讯，采
10 用双缆备用方式，上位机与下位机之间通过屏蔽同轴电缆构成通讯网络。
（7）抗干扰措施
7．1 信号隔离
所有现场I／O信号均经继电器隔离再进入输入模块，与系统本体在电路上分开。这些小型插拔式继电器只起转换隔离作用，没有任何逻辑功能。采用继电器对I／O信号进行隔离，可提高系统的抗干扰能力，增加输出接点容量，保护PLC模块，同时使控制室内、外自成系统，便于调试和维护。
7．2 接地屏蔽
接地是抑制干扰使系统可靠工作的重要方法，和屏蔽结合起来使用就可解决大部分干扰问题。PLC控制系统属于低频范畴，应遵循单点接地的原则，并且应将系统中的数字地、模拟地、屏蔽地分别相连，然后汇集到总的接地点，接入输煤系统接地网。
7．3 电缆选择与敷设
信号线之间的相互干扰主要来自传输导线间的电磁耦合，防止干扰的有效方法一是注意电缆型号的选择，尽可能选用金属铠装屏蔽型的控制、信号电缆。另外在电缆敷设时应注意将动力电缆和控制电缆分开，模拟量信号线和开关量信号线分开，直流信号线和交流信号线分开布线，以减少不同类型信号间的干扰。
7.4 软件容错
11 在目前现场设备信号不很可靠的情况下，对不是严重影响设备运行的故障信号，采取不同时间的延时判断，若延时后仍不消失再执行相应动作。此外还可充分利用各种信号间的组合逻辑关系构成条件判断，使单个信号出现错误时，不会因错误判断而影响系统正常的逻辑功能。这种方法在现场调试时具有很大的灵活性。
5、程控系统运行方式及功能
程控系统提供了对运煤和配煤系统及其所有设备进行操作、监视、管理所需要的一些软、硬件条件和功能。
运煤控制系统的运行方式
运煤控制系统的运行方式分为:自动程序、远方手动和就地手动。 a) 自动程序:按PLC设置的程序,通过工控机操作实现。 b) 远方手动:通过PLC和工控机对全部运煤和给煤设备实现一一对应的操作。
c) 就地手动:不经过PLC,仅能在就地柜上操作。
本程控系统完成其中前两种运行方式。自动程序方式是主要的运行方式。操作员能选择一个完整和合适的路径。以便将煤直接运送至煤仓，或者从煤场运至煤仓。只有当选择合适的和完整的路径，且所有信号表明允许启动，并显示预启成功后，才允许操作员使用“系统自动启动”。
12 给煤控制系统的运行方式
往复给煤机监测工作电流、运行状态、并进行启停控制和转速调节（变频器），其工作电流由电流传感器进行监测并将转换后电流信号送到监控室的组态软件电脑上进行显示。其运行状态在电脑上进行显示并可建立数据库存储，当电机处于运行状态时，指示灯处于点亮状态。启停控制由按钮通过PLC对输出进行控制，变频器的转速调节可由组态软件进行给定操作，给定时，按变频工作的满量程频率量的百分比数值进行给定，例如变频工作频率为0—50Hz，要求其工作在25Hz时，由给定器上操作键入50％即可。 或由上位机软件通过通讯方式进行设定，可同样达到手动设置的功能。
a) 自动给煤按PLC设置的程序,通过工控机操作实现。 b) 远方手动给煤通过PLC与工控机对各变频器实现一一对应的操作。
c) 就地手动给煤不经过PLC,仅能在就地操作箱上操作。 本程控系统完成其中前两种运行方式。自动给煤是主要的给煤方式。操作员在CRT上调出“给煤”画面，通过鼠标操作给煤机。操作员可视机组运行需要和仓满情况，进行给煤速度的快慢给定。
设备联锁功能
所有的运煤设备按工艺要求进行联锁，联锁按下列方式进行。 a) 启动时按逆煤流方向，从最后一条皮带(及相关设备)开始依
13 次启动，直到第一条皮带(及相关设备)启动后，才开始供煤，每条皮带启动前须响铃30s。
b) 停运时按顺煤流方向，先停供煤设备，然后从第一台至最后一台设备依次停止，每台设备之间按预定的延时时间发停机命令，即要求前面设备的余煤清除后再停止其运行。
故障时，故障点及其上游设备瞬时停机，故障点下游设备保持原工作状态不变。待故障解除后，可从故障点向上游重新启动设备，也可以在故障未解除时，从故障点向下游开始延时停设备。联锁能阻止任何设备超出顺序的启动。当系统采用自动程序方式运行时，必须按上述联锁关系启停设备。当系统采用远方手动方式运行时，可以解除某个设备的联锁，以便对该设备进行试验操作，当有设备被解除联锁时，CRT上有报警显示，此时操作员应十分小心。在CRT上及操作台都设有“紧急停止”按钮，当出现危害设备或对人身产生危险的故障时，系统应立即停止，操作“紧急停止”按钮能立即停止除碎煤机以外的其它设备。
系统启动时的联锁关系的依据主要是电动三通的位置，即三通通哪一路，哪一路即应联锁，所以系统启动前，电动三通的位置必须正确。其联锁关系是上一级设备没有运行时下一级无法启动，上一级设备停止时下一级也马上停止。考虑到设备的检修等特殊情况，允许皮带输送机等设备解除联锁时，会以报警的形式提醒操作员。系统停止时的联锁关系依据主要是操作员所选择的运行方式，所以在系统启动前，应选择正确的运行方式。无论是手动或自动，操作员都应正确选
14 择运行方式，在手动操作时，电动三通的操作也必须与所选的运行方式一致。
系统内所有设备的状态都能在CRT上明确、醒目地指示出来，使操作员一目了然。且系统为操作员提供了方便、及时、详尽、清楚的报警管理功能，为操作员提供了实时的和历史的数据记录和查询。
分炉计量功能
分炉计量功能利用犁煤器的升降信号完成各炉的分炉计量。该功能可选配点料位开关，完成上煤自动化（程序化）。即上煤前在计算机屏幕上选择几个煤仓需要上煤，选好以后，系统将这几个煤仓顺序控制犁煤器的升降。自动上煤，无需操作人员干预。点料位开关用于控制煤仓上煤量、同时解决煤仓满溢出问题。
如在煤仓下部、上部装有阻旋式或电容式料位开关，可以对煤仓的煤位进行监控，同时利用计算机较准确地模拟煤仓煤位状态。通过皮带秤用来计量输煤皮带机上的煤量，送入计算机。在皮带秤和犁煤器之间的煤流量，通过拉姆齐流量存储器记录，送入计算机。从犁煤器处的接近开关得到信号，判断哪个煤仓进煤后，把流量存储器记录的煤流量和皮带秤记录的煤流量在计算机上相加得到那煤仓的煤量。采用此种方法计算煤量，精度高，维护量小、统计报表齐全、改造费用少，几乎没有误差等优点。如图5在线燃煤分炉计量系统秤体和图6分煤器及位置传感器。
图5在线燃煤分炉计量系统秤体
图6分煤器及位置传感器。
跑偏保护功能
通用的安装动作臂距皮带边缘大约80到150mm。通常跑偏保护传感器安装在皮带两侧距头部或尾部滚筒0.3到2米的地方。皮带跑偏后，迫使动作臂偏离，触动SPDT报警微动开关。如果继续偏离到停机角度，触动另一组触点，输送机就会保护性停机。皮带跑偏传感器安装如图7所示。
如图7 皮带跑偏传感器安装
16 纵向撕裂保护功能
在皮带机运输物料的过程中，纵向撕裂是个重大的事故。它不仅影响运输而且会造成重大的经济损失。纵向撕裂保护装置由感知器和电控箱两部分组成，感知器是纵向撕裂的检测元件。感知器安装在皮带下面，在皮带被异物划漏、破损的情况下，感知器能可靠地检测出来，使控制室实现自动紧急停机，同时面板告警指示灯亮，控制电路 自锁。为使控制线路恢复常态，可按动面板上的恢复按钮，此外面板上还装有自检按钮，当按下此按钮时，可模拟撕裂故障，检验控制系统的工作本保护装置可以对皮带运行进行连续检测，当纵向撕裂故障出现时，能及时发出停机信号，防止故障扩大。皮带纵向撕裂保护传感器如图8所示。
图8 皮带纵向撕裂保护传感器
打滑保护功能
打滑保护传感器直接安装在从动滚筒或大直径的托辊边上，检测皮带的速度状态。本速度开关的输出信号由一个比较器处理，被检测物体的运动产生一个振荡频率。比较器频率与检测物体的频率比较，
17 速度开关的开关电路输出在比较器频率大于检测物体的频率时，此时运行速度正常，无信号输出，当比较器频率小于检测物体的频率时发出打滑信号，回路继电器闭合或断开并使设备停机，速度开关一般适合监测低速问题，也就是检测物体运动速度低于开关予制速度时，引起开关发出打滑信号。注：所有速度开关须通电后延时9秒才能使监测机器与设备起动一致。
紧急停止开关
紧急停止开关采用双向拉绳开关是用于带式输送机输料现场发生事故时紧急停机的保护开关。在输送机两侧沿线任意位置均可启动开关发出停机信号，当输送机现场发生事故时，可在沿线任意位置拉动系在转臂上的钢丝绳，转臂带动机内凸轮旋转，从而驱动行程开关换位，发出停机信号，防止事故发生。本机防护性能好，采用隔爆型双向拉绳开关适用于煤矿井下有瓦斯、煤尘爆炸危险的环境。
以上是几种保护功能概述，本工程共使用了以下八种传感器：拉绳、跑偏、撕裂、打滑、料流、堵煤、高煤位和低煤位料位计，其中前7种均为常规型号，低煤位选用妙声力超声波料位计。可根据用户需求进行调整。
6、结束语
整个输煤系统安全可靠，稳定性高，控制灵活性强。且能够对各
18 个运行设备状态数据进行实时采集、动画监控、实时报警以及对历史数据的维护和管理等。克服了输煤控制系统控制设备多、工艺流程复杂、设备分散等特点，以及沿线环境条件恶劣，粉尘、潮湿、振动、噪音、电磁干扰等严重的不利因素。随着计算机和PLC技术的提高，输煤系统的自动化水平也在不断提高，目前已经做到了把相对分散的各个设备统一集中到一起控制的情况，几乎涵盖了全部的设备，这其中大部分设备可以自动顺序启/停，个别设备能够上位机手动操作，表明了目前自动化水平的提高。相信随着我国电力工业的发展和计算机、PLC硬件及软件水平的不断提高，程序控制作为输煤系统的主要控制方式，在未来将得到更加广泛的应用。
