摘 要：本文介紹了B&R 2005系列可編程計算機(jī)控制器（PCC）在某發(fā)電機(jī)組輔助控制系統(tǒng)中的應(yīng)用及該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，著重描述了該系統(tǒng)的工藝需求、功能以及軟件和硬件設(shè)計。該P(yáng)CC除了用于現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場自動化設(shè)備的控制。此外，基于B&R Automation Studio集成軟件平臺的編程、數(shù)據(jù)通訊設(shè)置及HMI畫面編輯功能用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動態(tài)過程，以實(shí)現(xiàn)了輔控系統(tǒng)有關(guān)生產(chǎn)崗位無人值守的設(shè)計要求。生產(chǎn)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：可編程計算機(jī)控制器；B&R 2005 PCC；輔控系統(tǒng)；無人值守
1 引言
發(fā)電機(jī)組輔助系統(tǒng)主要為整個機(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、樹脂顆粒混合清洗及氣動元件控制等領(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)備站房無人值守的要求愈加強(qiáng)烈。為滿足運(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)電有限公司對上述輔助系統(tǒng)進(jìn)行了無人值守設(shè)計與實(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)計要求
空壓機(jī)房無人值守系統(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)自動監(jiān)控是采用以可編程計算機(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)計要求，上述系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)采用典型的三級監(jiān)控方式。上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）作為主要的人機(jī)界面（HMI），為生產(chǎn)控制級，完成對下位機(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)由可編程計算機(jī)控制器（PCC）構(gòu)成，為現(xiàn)場測控級，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程；通過數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)入企業(yè)MIS系統(tǒng)，為企業(yè)管理級，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)計要求如下：
（1）在生產(chǎn)過程中，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PCC對這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集和處理。
（2）輔助系統(tǒng)無人值守的自動化控制，即實(shí)現(xiàn)整個空氣壓縮、儲存、輸送和工業(yè)、消防水處理過程的全自動控制，進(jìn)行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)并控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。
（3）對調(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)計要求，并對其故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時報警和聯(lián)鎖啟停切換控制。
（4）對電動機(jī)等重要現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行溫度、電流及振動的狀態(tài)監(jiān)測。
（5）控制系統(tǒng)具備雙路電源切換功能，當(dāng)一路電源故障時能可靠的自動切換到另一路，以保證任何一路電源的故障均不會導(dǎo)致系統(tǒng)的任一部分失電。
（6）自控系統(tǒng)通過控制器的冗余設(shè)計保證系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。
（7）將控制與視頻信號通過通訊網(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)場的無人值守。
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)水泵及消防泵房無人值守的設(shè)計要求，我們選用貝加萊工業(yè)自動化公司B&R 2005可編程計算機(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自動化軟件，來實(shí)現(xiàn)上述各輔助控制系統(tǒng)的各項功能。
當(dāng)前可編程計算機(jī)控制器（PCC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制計算機(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)境下長時間、不間斷運(yùn)行，且編程簡單，維護(hù)方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。
圖2 B&R 2005可編程計算機(jī)控制器（PCC）
B&R新一代可編程計算機(jī)控制器（PCC）綜合了PLC和工業(yè)計算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)和功能。它采用B&R的Automation Studio集成軟件開發(fā)平臺，支持多任務(wù)分時操作系統(tǒng)，能夠使用高級語言、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)計算機(jī)（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 3.0GHz處理器，1Gb內(nèi)存，160Gb硬盤；
（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)用軟件開發(fā)
B&R 的Automation Studio是一款集成軟件開發(fā)平臺，用來對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化過程中。HMI人機(jī)界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動化系統(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、故障報警，以及相應(yīng)操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護(hù)，發(fā)揮越來越重要的作用。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交互。通過自動化控制系統(tǒng)接收過程計算機(jī)和操作人員通過HMI輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后再將過程數(shù)據(jù)信息、機(jī)組狀態(tài)信息和各種測量值以符號、數(shù)值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。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)計目標(biāo)。
在上位機(jī)上用B&R Automation Studio軟件設(shè)計了多幅人機(jī)界面畫面，如圖5所示。主要包括以下幾個方面：
（1）工藝流程圖：在畫面中通過編程實(shí)現(xiàn)模擬顯示整個壓縮空氣、工業(yè)及消防水現(xiàn)場生產(chǎn)的全過程，并且在設(shè)備本體上實(shí)時顯示各路氣、水的壓力與溫度，以便于操作者能及時準(zhǔn)確的掌握設(shè)備本體內(nèi)情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時診斷。
（2）手操器的操作與對現(xiàn)場儀表的監(jiān)控：手操器有手動和自動兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時常用自動方式，以實(shí)現(xiàn)對一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。
（3）報警記錄：對于如罐內(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)時報警。當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，同時通過報警一覽表對話框可以檢查報警超出范圍以及錯誤出處，并對此采取相應(yīng)措施。
（4）實(shí)時和歷史趨勢：在此畫面中除了實(shí)時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進(jìn)而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進(jìn)一步的預(yù)測。另外，還具有生成報警或變量記錄數(shù)據(jù)運(yùn)行報表的功能。
（5）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設(shè)備對圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況。
圖5 系統(tǒng)主要監(jiān)控畫面
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傳輸提供穩(wěn)定可靠的保障。同時，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，通過軟件功能將信號以文字、圖像、報表等方式形成人機(jī)界面，操作人員通過此界面進(jìn)行監(jiān)控操作。
4.2 控制中心控制信號發(fā)送功能
控制信號由上位機(jī)經(jīng)通訊接口送入控制器，由控制器來實(shí)現(xiàn)各控制指令，完成對現(xiàn)場設(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)控畫面上點(diǎn)擊相關(guān)控制設(shè)備均可對其進(jìn)行控制，對相關(guān)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示、報警和歷史記錄并形成報表。通過攝像監(jiān)控功能實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況，可及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備及管路的跑冒滴漏現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)站房內(nèi)無人值守、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。通過以上控制功能的實(shí)現(xiàn)，最終完成對各系統(tǒng)的順序、調(diào)節(jié)控制。
4.5 系統(tǒng)聯(lián)鎖控制功能
連鎖控制是輔控系統(tǒng)的核心。特以空壓機(jī)連鎖做詳細(xì)說明：空氣壓縮系統(tǒng)共有5臺空壓設(shè)備，分為A段與B段，正常運(yùn)行時各段均有一臺空壓機(jī)運(yùn)行，在允許壓力范圍內(nèi)，設(shè)備將采用大循環(huán)啟停方式，即根據(jù)先啟先停的方式由程序控制循環(huán)運(yùn)行，循環(huán)時先啟動停機(jī)時間長的空壓機(jī)，加載后，再將需要停機(jī)的空壓機(jī)按步驟停機(jī)；當(dāng)母管壓力低于0.65MPa時，系統(tǒng)自動啟動另一臺空壓機(jī)，加載30秒后若壓力仍低于允許范圍，則再啟動一臺儀用空壓機(jī)，直至滿足壓力條件；當(dāng)母管壓力低于0.55MPa時關(guān)閉除油器出口電動門；當(dāng)A段或B段有兩臺以上空壓機(jī)運(yùn)行且母管壓力高于0.8MPa時，系統(tǒng)自動對運(yùn)行時間最長的一臺設(shè)備停機(jī)，直至滿足壓力條件或每段僅剩一臺運(yùn)行。
5 結(jié)束語
本文討論了基于B&R 2005系列可編程計算機(jī)控制器的發(fā)電機(jī)組輔控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了該系列控制器性能優(yōu)異、配置靈活、控制可靠、編程方便以及便于現(xiàn)場調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)。 該系統(tǒng)于2008年5月全面投入試運(yùn)，7月與機(jī)組一起正式投入運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，具有較高的自動化水平，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計目標(biāo)與要求，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠保障。同時，該項目也獲得了業(yè)內(nèi)專家及用戶的一致好評，具有一定的推廣價值。
作者簡介
周虹伯 男，高級工程師，碩士，主要從事工業(yè)設(shè)計工程領(lǐng)域工作。
山東省青島市四方區(qū)興隆一路6號 266031
