电厂锅炉等离子点火的控制系统

The control system of the power plant plasm ignition system
Li benwei
Yantai Longyuan Electric Power Technology Co.,LTD，
No.9 HengShan Road ,Yantai Development Zone,Shandong,China ，Postcode: 264006
ABSTRACT: It has given a systematic and detailed introduction of the Plasma control system net,hard wear equipment of control system ,the logic of the automatic control system by Plasma generator and Plasma ignition system,the electrical resource of Plasma generator and its share and the exchange,the access of the control system and the DCS system.
KEY WORDS: Plasma generator；Process Field BUS；PLC；CPU；DCS；Modbus；OPC

摘要：系统地详细地介绍了等离子点火控制系统网络，控制系统硬件配置，等离子发生器自动控制逻辑和等离子点火控制逻辑，等离子发生器电源及电源的共享与切换，控制系统与DCS系统的接口。
关键词：等离子发生器；现场总线Profibus；PLC；CPU；DCS；Modbus；OPC

1 系统概述

烟台龙源电力技术有限公司成功开发研制出DLZ-200型工业性等离子发生器，可直接点燃煤粉，用于电厂锅炉的点火启动和稳燃。2000年10月该装置通过国家电力公司组织的专家组的鉴定，结论具有世界领先水平，建议在全国电厂大规模推广。迄今为止，全国范围内，在新建的机组上和旧机组的改造上已经安装和调试完成的等离子点火系统有100多套。等离子点火系统由等离子发生器，直流电源系统，等离子点火燃烧器，制粉系统，一次风风速在线监测系统，压缩空气系统，冷却水泵系统，图像火检系统等组成。这些系统主要由可编程控制器完成自动控制过程，并通过现场总线方式实现在中央控制室进行这些系统的监测控制管理。

2 等离子点火系统介绍及控制任务

等离子发生器是等离子点火系统的核心部分，用来产生高温等离子电弧，其基本原理是在一定的磁场强度下，通过给特定结构的电极加特定的直流电源，通过电极的前后运动使电极之间的压缩空气在大电流、强磁场的作用下电离，形成高温等离子弧，冷却水用来冷却电极。将高温等离子弧置于煤粉管道中，煤粉以一定的风速一定的浓度经过电弧时，煤粉颗粒受高温迅速破裂，析出挥发份，再造挥发份，从而使煤粉迅速燃烧。特定直流电源的提供及自动调节控制，直流电源与电极动作的紧密配合能够使发生器自动点火成功，是自动控制的关键。根据锅炉容量的不同，单台炉应配备2-4个等离子无油点火装置不等，还需要通过现场总线实现设备的分布式集中控制，并且应留有与电厂其他控制系统的接口(如电厂的集散控制系统DCS)。

根据等离子点火系统的独有特点，通过考察和比较国内外知名公司的工控产品的性能和价格，选用了西门子公司的可编程控制器及大功率直流传动装置来给等离子发生器提供电源并完成等离子点火的自动控制过程；并通过Profibus现场总线实现设备的分布式集中控制。
3系统结构及硬件配置

控制系统硬件配置如下：（插图1）

3.1 等离子发生器电源

选用西门子公司的SIMOREG DC Master 6RA70系列全数字直流调速装置，配以大功率晶闸管三相全控桥式整流装置来得到大功率稳定的可调节的直流电源。具有以下特点：

功率50~150KW连续可调；能通过自适应自动测量出输出回路的电阻和电感值，并自动调节电流调节器的增益和积分时间，以达到控制参数的最优化；具有完善的通讯功能，支持USS串口通讯和Profibus现场总线通讯方式；具有简易便捷的参数设定及监控；具有完善的过压，欠压，过流等保护功能；通过其他功能模板可实现很多附加功能。

3.2 等离子发生器启弧逻辑控制PLC

选用S7-200 CPU224 可编程控制器来对直流电源和电极动作进行控制，实现等离子点火器的自动点火。具体方案如下：

使用USS串口通讯协议，S7-200 PLC采用自由口通讯方式编程，通过CPU224上的RS485通讯口PORT0与整流装置6RA70的RS485通讯口X172，完成PLC与整流装置之间的数据交换，从而完成PLC对整流装置的操作控制和各类状态信息的读出和条件判断等，实现直流电源的控制；电极控制信号及启弧必须的压缩空气压力、冷却水压力等信号直接接入CPU224固有的开关量输入输出端子，完成PLC对启弧条件信号的采集；通过CPU224内部的逻辑运算，实现等离子发生器启弧的自动控制；通过S7-200 PLC扩展Profibus网络通讯模块EM277 DP ，可以与主控站S7-300组成Profibus现场工业总线网络，完成各个角的PLC与主控站的数据交换，实现整个控制系统的分布式集中控制，根据通讯数据量的大小，EM277模块配置为16字入/16字出模式。

3.3 等离子点火控制主控站PLC

选用S7-300 CPU315-2 DP可编程控制器来完成整个控制系统网络的组建，实现电厂锅炉等离子点火的逻辑控制。具体方案如下：

采用Profibus-DP现场工业总线通讯协议，选用Siemens公司的S7-300 CPU315-2DP 作为系统的主控站，通过CPU上的DP通讯口与S7-200 EM277通讯模块连接，完成控制系统的Profibus现场工业总线通讯网络的组建，S7-300 PLC 的CPU作为网络的主站Msater Station，S7-200 PLC的CPU作为网络的从站，从而实现主控站对各个角等离子发生器的控制；采用MPI多点对等通讯协议，通过CPU上的MPI通讯口与支持MPI通讯协议的触摸屏上的RS485通讯口连接，完成控制系统上位机触摸屏与下位机S7-300 PLC的通讯，选用SIEMENS公司的TP27或Proface 公司的GP2500系列触摸屏，可直接通过串口与S7-300通讯，通过适配器实现S7-300 MPI口RS485/RS232方式的转换，可与其它公司的触摸屏（如Eview）通讯；利用CPU315-2DP处理模拟量功能较强、精度较高的特点，通过扩展模拟量AI/AO模块，完成等离子点火燃烧器壁温测点的监控、一次风在线监测系统的监控、一次风门二次风门的调节控制；通过S7-300 CPU315-2DP的数字量I/O模块，实现对辅助系统冷却风机、冷却水泵、载体空压机等的集中控制。

等离子点火控制系统硬件配置图(插图1)

4控制程序结构与流程

按等离子发生器工作的特点和要求编制的控制程序保证了发生器启弧过程可顺利地进行，并对发生器启弧过程各装置提供了有效的监控和保护。根据系统要求启动等离子发生器要分遥控/本控两种方式。在本控操作时，通过电源柜可以对直流电流和阴极位置随时进行必要的调整，以适应不同煤种和工况条件下的点火参数需求。自动控制等离子发生器启弧流程如插图2所示。

等离子发生器启弧流程图(插图2)

等离子点火是整个锅炉点火启动的一个重要的阶段，因此等离子点火的控制逻辑要结合整个锅炉的点火启动控制，特别是锅炉燃料的控制和锅炉炉膛安全监控系统(FSSS)的控制。以中储式给粉系统为例，等离子点火启动锅炉的控制流程如插图3所示。

等离子点火启动控制流程图(插图3)

主控站S7-300 CPU任务较多，通过合理设计程序结构能大大减少程序的扫描时间，提高CPU的工作效率。主循环程序OB1结构简单清晰，因为四个角的等离子发生器的逻辑控制完全一样，可用循环程序来调用同一个子程序（FC功能块）的办法来完成重复的四个角的等离子发生器启弧的逻辑控制，其他辅助系统的控制分别由四个功能块来完成，在OB1内调用这些功能块。主控站S7-300 CPU与从站S7-200 CPU交换数据需要调用系统功能块SFC14、SFC15，主控站CPU与4个从站交换的数据分别放在4个DB数据块中，在调用各功能块之前打开各自的数据块，完成参数的传递。

5等离子点火控制系统与电厂分散控制系统(DCS)的接口

分散控制系统DCS在的火电厂的应用已经很普及，作为锅炉点火的重要部分的等离子点火系统的控制要结合到DCS系统的控制中，由DCS操作员站来完成对等离子点火的监控。等离子点火控制系统可以采用硬接线方式或通信方式方便的接入电厂的DCS系统。

5.1等离子点火控制系统的控制信号通过硬接线的方式接入DCS系统

等离子点火控制系统的控制信号通过硬接线的方式接入DCS系统，实现电厂DCS对等离子点火的监控，可以采用如下两种方式。

一种方式是，等离子点火控制系统设主控站，通过主控站的PLC的I/O扩展模块，采用标准的4~20ma和无源节点信号接入到电厂DCS的I/O模块上，从而完成DCS系统对等离子点火控制系统信号的采集与控制，实现DCS对等离子点火的监控。很多电厂的等离子点火改造都采用这种方式，例如：军粮城4X200MW机组的等离子点火系统的改造。

另一种方式是，等离子点火控制系统不设主控站，通过电源柜的S7-200 PLC的I/O扩展模块，采用标准的4~20ma和无源节点信号直接接到电厂DCS的I/O模块上，从而完成DCS系统对等离子点火控制系统信号的采集与控制。因为没有主控PLC，等离子点火的控制逻辑要由DCS来完成，实现DCS对等离子点火的控制。DCS的软件工作量相对比较大。这种方式工程已有应用，例如：镇江电厂等离子点火系统改造。

采用这种硬接线的方式将等离子控制系统的控制信号接入DCS系统，适用于所有的电厂的等离子点火的改造，实施起来简单易行。但是，这种方式存在着很多缺点，因为信号都采用硬接线的方式接入DCS，不论是等离子点火控制系统和DCS系统都需要增加很多I/O模块，相应得需要增加大量的接线端子和电缆，大大地增加了硬件成本，增加了等离子改造的初投资。而且，采用传统的硬接线的方式将信号接入系统进行控制，信号的精度和速度都较差，容易受到外界因素的干扰。

5.2等离子点火控制系统的控制信号通过各种通信的方式接入DCS系统

等离子点火控制系统的控制信号由作为控制系统核心部分的PLC通过各种通信的方式接入DCS系统，实现DCS系统对等离子点火的监控。实际上就是实现现在自动化领域中广泛推广的混合控制系统，即PLC与DCS通过相互通信而相互融合，成为集过程控制、顺序控制及批量控制为一体的混合控制系统。

由于PLC厂家和DCS厂家的控制系统的通讯协议都不公开，因此要实现PLC与DCS系统的信讯并不容易。针对不同的电厂的DCS系统，选用支持不同的通讯协议的Siemens专用通讯模块或者是选用不同的PLC作为控制系统的主站，目的就是选一种DCS系统和等离子点火控制系统PLC都支持的通讯协议，完成电厂DCS系统与等离子点火控制系统PLC的通信，从而实现DCS对等离子点火的控制。目前，针对不同的DCS系统有如下的几种典型的通信方式。

对于支持Profibus-DP通讯协议的DCS（如和利时公司的DCS系统）的电厂，可以以两种方式实现两个系统的通信。

一种方式是，等离子点火控制系统设主控站。主控站的PLC选用Siemens公司的S7-300 CPU315-2DP CPU，采用Profibus-DP通讯协议与DCS进行通信，从而完成DCS系统与等离子点火控制系统信号的采集与控制，实现DCS对等离子点火的监控。这种方式工程上已有应用，例如：佳木斯发电厂4X100MW等离子点火系统改造。

另一种方式是，等离子点火控制系统不设主控站。可以让DCS直接作为控制系统的主控站，由DCS直接与每个角的电源柜的S7-200 PLC组成Profibus现场总线网络，采用Profibus-DP通讯协议来进行通信，完成控制信号数据的交换。等离子点火的逻辑控制要由DCS来完成，实现DCS对每个角的等离子点火的监控。这种方式工程上也有应用，例如：巨化电厂等离子点火系统改造。

对于不支持Profibus-DP通讯协议的DCS系统的电厂，可以选用其他的通讯协议实现两个系统的通信。另外，随着工业以太网技术和OPC技术在电厂自动化的引入，也可以采用这种方式来实现两个系统的通信。

美国Modicon公司推出的Modbus通讯协议是最早对外开放的通讯协议，所以火电厂的DCS系统一般都支持Modbus通讯协议，Siemens 公司的S7-300 PLC也有支持这种通讯协议的专用通讯模块CP341。因此，采用Modbus通讯协议的方式实现等离子点火控制系统PLC S7-300与DCS系统的通信并不困难。采用这种方式实现两个系统通信的电厂很多，例如：例如：元宝山发电厂600MW机组的等离子点火系统的改造。

对于要求等离子控制系统的主控站PLC采用Modicon公司的PLC的电厂，也可以实现等离子控制系统PLC与DCS系统的通信。具体方案是：

选用Modicon的PLC作为等离子控制系统的主控站，这样PLC直接很方便的与DCS采用Modbus协议进行通讯。但是，要实现Modicon 的PLC与各个角电源柜S7-200 PLC的Profibus通信，需要在主控站上加装支持Profibus通讯协议的专用模块。这样就实现了DCS系统对各个角等离子点火的监控。这种方式工程上也有应用，例如：张掖电厂300MW机组等离子点火系统的改造。

对于要求等离子点火控制系统的主控站PLC采用AB公司的PLC的电厂，也可以实现等离子控制系统PLC与DCS系统的通信。具体方案是：采用AB的Controllogix系列的PLC作为控制系统的主控站，与支持AB公司的工业以太网TCP/IP协议的DCS直接进行通讯。要实现主控站PLC与各个角电源柜S7-200 PLC的通讯，需要加装Controllogix系列PLC的Profibus专用通讯模块，组成Profibus网络，实现DCS系统对各个角等离子点火的监控。这种方式工程上也有应用，例如：华能汕头电厂600MW机组等离子点火系统的改造。

对于选用其他公司的PLC作为等离子控制系统的主控站，要想实现PLC与DCS系统的通信连接，这种PLC必须要有支持Profibus通讯协议的通讯模块，这样就可以组成Profibus网络，实现对各个角的等离子点火的控制。PLC与DCS的通信，如果这种PLC与DCS支持相同的通讯协议，就可以方便的连接；如果不支持相同的通讯协议，可以通过共同的OPC的标准，实现两个系统的通信。

各个电厂可以根据自己DCS系统的实际情况尽量选用通信的方式实现等离子点火控制系统与DCS系统的连接，通信的方式相对于硬接线的方式有很多优点。首先，数字通信方式适应了火电厂自动化发展的需要，代表了火电厂自动化的数字化和网络化的发展方向。采用数字通信，一方面可以提高信号的精度和速度，提高了系统的稳定性和可靠性；另一方面，可以减少了大量的I/O模块，相应的可以减少大量的电缆和接线头，大大地节省投资，据国外计算，不算节省的I/O模块的费用，仅是电缆、桥架和敷设工程量及接线工作量就可以节省60%以上。

6等离子电源发生器电源的共享与切换

为了节省等离子点火系统改造的初投资，对于有多台机组都要进行等离子点火改造的电厂，可以采用多台锅炉的等离子发生器共用一套等离子电源的方式。通过等离子电源柜的切换实现等离子电源的共享，从而实现共用一套等离子电源实现多台机组的等离子点火功能。

目前等离子电源的共享方式有一拖二（两台锅炉的等离子发生器共用一套电源柜）、一拖四（四台锅炉的等离子发生器共用一套电源柜），各个电厂可以根据自己电厂的实际情况选用不同的切换方式。

为实现等离子电源的共享与切换，需要对控制系统作相应的改变，以适应控制的要求。等离子电源主电源电路和控制信号的切换由切换柜来完成，切换柜的控制进主控站PLC。两台炉或者四台炉的等离子点火控制系统可以选用采用一个共用的主控站的方式，也可以采用在各台炉的等离子控制系统上分别设主控站，各个主控站之间再进行通信，来完成数据的交换，以达到电源柜的控制共享。具体配置如下（以两台炉共享一台电源柜为例）：

6.1两台炉共用一套主控站的控制方式

两台炉的控制系统采用共用一套PLC来作为等离子控制系统的主控站，通过CPU上的DP口与电源柜的S7-200组成Profibus现场工业总线通讯网络，对各个角的等离子点火进行监控；通过CPU上的MPI口与两个触摸屏组成多点通讯MPI网络，两台炉分别通过各自的触摸屏分别进行切换和控制。一台炉在通过触摸屏对一个角的等离子发生器进行等离子启弧控制时，另一台炉不能通过触摸屏对该角的等离子发生器进行操作，保证系统的可靠运行。采用这种方式进行电源共享与切换的电厂很多，例如：大同二电厂6X200MW机组等离子点火系统的改造。

与各炉单独设主控站相比，采用这种方式进行等离子电源的共享与切换的优点是：简单方便，缺点是：操作可以相互互锁，完全分开，但显示不能分开，即一台炉在进行等离子操作时，两台炉的触摸屏都有显示。

6.2两台炉分别都设主控站，两个主控站之间进行通信，从而实现等离子电源的共享与切换的控制方式

两台炉采用两套S7-300 PLC作为该炉等离子点火控制主控站来分别进行等离子点火系统的控制，作为各自主控站的两套PLC之间进行通信，来实现数据的共享，从而实现等离子电源的共享与切换。两套PLC在整个通讯网络中是主从的关系，两套PLC分别与各自的触摸屏进行通讯，两台炉对各自的等离子发生器的控制互不干扰，完全分开。采用这种方式的电厂也很多，例如：例如：宣威电厂2X300MW机组等离子点火系统的改造。

与各炉共享主控站相比，采用这种方式的优点是：两台炉的等离子点火控制完全分开，互不干扰，缺点是：两个主控站是主从关系，主站出现故障，影响从站的控制。

7结束语

等离子点火控制系统自动化程度很高，数据采集量大，控制站较多，控制逻辑复杂，应用环境较差，要求系统可靠性较高。采用SIEMENS 可编程控制器和直流驱动装置很好的完成了等离子点火系统的自动控制任务，采用Profibus工业现场总线网络实现中心控制室对各个角等离子点火的分布式集中控制，适应火电厂自动化的数字化和网络化的发展方向。等离子点火系统现已经安装使用在烟台发电厂、佳木斯发电厂、大唐公司托克托发电厂、大同二电厂等50多个电厂的100多台锅炉上，配套的控制系统运行稳定，充分的满足了电厂锅炉等离子点火的控制要求。现在各个电厂的等离子点火节油效果显著，取得了可观的经济效益。

参考文献
[1] 侯子良。推广应用现场总线系统全面实现火电厂数字化。中国电力，2004，（3）
[2] DLZ-200型等离子点火器使用说明书V1.0 . 烟台龙源电力技术有限公司，2000.

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