基于PLC控制垃圾发电系统的研究

霍胜平

摘 要：随着全球市场经济的发展和城市化人们生活水平的不断提高，垃圾产量日益增多，对环境造成的污染也日益严重。大量产生的城市生活垃圾，已经成为一个污染环境、影响人们生活质量的社会性问题。而在另一方面，生活所需的资源却不断匮乏，石油天然气，太阳能，风能，尤其是清洁能源，人类在不断的能源掠夺中甚至爆发战争。在城市化生活的今天，为改善人们的生活质量以及建设工业现代化，变废为宝，垃圾发电可以给我们带来巨大的收益。把可编程控制器PLC与SCADA系统相结合，开发出垃级发电系统。该系统将发电机组与自动化控制技术相结合，通过Viejo CITECT上位机软件设计垃圾发电机组调度系统，在人性化中文操作界面上，显示发电工艺运行工况及各种系统配置参数。整个系统集成度较高，能够满足发电机组系统分散化、网络化、智能化控制运行的要求。

关键词：发电机组系统；PLC控制；SCADA系统；通信系统；

中图分类号：TP272 文献标识码：A

Research on waste power generation system based on PLC

HUO ShengPing

(Schneider Electric (China) Co., Ltd. Shanghai Branch, 200331)

Abstract: With the development of global market economy and urbanization, the continuous improvement of people's living standards, the output of garbage is increasing, and the pollution to the environment is becoming more and more serious. The large amount of municipal solid waste has become a social problem that pollutes the environment and affects people's quality of life. On the other hand, the resources needed for life are constantly scarce. Oil, natural gas, solar energy, wind energy, especially clean energy, human beings even break out of war in the continuous plundering of energy. In today's urbanized life, to improve people's quality of life and build industrial modernization, waste power generation can bring us huge benefits. Combining PLC with SCADA system, a waste power generation system is developed. The system combines the generator set with automatic control technology, designs the garbage generator set dispatching system through Viejo Citect host computer software, and displays the operation conditions of power generation process and various system configuration parameters on the humanized Chinese operation interface. The whole system is highly integrated and can meet the requirements of decentralized, networked, and intelligent control operation of generator system.

Key words: generator system; PLC control; SCADA system; Communication system.

1引言

为了满足人们日益增长的生活服务需求及解决城市化所带来的垃圾问题，将绿色能源服务千家万户，一举多得的收益。各地政府设立城投公司纷纷引入新技术，谋求创新发展。随着我国工业自动化水平的不断提高，垃圾发电大很大程度上减缓了我们的能源使用的不平衡，实实在在的给人们生活提供了便利。垃圾发电技术是指通过特殊的垃圾处理方式，再通过蒸汽轮机提供的多个发电机组能量转换产生电量的一种发电形式。垃圾发电技术按照 垃圾处理方式可分为垃圾焚烧发电和垃圾填埋气发电两大类，本次讲到的是垃圾填埋气发电技术。利用先进的计算机技术、通讯技术、以及数据处理技术相结合，研发出能够动态对发机机组系统中所有运行工况进行实时调度管理的PLC控制系统

^[1]，对提高整个发电机组的运行效率、安全及稳定性等方面，具有十分重大的工程意义。

2 垃圾发电系统的硬件组成部分

2.1发电机组系统的总体设计方案

本次发电机组项目有6套发电机组成，现场每套发电机组有TEM 和GPU两组控制器，原GPU控制器内置H3卡，即DP卡，可以通过此卡完成PROFIBUS DP通讯，与施耐德公司M340系列PLC完成通讯。 原TEM 控制器内置RS232接口，采用SIEMENS S3964R协议，由于此协议是西门子较早专用协议，需要采用NT30协议转换器转换为DP通讯后与PLC完成数据较换^[2]。

通信系统将现场6组发电机组的所有数据传送至现有的SCADA系统。客户觉得原有的HMI触屏控制系统版本老化，操作不够智能化，希望进行系统升级优化，增设中控SCADA系列，以提高发电机组的工作效率，改善生产技术，并愿意接受SCADAD系统的培训。根据客户提供的设备的资料，发电机单元的内部数据的RTU通讯协议为MODBUS RTU协议；外部数据采集器接口为非标的485协议。 其网络架构如图1，垃级填埋发电系统的需求及难点。

图1 发电机组逻辑拓扑结构

此系统的难点有以下方面：

2.11 针对内部数据的通讯接口需要增加485-Ethernet转换器进行数据传输.

2.12 针对外部数据采集器的通讯接口需增加串口通讯器（支持自由开发）及485-Ethernet转换器^[3].

2.13 针对发电机组需在SCADA系统中添加大约15副画面（包括趋势）.

2.14 由于现场HMI系统版本老化，升级过程中需要对现有工程进行重新编辑、开发.

现场服务器OS 为windows 7 Professional, 服务器数量为一台，上位机软件为Citect SCADA software. 各机组将数据通过本地通信将数据送到分站处理器，分站设备汇总数据后通过以太网高速传输到总站PLC如图2数据传输模型，可以达到数据实时性和准确性。

图2 数据传输模型

目前发电机组数据已经进入SCADA系统中，每组发电机数据来源有两部分，一部分为发电机组内部数据，另外一部分为每个发电机组的外部数据包括环境数据及一些现场状态数据。各发电机组的外部数据有统一的PLC进行采集送至SCADA系统，发电机组设备如下表1所示，

表1 发电机组设备列表

序号	设备名称	规格	数量
1	燃气发电机组	TBG620 16K	6台
2	抽气风机
3	气动泵
4	冷凝液分离器		6台
5	冷凝液收集池		6座
6	主控室		7台
7	控制和输电设备	EDLEM00013	9台
8	变压器
9	空压设备	CGAH0305BUNGLBA-00	6台
10	沼气冷却设备	XK06-110-00068	6台
11	气体燃烧系统
12	避雷塔		6座

每组发电机点数大约600多点（包括发电机组数据及外部数据），趋势量为50个，报警量为400个（仅数字量报警），单机组数据如图3所示，

图3 发电机数据

每个PLC的IP地址如下：

1# 10.2.8.1

2# 10.2.8.2

3# 10.2.8.16

4# 10.2.8.4

5# 10.2.8.5

6# 10.2.8.6

外部数据采集PLC 10.2.8.17

发电机组已经在现场运行但所有数据还未上传至SCADA 其中发电机组内RTU 为DEUTZ公司的TEM CPU。外部数据采集单元为丹麦DEIF公司的GPU-2 控制器。通过数据转换到PLC分站完成数据集中采集。

2.2 PLC控制系统

本次垃圾发电项目采用施耐德Unity M340 PLC进行通讯，Unity M340 是 Unity 家族的新成员。它汇集了各种强劲功能和创新技术，全面满足各种需求。在工业自动化控制领域，为用户提供了各种自动化功能的最佳技术和高效、灵活、经济性的解决方案。

新一代高性能 M340 外形精巧，功能强大，将 Modicon 中端控制器硬件平台全面推向一个崭新的高度。新的 M340 处理器具有出色的存储和运算能力，通讯能力更强，性能更加的稳定可靠。PLC硬件配置表格如下表2 所示，

表2 PLC硬件配置表

Unity M340 PLC的特点：

• CPU 处理速度高达每毫秒 7K 条指令.

• 大容量内存，4MB 内部 RAM 和自带 8MB 存储卡。

• 计数，位置，回路控制等强大专用功能

• 超强的通信功能。

• 强大的 Unity 软件平台，支持中文和中文变量名。

• 系统升级、维护更加便捷；

• 外形精巧，稳定可靠。

通过施耐德公司强大的SCADA软件，CITECT软件读取客户现场六套设备的工作状态信息，以及完成相关的控制操作，以达到上位机软件可以监控和操作的目的。

2.3 SCADA系统

施耐德公司的VIJEO CITECT，作为行业内领先的工业软件自动化软件，提供了非凡的可扩展性、可靠性和灵活性，广泛应用在水处理、航天、汽车、化工等行业。它以WINDOWS操作系统为平台，具有完全的客户机/服务器分布式网络体系结构^[4] ，和实时、多用户、多任务、模块化的软件结构。内置五种冗余功能：I/O设备冗余，I/O通讯链路冗余，计算机冗余，局域网 (LAN)冗余，任务冗余。CITECT具有方便的汉字处理能力。

同时软件CITECT具有强大的功能，将系统功能分为五个相对独立的任务：

• I/O(输入/输出) -管理和优化所有的通讯。

• Alarms（报警） -监视所有的报警状态：模拟量，数字量，以及过程控制（SPC）

• Reports（报表） -控制，计划和执行数据报表的操作。

• Trends（趋势） -收集，记录和管理趋势和生成SPC（过程控制）数据。

• Display（显示）-HMI人机接口。与其他的任务接口时更新画面数据并执行控制命令。

2.4 通信系统

针对客户原有系统的系统架构，施耐德电气为用户提供一个与原有系统完全兼容的、操作一致的系统方案，在保证系统可靠性的同时又提供良好的开放性，便于系统未来的扩展^[5]。既能保证项目的快速实施，又能减少停机的风险。系统架构如下图4所示，

图4 通信系统构架

整个系统由三个层次构成，监控层、网络层和现场测控层。

监控管理层由SCADA软件平台构成，是控制系统的核心部分，显示人机界面，完成对整个发电机组系统的数据收集、处理、显示、监视功能，确认相应权限，并对相应设备进行输出控制^[6]；

网络层是系统网络构成的通讯单元，完成监控层与现场设备控制层之间的实时数据交换，完成自动化设备的接入，实现通讯物理介质和通信协议的转换、接入。

现场测控层完成数据采集与命令下达等功能，由PLC、RTU等智能设备组成。现场PLC选用施耐德电气最新的M340控制器，稳定可靠，功能强大。实现与6#发电机组内部与外部数据CPU通信，并将关键数据上传到中控SCADA系统中。

Modbus作为一个业内标准的通讯协议^[7] ，由施耐德电气旗下的莫迪康（MODICOM）公司于1979年首次提出，它是一个标准开放的，在工业自动化控制领域使用最广泛的网络通讯协议。Modbus于2008年被正式采纳于国家标准，标准号为GB/T 19582-2008。

3发电机组系统程序设计要点

3.1 下位机PLC程序

发电机组项目工作内容主要是通过CITECT软件读取客户现场六套设备的工作状态信息，以及完成相关的操作，以达到上位机软件可以监控和操作的目的。站点采集PLC数据的结构如下图5所示，

图5 PLC数据采集

现场各机组有TEM 和GPU两组控制器，通过PROFIBUS DP转换完成通讯，与施耐德公司M340系列PLC完成通讯。各机组数据采集完成后以总线方式将数据汇总传输到总站，实现了数据集中，稳定通信的目的。总站与各分站通信结构如下图6，图7所示，

图6 总站PLC与分站通信结构

图7 总站PLC状态

程序设计最大兼顾风机，流量，压力控制，各机组运行工况及数据传输完成后，CPU通过固定化的FBD（功能块）方式完成数据汇总及运算，如下图8所示，

图8 机组程序FBD

数据计算完成，输出风机实时运行频率，电流，实时监控各从站运行时的电机热状态，管道压力。

3. 2. 发电机组与PLC数据通信测试

GPU控制器与CITECT数据地址确认调试；GPU目前通过GPU本身所带的显示面板完成参数配置，可通过SYCON进行连接如下图9，图10所示，通过SYCON组态后，ID=2， DP SLAVE。

图9 发电机组通信

图10 发电机组通信

在线双击可查看SLAVE2 的参数，正好和H3卡（DP）的I/O字数相对应，完全匹配；

成功导入PLC程序后如下图11，

图11 发电机组通信

GPU控制器地址确认：由于原系统由MWM公司设计并完成，我们对于客户设备及运行工艺都不专业，各设备运行状况无法把握，所以我们也无法了解此系统各点数，以及各点数之间的相互联系.

调试准备工作，当现场需要进行操作时有现场MWM发电设备工程师在场进行监督和核对所接收数据是否正确，是否与当前系统数据一致，这是项目执行时所面临的挑战。
（1）与GPU相同，采集的数据较多，与MWM公司技术工程师沟通确认了数据地址及类型。

（2）调试准备工作，正常调试开始时与MWM公司现场工程师确认当前设备工作状态及所接收和反馈数据是否正常，以便于PLC输出的执行单元提高执行效率以及准确性。

（3）当现场发电设备出现失常可以及时进行故障判断，记录以及处理，确保程序调试顺利完成。

3.3 上位机SCADA系统软件设计

为了便于现场机组运行管理人员对整个发电系统的监控，使用施耐德公司的CITECT设计软件设计出基于计算机中控台的大画面监控系统。通过电脑及投屏的人机界面，可以清晰、方便的监测各机组不同运动工况，如图12所示，

图12 发电机组数据

对于不同机组的运行工况，发电量，损耗情况都有相关数据及报表进行记录，如下图13所示，

后台随时可以进行查看及记录。

图13 发电机组数据

对于发电机组系统中产生的异常情况，也会有对应的报警提示，故障及触发的事件记录，便于客户随时可查看。系统会显示并完整记录事件发生的日期，时间，触发条件，事件内容等信息，便于日后的事件整理及系统分析判断及处理。SCADA系列数据显示如下图14所示，

图14 SCADA上位机数据

4 系统测试结果

多站点的通信设置便于数据采集和传输，总站PLC的高性能保障了数据统一传输的实时性和准确性，机组系统顺利完成的工作内容包括以下方面，

• GPU控制器内置DP通讯参数配置完成.

• GPU与M340 PLC通讯线路连接成功.

• M340 PLC通过DP通讯数据正常.

• M340 系统组态及主程序的建立完成.

• M340 PLC执行单元输出正常.

• GPU与主PLC之间的通讯地址映射完成.

• TEM 控制器RS422通讯端口定义及AVAT CON数据转换完成.

• TEM 控制器S3964R数据传输正常.

• TEM 控制器与NT30通讯转换器之间连接完成.

• NT30与M340通讯对接调试完成.

• NT30与TEM控制器数据通讯测试正常.

• SCADA系统数据通信全部正常。

5 结论

基于施耐德CITECT软件设计的人性化SCADA界面，大大简化了传统的控制方式，减少了运维操作人员的工作量，使运维人员能够更加及时的了解各发电机组的运行情况，并可以通过主界面对机组的某些参数进行设置，防止事故的发生。在软件程序设计过程中，充分考虑到整个系统运行报警和故障的智能诊断，提高了机组控制系统运行的安全及可靠性。利用PLC与SCADA相结合的自动化控制系统具有数字传输准确、设备操作简单、运行安全可靠、系统维护方便的优点^[8] ，对整个发电机组系统的运行效率提供了有力的保障。

参考文献:

[1] 刘力. 组态软件在PLC实验系统中的应用[J].实验室研究与探索，2014.

[2] 甘能. 基于PLC控制技术在工业自动化中的应用研究[J]. 电子技术与软件工程，2015.

[3] 黄家善. 电力电子技术. 第二版[M]. 北京: 机械工业出版社，2009.

[4] 何富其. 基于PLC的自动化控制系统的配置与组态分析[M]. 北京大学: 制造业自动化，2011.

[5] 赵晶. 基于PLC自动化控制系统的通信技术研究[M]. 东北大学: 电子与通程工程，2012.

[6] 肖丽仙. 顺序控制设计法在PLC编程中的应用[J]. 自动化技术与应用，2013.

[7] 郎学政许同乐李中华. 基于Modbus协议的PLC在自动供水监控系统中的应用[J]. 仪表技术与传感器，2013.

[8] 王宏王子成崔光照. 基于组态软件的PLC电梯控制和仿真研究[J]. 制造业自动化，2013.

本文作者信息：

姓名 ：霍胜平HUO ShengPing
性别 ：男
出生年月：1981-10-17
籍贯（精确到市）：上海市
学历：本科，工学学士学位
职称：电气自动化，中级（2013年评）
研究方向：电气自动化
单位：施耐德电气（中国）有限公司上海分公司Schneider Electric (China) Co., Ltd. Shanghai Branch
单位邮编 ：200331

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