砂石加工系统的电气设计探讨与优化

兰 芳

（葛洲坝集团第五工程有限公司，湖北　宜昌　443002）

摘 要：总结近十年的砂石系统电气设计的实例，针对砂石加工系统的电气设计的具体特点，从供配电、电气控制两方面进行讨论。在电气控制上，从三峡的右岸一期砂石系统的继电器控制，三峡古树岭人工砂石系统的PLC控制，到广西龙滩水电站大法坪砂石系统的计算机监控系统，数砂石加工系统的电气控制历程，以资后鉴。

关键词：供配电　电气控制　设计　砂石加工系统　三峡　广西龙滩

1 前言

系统的电气设计是关系到系统能否安全、可靠、经济地运行的重要因素。在遵循设计规范的前提下，针对砂石系统的具体特征，对系统电气设计进行探讨。

2 供配电

砂石系统电气设计的供配电部分主要是指：①10kV、6kV供电系统设计；②各配电室电气主结线及电气布置设计；③照明、防雷、计量设计。

2.1 10kV、6kV供电系统设计

砂石加工系统施工用电属电力系统中的Ⅱ类负荷，一般采用双回路供电。

砂石加工系统功率因素为0.65～0.75，远达不到供电部门的质量要求 （即cosψ在0.85以下时），考虑采用人工补偿装置。较多采用的高压补偿方式，在35kv配电所的10KV或6kv侧安装高压电容器柜；系统内的各配电所低压侧母线上增设电容补偿柜进行无功补偿。综合补偿后功率因数将达0.90以上。

根据砂石系统工艺流程，确定系统装机总容量、高压容量、低压容量。分析系统最大运行方式装机功率、最大负荷运行时总功率，负荷率占总装机容量比例。

根据砂石系统平面布置图中的用电负荷的分布情况选择配电所，确定供电线路方案。在负荷集中区设置配电所，一般设在料场 （或上料码头）、粗碎车间、中细碎车间、制砂车间、成品堆场、取水或水处理车间这些车间附近，供动力设备及照明用电。根据地形及设备布置情况采用架空线或电缆线路。

在敷设电缆线路时选择距离最短的线路，同时考虑房屋建筑位置，尽量减少穿越各种管道、道路和弱电电缆的次数。在电缆线路经过的地方尽可能保证电缆不致受到各种损伤（如机械的损伤、化学的损伤、地下电流的电腐蚀等）。

2.2 各配电室电气主结线及电气布置设计

配电所的设计一般由三个部分组成：高压室、低压室、变压器室。高、低压室内装设高、低压配电装置。高压线路及变压器高压侧架空进线装设户外跌落式保险及避雷器，以保护设备和线路。低压线路和各用电设备装设综合保护柜、低压配电柜等，安装在柜内的断路器具有电流速断、过电流、断相等保护功能，用于检测、保护和监视系统的运行。

系统内需进行自动控制的电力拖动设备启停控制：其中粗碎、中碎、细碎及制砂设备采用供应商提供的启动柜启动，洗石机、废水处理车间排砂泵、提水泵站清水泵采用星—三角降压启动，其余设备采用直接启动。

配电所设计是在电气主接线设计的基础上进行的，在设计中遵循以下原则：

①工作可靠：设备的规格合乎技术要求，在设计时，除了在一切情况下均能保持带电部分至接地部分或带电部分之间的最小安全距离外，同时还考虑到各种可能的意外情况而给予一定的裕量，有防止灰尘和小动物入侵的措施，为防止运行人员在维护和检修中意外接触带电部分，配电装置设有固定或可拆卸的围栏。

②维护、检修方便：配电装置的布置考虑到运行人员操作和设备检查的方便，对各种通道考虑到最小的宽度，并留有适当数量的新增开关柜 （发展） 安装位置。

③经济合理：在保证安全和可靠的条件下尽量降低造价，尽可能节省设备和材料，节省占地面积和建筑工程量。

2.3 系统照明

对于照明设计，值班室、配电室、办公室的照度设计标准为50LX；筛分楼、制砂车间、胶带机头等的照度设计标准为30LX；其他走道则为20LX。廊道内和筛分楼采用36V安全电压供电。

2.4 防雷接地

工频接地电阻达到如下要求：系统接地标准为4Ω以下；避雷针接地标准为10Ω以下；计算机和通信系统接地标准为4Ω以下。在接地网的施工中，充分利用自然接地体和加接地降阻剂的方法，达到接地要求。

2.5 计量设计

为满足供电部门的计量要求及本系统内部经济分析，计量设计必须保证电度计量的准确。为此，在系统设置高压计量装置，在各配电室装设低压计量装置。

3 电气控制

砂石加工系统的电气控制由继电器工业过程发展到PLC控制、计算机监控。

（1） 继电器控制

按工艺流程实行群机联动。各胶带机启动考虑对下一级胶带机延时，以错开启动电流。线路保护选用自动空气开关，过载及短路保护选用热继电器。

三峡工程右岸一期砂石系统采用集中控制、就地控制与监视相结合的控制方式。除长胶带配电所外，在各配电所内均设有集中控制台。设备的启动运行、停机可在配电所的集中控制台上操作，也可分别在机房操作。控制室与现场通过电铃和信号灯联络。

（2） PLC控制

砂石加工系统90%以上的控制任务是设备的顺序控制。可编程控制器 （即PLC） 能适应大量的顺序控制。PLC组态方便，系统扩展灵活，可维护性强，编程方便，性能价格比高，可在恶劣的工业环境下长期可靠地工作。

可编程序控制器是以微处理器为基础，综合计算机技术与自动控制技术为一体的工业控制设备，是基于硬接线逻辑控制技术和计算机技术发展起来的。可编程控制器 （PLC）通常被认为是由等效的继电器、定时器、计数器等元件组成的装置。继电器控制方式中的控制功能的实现主要是通过对继电器进行硬件接线完成相应的控制功能，而PLC控制只需进行编程即可实现所需控制要求。

由于采用软连接，在工艺流程更改或生产设备更换时，可不必改变PLC的硬设备，通过程序的编程和更改就能适应生产的需要。在故障维护方面具有传统继电器控制无法比拟的优点。

三峡工程古树岭人工骨料系统采用逆料流启动，顺料流停机方式进行集中控制；分为一破车间至半成品堆场、半成品堆场至1#分料堆、1#分料堆至2#分料堆、1#筛分车间至2#筛分楼车间5个环节分别进行PLC集中控制；成品堆场的出料运输采用手动控制，且对事故状态的紧急停机作了设计。中控室分设于1#及2#配电所内。

（3） 计算机监控系统

龙滩水电站大法坪砂石加工系统采用的计算机监控系统。

计算机监控系统设备的运行、维护管理为实时动态管理。计算机控制系统的实时数据使管理者在办公室里就可以监测到生产现场的实际情况及报警信息，并可对取得的实时数据进行优化、分析，从而为保证生产设备的正常运转、降低生产成本提供重要的依据，使企业的管理达到一个新的高度。(www.xing528.com)

计算机监控系统，将自动地对运行设备的参数进行巡检，若发现异常情况则自动报警或自动停止相应设备的运行并作相应纪录。

监控系统设备主要有：现场控制箱、PLC控制柜、监控计算机 （工控机）、显示和打印设备及网络设备等构成。

砂石加工系统计算机监控系统在设计上具有通用性。即编制的控制软件通用性强，便于修改，所配置的控制器配置灵活，连接方便 （在不同的砂石加工系统，该控制系统的所有控制设备及控制软件只要做少许的改动或重新配置后即可重复使用），工作环境适应性强，并可在恶劣的工业环境下长期可靠地工作。

监控系统采用分层分布式网络结构，分成中央控制级 （CCL） 和现地控制单元（LCU） 两级。

中央控制级 （CCL） 为1台上位工控机 （包括硬、软件） 及中央控制台 （台上安装主要的程控操作按钮），中央控制级和各现地控制单元之间通过符合TCP/IP的工业以太网总线相连。上位工控机为系统的控制中心：能控制、监视、远程操作所有的现地控制单元设备的运行；通过网络接口与现地控制级设备通信。中央控制台可通过按钮控制各现地控制单元运行 （可在脱离上位机或上位机故障状态下使用）。

现地控制级包括现地控制单元 （LCU） 由可编程序控制器及相关网络设备组成，可编程控制器可选用欧姆龙、西门子、施耐德等国际品牌PLC。各现地控制单元通过profibus-dp、MB、MB+等现场总线组成现地控制网，各现地控制单元作为总线网上的1个节点，除能独立自动完成监控范围内所有设备的运行及数据采集、处理之外，也能通过现地控制单元盘上的手动操作功能，远方控制现地设备的启、停。能通过采集数据，进行数据处理并控制相应设备的运行，各现地控制单元通过网络总线进行数据交换，实现网络资源共享。各现地控制箱将采集的数据送入相应车间的现地控制单元内，并具有现地手动/自动切换控制功能。在自动方式下，设备由上位机及中央控制台控制；在手动方式下，通过现地控制箱按钮启停设备。现地控制箱上设紧急停机开关和电铃，设备自动启动前通过振铃发出开机信号，手动方式下，能在现地手动振铃。

砂石加工控制系统的所有设备按工艺流程及现场所处的位置等特点，可将其分为几个相对独立的分系统，相应设置几套PLC现地控制单元，即砂石加工系统、供水系统及废水处理系统等。每个控制系统各配置一套控制设备。各分系统连同该分系统设备的配电柜一起放入各自的控制室。其优点是节省控制电缆的敷设数量及费用。同理，在每个分系统中，可将不同的生产车间或工作场所设置相应的远程I/O分站。

上位机的设置

上位机用来完成控制系统的监控和管理任务。其主要功能有：

①监测显示系统的工艺流程，各设备的运行状态，工艺参数值，存储有关系统的主要运行工艺参数值，进行故障报警及处理。

②为控制系统配置组态 （如PLC I/O点地址的分配，上位机与下位机PLC传输数据的通信模式确定），为PLC编程。

③向PLC发设备及某个工艺流程的启、停车等各种控制指令 （替代传统操作台上的所有控制按钮）。

④实现与各分控制系统之间的通信联网操作，可与工厂级的管理计算机 （如果有的话） 进行联络，完成必要的生产管理功能。

⑤打印各种生产报表。

工作方式的设置

砂石加工控制系统的控制方式分为自动方式和现场手动操作方式。自动方式为系统的正常工作方式，现场手动操作方式仅用来对单台设备进行维修、调试及现场应急处理用。根据砂石控制系统的特点，在“自动方式”下增加了“全自动”方式和操作台集中远程手动操作 （通过操作员在上位机上用鼠标操作控制设备的启、停） 方式。所谓“全自动方式”是指顺序自动完成启、停车任务。而“操作台集中远程手动操作”方式则是操作员按照预先规定的启、停车顺序手动操纵鼠标逐台完成流程内所有设备的启、停。二者的共同点是均在程序控制下工作，唯一的差别是后者在操作时，加进了人工智能的作用，往往获得比“全自动”方式更好的启、停车效果。

①手动/自动切换开关的设置。

手动/自动切换开关装在现场设备的现地控制箱内，其优点是可以方便处理现场突发事件。因为一般在集控系统运行时，现场往往会安排一至数名巡视员，一旦现场出现某种突发事件，而PLC又无法识别时 （如某重型异物突然砸在皮带或某设备上，或设备基座连接螺钉突然松动等类似事件），则巡视员发现这种突发事件后可立即在相关设备就地控制箱上扳动紧急停机开关停机或将其手动/自动切换开关立即打向“手动”侧，并按下“停车”按钮，将设备紧急停车，完成应急处理。从而保证设备的安全运行及人身安全。

②输入、输出 （DI/DO） 信号的确定。

在设计控制系统时，每台设备进入PLC的开关量输入 （DI） 信号包含：

a. “电源监视”信号 （判断判别主回路电源是否接通）；

b. “运行”信号 （判别设备是否启动起来）；

c. “自动工作方式”位置信号 （判别控制设备是否在自动方式）；

d. “过载保护”信号 （判别控制设备是否发生热保护动作）。

对于部分胶带机还需采集机械保护信号：“皮带跑偏”信号。

所有的DO输出信号均经过继电器隔离后输出，每台设备受PLC的开关量输出 （DO）信号控制的包含：

a. “启动/停止”信号 （向受控设备发启动/停止命令）；

b. “报警”信号 （综合受控设备工况发出报警信号，闭锁相应回路）。

对中央控制台，需采集自动、系统预告、控制单元启动、控制单元停止、控制单元急停、全系统急停、全系统复位信号，并输出相应各类信号指示。

上位控机的“骨料系统监控系统”（管理系统软件）

系统共包括三部分功能：实时模拟图监测、历史数据分析和灵活报表。

实时模拟图监测功能以系统模拟图的方式监测生产现场实际情况，实时观测生产现场的各项指标。数据的显示方式包括模拟量的实时数字显示、开关量的实时图形显示，实时数据的实时棒图显示、列表显示等；当数据超过规定的限值时，系统可自动产生报警信息。可以自定义实时数据的刷新速度，并可随时编辑各系统图的表现形式。

历史数据分析包括历史数据曲线和指标超限额运行时间统计两部分内容。历史数据曲线功能可以观察某项指标某一天的点值变化曲线及其报警线的显示，并可同时观察多项指标曲线的对比显示；可以放大曲线的任意区域来查看各取点时间精确的点值信息；可以查看各项指标的报警限值，统计每项指标在给定时间段内的最大值、最小值及其各自的取值时间，浏览超过报警限额运行的时间点及其点值并进行汇总统计等。超限额运行时间统计功能可以查看任意区间内某项指标超过报警限值运行的时间累计情况，从而使管理者能根据此数据不断调整、优化生产过程。

灵活报表功能实现企业的生产日报表及班报表的组态及查询功能。此功能的实现为企业的管理者及时、快速地了解生产情况，分析生产过程提供了依据。

4 结语

砂石加工系统电气设计，在典型方案与新方案之间探索，几大系统的成功运行给后续的特大型、大型砂石系统设计积累了经验，可为借鉴。

◎作者简介：

兰 芳，女，葛洲坝五公司砂石科学研究所高级工程师，副所长。