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案例頻道一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介
集中供熱因具有節(jié)約能源和改善城市環(huán)境等方面的積極作用，而日益成為城市公用事業(yè)的一個(gè)重要組成部分。著眼于青島市向現(xiàn)代化國(guó)際大都市的發(fā)展，華電青島發(fā)電有限公司在青島市委、市政府及中國(guó)華電集團(tuán)公司的支持下，積極開展熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目，滿足了青島市集中供熱布局的大調(diào)整、大發(fā)展，及2008年奧運(yùn)會(huì)青島賽區(qū)的要求。同時(shí)，也使整個(gè)青島市區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量和市民生活品質(zhì)得到了大幅度的提高。
作為集中供熱系統(tǒng)的主要組成部分──換熱首站，是熱源輸出的重要關(guān)口。2004年10月在華電青島發(fā)電有限公司建成了青島最大的無(wú)人值守?fù)Q熱首站，供熱面積達(dá)70萬(wàn)平方米，成為了青島市自動(dòng)化程度及投入率最高的換熱首站之一。
換熱首站
SIMATIC S7-300可編程控制器
二、換熱首站自控系統(tǒng)介紹
1.工藝設(shè)計(jì)要求
該換熱首站主要由三臺(tái)汽水換熱器組成的換熱系統(tǒng)、四臺(tái)循環(huán)水泵組成的循環(huán)水系統(tǒng)及兩臺(tái)補(bǔ)水泵組成的補(bǔ)水系統(tǒng)來(lái)構(gòu)成。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求，換熱首站的自控系統(tǒng)采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式。上位機(jī)以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）作為主要的人機(jī)界面（HMI），為生產(chǎn)管理級(jí)，完成對(duì)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)由可編程控制器（PLC）構(gòu)成，為基礎(chǔ)測(cè)控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及過(guò)程控制等，面向生產(chǎn)過(guò)程。（1）在生產(chǎn)過(guò)程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數(shù)。需要通過(guò)PLC對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。
（2）換熱首站的自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)進(jìn)汽和供水過(guò)程的全自動(dòng)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）根據(jù)本地的氣候條件以及供熱對(duì)象的特性，給出一條室外溫度與二次供水溫度之間的對(duì)應(yīng)曲線。控制器可以通過(guò)這條曲線根據(jù)室外溫度傳感器測(cè)量的室外溫度對(duì)一次供汽流量進(jìn)行控制，已達(dá)到對(duì)二次供水溫度的控制。此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于能夠通過(guò)室外溫度對(duì)二次供水的溫度進(jìn)行控制，以達(dá)到節(jié)省能源，提高供熱質(zhì)量的目的。另外在控制器中增加晚間節(jié)能的設(shè)置，根據(jù)需要設(shè)置晚間供熱溫度。
（4）自控系統(tǒng)通過(guò)加入時(shí)間日程表的控制，實(shí)現(xiàn)一天當(dāng)中不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)不同的溫度。
（5）通過(guò)采用西門子的壓力傳感器、控制器以及變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)二次供水壓力的控制，由于控制器可編程的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)變頻器的低頻限制，以避免變頻器、水泵長(zhǎng)時(shí)間在低頻運(yùn)行，從而保護(hù)電機(jī)及變頻器。當(dāng)一臺(tái)補(bǔ)水泵無(wú)法通過(guò)變頻補(bǔ)水達(dá)到所要求的壓力時(shí)，控制器可使另一臺(tái)備用泵以工頻的方式進(jìn)行補(bǔ)水。最終實(shí)現(xiàn)更加智能化的恒壓補(bǔ)水控制。
（6）對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用手操器控制，確保進(jìn)汽和供水的溫度、壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，使換熱溫度達(dá)到用戶的要求，并對(duì)其故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警和聯(lián)鎖啟停切換控制。
2.控制系統(tǒng)選型及特點(diǎn)
為了滿足上面提到的換熱首站自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們選用西門子公司SIMATIC S7-300可編程控制器（PLC）和研華公司IPC-610工控機(jī)（IPC）構(gòu)成的自控系統(tǒng)，再配以先進(jìn)的WinCC監(jiān)控軟件，來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱首站自控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。
當(dāng)前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心位置，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(shí)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(zhǎng)時(shí)間、不間斷運(yùn)行，且編程簡(jiǎn)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(jí)連接。
S7-300采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。在一塊機(jī)架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過(guò)接口模塊實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)架的擴(kuò)展工作方式。
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
1.控制系統(tǒng)硬件配置
根據(jù)設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)所選用的硬件產(chǎn)品，如下所示：
（1）工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz處理器，512Mb內(nèi)存，80Gb硬盤；
（2）中央處理單元 (CPU)
CPU 314，24V供電，48KB工作內(nèi)存，DI/DO最大1024點(diǎn)，AI/AO最大256點(diǎn)；
（3）信號(hào)模塊 (SM)
SM 321，數(shù)字量輸入模塊3塊；SM 322，數(shù)字量輸出模塊2塊；SM 331，模擬量輸入模塊6塊；SM 332，模擬量輸出模塊2塊；
（4）通訊處理器
(CP)RS485 中繼器2塊；
（5）負(fù)載電源模塊 (PS)
PS 370，電源模塊1塊。
（6）接口模塊 (IM)
IM 365，接口模塊2塊。
可編程控制器硬件組成結(jié)構(gòu)，如下：
2.控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如下：
3.軟件組態(tài)過(guò)程與效果
工控組態(tài)軟件WinCC(Windows Control Center)是一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是西門子公司在過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域中的先進(jìn)技術(shù)和微軟公司強(qiáng)大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個(gè)集成的人機(jī)界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實(shí)的將工廠控制軟件集成到自動(dòng)化過(guò)程中。HMI人機(jī)界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動(dòng)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(bào)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(lái)越重要的作用。換熱首站HMI系統(tǒng)信息以友好方式與用戶交互。通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)接收過(guò)程計(jì)算機(jī)（PCS）和操作人員通過(guò)HMI輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后再將過(guò)程數(shù)據(jù)信息、機(jī)組狀態(tài)信息和各種測(cè)量值以符號(hào)、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)了在HMI操作站（上位機(jī)）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(jì)目標(biāo)。
在上位機(jī)上用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：
（1）工藝流程圖：在畫面中通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)模擬顯示整個(gè)換熱站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)汽供水的全過(guò)程，并且在換熱器本體上實(shí)時(shí)顯示了各路汽、水的溫度與壓力，以便于操作者能及時(shí)準(zhǔn)確的掌握本體內(nèi)的換熱情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。
（2）手操器的操作與對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的監(jiān)控：手操器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動(dòng)操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時(shí)常用自動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。
（3）報(bào)警記錄：對(duì)于如進(jìn)汽流量、供水壓力等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍，同時(shí)通過(guò)報(bào)警一覽表對(duì)話框可以檢查報(bào)警超出的范圍以及錯(cuò)誤的出處，并對(duì)此采取相應(yīng)的措施。
（4）歷史趨勢(shì)：在此畫面中除了實(shí)時(shí)顯示變量的變化趨勢(shì)，操作員還可以檢查過(guò)去的過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，通過(guò)對(duì)過(guò)去歷史趨勢(shì)的比較進(jìn)而可以對(duì)變量未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)做進(jìn)一步的預(yù)測(cè)。另外，還具有報(bào)警或變量記錄檔案庫(kù)數(shù)據(jù)的運(yùn)行報(bào)表。
（5）攝像監(jiān)控：通過(guò)攝像及圖像采集設(shè)備對(duì)圖像的處理，使操作人員通過(guò)視頻窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。
系統(tǒng)監(jiān)控畫面
4.網(wǎng)絡(luò)通訊方式
為了滿足在單元層、現(xiàn)場(chǎng)層及其它方面的不同要求，有多種通信網(wǎng)絡(luò)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可供我們選擇，主要有Industrial Ethernet（IEEE 802-3和802.3u）、PROFIBUS（IEC 61158/EN 50170）、AS-I（EN 50295）、EIB（EN50090、ANSI EIA 776）、MPI及Point-to-point connections等。根據(jù)本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊要求和特點(diǎn)，我們選用了MPI（多點(diǎn)接口）通訊方式，其優(yōu)點(diǎn)是CPU可以同時(shí)與多個(gè)設(shè)備建立通訊聯(lián)系，如編程器、HMI設(shè)備和其它可編程控制器可以連接在一起同時(shí)運(yùn)行，無(wú)需多次編寫通訊程序。我們通過(guò)SM CP5611網(wǎng)卡與MPI接口的連接，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通訊。它們均采用RS485物理接口，傳輸率為187.5Kbps，再配以RS485 中繼器最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的網(wǎng)絡(luò)通訊。
四、系統(tǒng)功能
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(guò)軟件功能將信號(hào)以文字、圖像、報(bào)表等方式形成人機(jī)界面。操作人員通過(guò)此界面進(jìn)行監(jiān)控操作。
2.控制中心控制信號(hào)發(fā)送功能：控制信號(hào)由上位機(jī)經(jīng)通訊模塊送入控制器，由控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)各控制指令。
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(duì)其進(jìn)行控制，對(duì)相關(guān)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警和歷史記錄并形成報(bào)表。通過(guò)攝像監(jiān)控功能實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備及管路的跑冒滴漏現(xiàn)象，最終實(shí)現(xiàn)站內(nèi)無(wú)人值守、站外集中管理的目標(biāo)與要求。
4.系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制功能：主要包括換熱首站二次網(wǎng)水溫控制、二次側(cè)循環(huán)水泵控制、加熱器液位控制、恒壓補(bǔ)水控制、水箱液位及疏水變頻控制功能。通過(guò)以上控制功能的實(shí)現(xiàn)，最終完成對(duì)整個(gè)機(jī)組的順序、調(diào)節(jié)控制及聯(lián)鎖保護(hù)等控制。
五、結(jié)束語(yǔ)
2004年10月該系統(tǒng)投入試運(yùn)，11月正式投入運(yùn)行。在2004年至2005年的供熱采暖期中得到實(shí)際應(yīng)用,為企業(yè)帶來(lái)了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益，為2005年青島大熱網(wǎng)的建設(shè)打下了基礎(chǔ)，樹立了標(biāo)桿。同時(shí)，該項(xiàng)目也被集團(tuán)公司評(píng)為樣板工程，認(rèn)為值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。
六、應(yīng)用體會(huì)
本文討論了基于SIMATIC S7-300系列可編程控制器的換熱站自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，充分發(fā)揮了該系列可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便及可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。同時(shí)，在換熱系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要采用大量一次儀表元件及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備，為進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)可靠性我們選用了西門子相應(yīng)的傳感器、變頻器及電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而解決了相關(guān)系統(tǒng)接口及現(xiàn)場(chǎng)通訊問(wèn)題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性。最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)與要求。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)