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案例頻道一、項目簡介
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)的一個重要組成部分。著眼于青島市向現(xiàn)代化國際大都市的發(fā)展，華電青島發(fā)電有限公司在青島市委、市政府及中國華電集團公司的支持下，積極開展熱電聯(lián)產(chǎn)項目，滿足了青島市集中供熱布局的大調(diào)整、大發(fā)展，及2008年奧運會青島賽區(qū)的要求。同時，也使整個青島市區(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人值守換熱首站，供熱面積達70萬平方米，成為了青島市自動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.工藝設計要求
該換熱首站主要由三臺汽水換熱器組成的換熱系統(tǒng)、四臺循環(huán)水泵組成的循環(huán)水系統(tǒng)及兩臺補水泵組成的補水系統(tǒng)來構(gòu)成。根據(jù)生產(chǎn)工藝設計要求，換熱首站的自控系統(tǒng)采用典型的兩級監(jiān)控方式。上位機以標準的工業(yè)控制計算機（IPC）作為主要的人機界面（HMI），為生產(chǎn)管理級，完成對下位機的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，主要面向操作人員；下位機由可編程控制器（PLC）構(gòu)成，為基礎測控級，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。（1）在生產(chǎn)過程中，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PLC對這些參數(shù)進行實時采集和處理。
（2）換熱首站的自動控制，即實現(xiàn)整個進汽和供水過程的全自動控制，進行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)并控制設備運行狀態(tài)。
（3）根據(jù)本地的氣候條件以及供熱對象的特性，給出一條室外溫度與二次供水溫度之間的對應曲線。控制器可以通過這條曲線根據(jù)室外溫度傳感器測量的室外溫度對一次供汽流量進行控制，已達到對二次供水溫度的控制。此設計的特點在于能夠通過室外溫度對二次供水的溫度進行控制，以達到節(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)能的設置，根據(jù)需要設置晚間供熱溫度。
（4）自控系統(tǒng)通過加入時間日程表的控制，實現(xiàn)一天當中不同時刻對應不同的溫度。
（5）通過采用西門子的壓力傳感器、控制器以及變頻器來實現(xiàn)對二次供水壓力的控制，由于控制器可編程的靈活性，可以實現(xiàn)變頻器的低頻限制，以避免變頻器、水泵長時間在低頻運行，從而保護電機及變頻器。當一臺補水泵無法通過變頻補水達到所要求的壓力時，控制器可使另一臺備用泵以工頻的方式進行補水。最終實現(xiàn)更加智能化的恒壓補水控制。
（6）對調(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用手操器控制，確保進汽和供水的溫度、壓力準確穩(wěn)定，使換熱溫度達到用戶的要求，并對其故障實現(xiàn)實時報警和聯(lián)鎖啟停切換控制。
2.控制系統(tǒng)選型及特點
為了滿足上面提到的換熱首站自控系統(tǒng)的設計要求，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（IPC）構(gòu)成的自控系統(tǒng)，再配以先進的WinCC監(jiān)控軟件，來實現(xiàn)換熱首站自控系統(tǒng)的各項功能。
當前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應用而設計的工業(yè)控制計算機，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的核心位置，它不僅能實現(xiàn)復雜的邏輯控制，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、可靠性高、穩(wěn)定性好、體積小，能在惡劣環(huán)境下長時間、不間斷運行，且編程簡單，維護方便，并配有各類通訊接口與模塊處理，可方便各級連接。
S7-300采用模塊化結(jié)構(gòu)、適合密集安裝，模塊化結(jié)構(gòu)設計使得各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合以用于擴展。在一塊機架底板上可安裝電源、CPU、I/O模板、通信處理器CP等模塊，并且可以通過接口模塊實現(xiàn)多個機架的擴展工作方式。
三、控制系統(tǒng)構(gòu)成
1.控制系統(tǒng)硬件配置
根據(jù)設計要求本系統(tǒng)所選用的硬件產(chǎn)品，如下所示：
（1）工業(yè)控制計算機（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，AI/AO最大256點；
（3）信號模塊 (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)絡結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，如下：
3.軟件組態(tài)過程與效果
工控組態(tài)軟件WinCC(Windows Control Center)是一個集成的人機界面（HMI）和監(jiān)控管理系統(tǒng)，它是西門子公司在過程自動化領域中的先進技術和微軟公司強大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物，是世界上第一個集成的人機界面（HMI）軟件系統(tǒng)。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。HMI人機界面系統(tǒng)作為基礎自動化系統(tǒng)重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)的設定、顯示、故障報警，以及相應操作和設備的在線調(diào)試及維護，發(fā)揮越來越重要的作用。換熱首站HMI系統(tǒng)信息以友好方式與用戶交互。通過自動化控制系統(tǒng)接收過程計算機（PCS）和操作人員通過HMI輸入的數(shù)據(jù)進行處理，處理后再將過程數(shù)據(jù)信息、機組狀態(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。最終實現(xiàn)了在HMI操作站（上位機）上以最少的設備數(shù)量提供最大可能的信息，幫助操作人員和設備維護人員快速準確的了解系統(tǒng)當前狀態(tài)及其相關信息的設計目標。
在上位機上用WinCC組態(tài)軟件設計了標準的人機界面，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
（1）工藝流程圖：在畫面中通過編程實現(xiàn)模擬顯示整個換熱站現(xiàn)場進汽供水的全過程，并且在換熱器本體上實時顯示了各路汽、水的溫度與壓力，以便于操作者能及時準確的掌握本體內(nèi)的換熱情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設備的故障進行實時診斷。
（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，在設備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，進入正常運作時常用自動方式，以實現(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：對于如進汽流量、供水壓力等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進行實時報警，當處于監(jiān)控下的任何一個變量超出預先設定的安全值時，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的范圍以及錯誤的出處，并對此采取相應的措施。
（4）歷史趨勢：在此畫面中除了實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而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進一步的預測。另外，還具有報警或變量記錄檔案庫數(shù)據(jù)的運行報表。
（5）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設備對圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實時監(jiān)控現(xiàn)場設備運行狀況。
系統(tǒng)監(jiān)控畫面
4.網(wǎng)絡通訊方式
為了滿足在單元層、現(xiàn)場層及其它方面的不同要求，有多種通信網(wǎng)絡及國際標準可供我們選擇，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)絡通訊要求和特點，我們選用了MPI（多點接口）通訊方式，其優(yōu)點是CPU可以同時與多個設備建立通訊聯(lián)系，如編程器、HMI設備和其它可編程控制器可以連接在一起同時運行，無需多次編寫通訊程序。我們通過SM CP5611網(wǎng)卡與MPI接口的連接，實現(xiàn)與上位機通訊。它們均采用RS485物理接口，傳輸率為187.5Kbps，再配以RS485 中繼器最終實現(xiàn)遠距離的網(wǎng)絡通訊。
四、系統(tǒng)功能
1.控制中心數(shù)據(jù)采集功能：上位機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界面。操作人員通過此界面進行監(jiān)控操作。
2.控制中心控制信號發(fā)送功能：控制信號由上位機經(jīng)通訊模塊送入控制器，由控制器來實現(xiàn)各控制指令。
3.監(jiān)控中心控制及集中管理功能：在上位機的監(jiān)控畫面上點擊相關控制設備均可對其進行控制，對相關參數(shù)及設備運行狀態(tài)實現(xiàn)實時顯示、報警和歷史記錄并形成報表。通過攝像監(jiān)控功能實時監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場設備運行狀況，可及時發(fā)現(xiàn)設備及管路的跑冒滴漏現(xiàn)象，最終實現(xiàn)站內(nèi)無人值守、站外集中管理的目標與要求。
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現(xiàn)，最終完成對整個機組的順序、調(diào)節(jié)控制及聯(lián)鎖保護等控制。
五、結(jié)束語
2004年10月該系統(tǒng)投入試運，11月正式投入運行。在2004年至2005年的供熱采暖期中得到實際應用,為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益，為2005年青島大熱網(wǎng)的建設打下了基礎，樹立了標桿。同時，該項目也被集團公司評為樣板工程，認為值得進一步推廣應用。
六、應用體會
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)的設計與實現(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)場調(diào)試的優(yōu)點，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。同時，在換熱系統(tǒng)生產(chǎn)現(xiàn)場需要采用大量一次儀表元件及執(zhí)行機構(gòu)等設備，為進一步提高整個系統(tǒng)可靠性我們選用了西門子相應的傳感器、變頻器及電動執(zhí)行機構(gòu)，從而解決了相關系統(tǒng)接口及現(xiàn)場通訊問題，進一步提高了系統(tǒng)可靠性。最終實現(xiàn)了設計目標與要求。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號