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案例頻道一、項目簡介
集中供熱因具有節約能源和改善城市環境等方面的積極作用，而日益成為城市公用事業的一個重要組成部分。著眼于青島市向現代化國際大都市的發展，華電青島發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，積極開展熱電聯產項目，滿足了青島市集中供熱布局的大調整、大發展，及2008年奧運會青島賽區的要求。同時，也使整個青島市區大氣環境質量和市民生活品質得到了大幅度的提高。
作為集中供熱系統的主要組成部分──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、四臺循環水泵組成的循環水系統及兩臺補水泵組成的補水系統來構成。根據生產工藝設計要求，換熱首站的自控系統采用典型的兩級監控方式。上位機以標準的工業控制計算機（IPC）作為主要的人機界面（HMI），為生產管理級，完成對下位機的監控、生產操作管理等，主要面向操作人員；下位機由可編程控制器（PLC）構成，為基礎測控級，完成生產現場的數據采集及過程控制等，面向生產過程。（1）在生產過程中，存在大量的物理量，如壓力、溫度、流量等模擬量參數。需要通過PLC對這些參數進行實時采集和處理。
（2）換熱首站的自動控制，即實現整個進汽和供水過程的全自動控制，進行故障診斷，并在監控畫面上顯示各工況參數并控制設備運行狀態。
（3）根據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，以達到節省能源，提高供熱質量的目的。另外在控制器中增加晚間節能的設置，根據需要設置晚間供熱溫度。
（4）自控系統通過加入時間日程表的控制，實現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。最終實現更加智能化的恒壓補水控制。
（6）對調節系統可采用手操器控制，確保進汽和供水的溫度、壓力準確穩定，使換熱溫度達到用戶的要求，并對其故障實現實時報警和聯鎖啟停切換控制。
2.控制系統選型及特點
為了滿足上面提到的換熱首站自控系統的設計要求，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）構成的自控系統，再配以先進的WinCC監控軟件，來實現換熱首站自控系統的各項功能。
當前可編程控制器（PLC）是專為工業環境下應用而設計的工業控制計算機，已經成為電氣控制系統中應用最為廣泛的核心位置，它不僅能實現復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環控制功能，并且抗干擾能力強、可靠性高、穩定性好、體積小，能在惡劣環境下長時間、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采用模塊化結構、適合密集安裝，模塊化結構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多個機架的擴展工作方式。
三、控制系統構成
1.控制系統硬件配置
根據設計要求本系統所選用的硬件產品，如下所示：
（1）工業控制計算機（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz處理器，512Mb內存，80Gb硬盤；
（2）中央處理單元 (CPU)
CPU 314，24V供電，48KB工作內存，DI/DO最大1024點，AI/AO最大256點；
（3）信號模塊 (SM)
SM 321，數字量輸入模塊3塊；SM 322，數字量輸出模塊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構，如下：
2.控制系統網絡結構
系統網絡拓撲結構，如下：
3.軟件組態過程與效果
工控組態軟件WinCC(Windows Control Center)是一個集成的人機界面（HMI）和監控管理系統，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合的產物，是世界上第一個集成的人機界面（HMI）軟件系統。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。HMI人機界面系統作為基礎自動化系統重要組成部分，用于控制系統的各種數據的設定、顯示、故障報警，以及相應操作和設備的在線調試及維護，發揮越來越重要的作用。換熱首站HMI系統信息以友好方式與用戶交互。通過自動化控制系統接收過程計算機（PCS）和操作人員通過HMI輸入的數據進行處理，處理后再將過程數據信息、機組狀態信息和各種測量值以符號、數值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。最終實現了在HMI操作站（上位機）上以最少的設備數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當前狀態及其相關信息的設計目標。
在上位機上用WinCC組態軟件設計了標準的人機界面，主要包括以下幾個方面的內容：
（1）工藝流程圖：在畫面中通過編程實現模擬顯示整個換熱站現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的換熱情況，能夠對現場設備的故障進行實時診斷。
（2）手操器的操作與對現場儀表的監控：手操器有手動和自動兩種工作方式，在設備安裝調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，以實現對一些重要的模擬量數據的精確控制，自動調節程序由PID閉環控制回路完成。
（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參數進行實時報警，當處于監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據記錄，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據的運行報表。
（5）攝像監控：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控現場設備運行狀況。
系統監控畫面
4.網絡通訊方式
為了滿足在單元層、現場層及其它方面的不同要求，有多種通信網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。根據本系統的網絡通訊要求和特點，我們選用了MPI（多點接口）通訊方式，其優點是CPU可以同時與多個設備建立通訊聯系，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網卡與MPI接口的連接，實現與上位機通訊。它們均采用RS485物理接口，傳輸率為187.5Kbps，再配以RS485 中繼器最終實現遠距離的網絡通訊。
四、系統功能
1.控制中心數據采集功能：上位機將可編程控制器中傳出的數據信息直接采集，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控操作。
2.控制中心控制信號發送功能：控制信號由上位機經通訊模塊送入控制器，由控制器來實現各控制指令。
3.監控中心控制及集中管理功能：在上位機的監控畫面上點擊相關控制設備均可對其進行控制，對相關參數及設備運行狀態實現實時顯示、報警和歷史記錄并形成報表。通過攝像監控功能實時監控生產現場設備運行狀況，可及時發現設備及管路的跑冒滴漏現象，最終實現站內無人值守、站外集中管理的目標與要求。
4.系統調節控制功能：主要包括換熱首站二次網水溫控制、二次側循環水泵控制、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，最終完成對整個機組的順序、調節控制及聯鎖保護等控制。
五、結束語
2004年10月該系統投入試運，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,為企業帶來了可觀的經濟效益和良好的社會效益，為2005年青島大熱網的建設打下了基礎，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的設計與實現，充分發揮了該系列可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便及可現場調試的優點，使整個系統的穩定性有了可靠保障。同時，在換熱系統生產現場需要采用大量一次儀表元件及執行機構等設備，為進一步提高整個系統可靠性我們選用了西門子相應的傳感器、變頻器及電動執行機構，從而解決了相關系統接口及現場通訊問題，進一步提高了系統可靠性。最終實現了設計目標與要求。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號