SIMATIC S7-300 在换热站自控系统中的应用周虹伯--控制网



SIMATIC S7-300 在换热站自控系统中的应用周虹伯
企业：控制网 日期：2006-01-13
领域：PLC&PAC 点击数：1871


一、项目简介

    集中供热因具有节约能源和改善城市环境等方面的积极作用，而日益成为城市公用事业的一个重要组成部分。着眼于青岛市向现代化国际大都市的发展，华电青岛发电有限公司在青岛市委、市政府及中国华电集团公司的支持下，积极开展热电联产项目，满足了青岛市集中供热布局的大调整、大发展，及2008年奥运会青岛赛区的要求。同时，也使整个青岛市区大气环境质量和市民生活品质得到了大幅度的提高。

    作为集中供热系统的主要组成部分──换热首站，是热源输出的重要关口。2004年10月在华电青岛发电有限公司建成了青岛最大的无人值守换热首站，供热面积达70万平方米，成为了青岛市自动化程度及投入率最高的换热首站之一。

 

换热首站



SIMATIC S7-300可编程控制器




二、换热首站自控系统介绍

1.工艺设计要求

    该换热首站主要由三台汽水换热器组成的换热系统、四台循环水泵组成的循环水系统及两台补水泵组成的补水系统来构成。根据生产工艺设计要求，换热首站的自控系统采用典型的两级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机（IPC）作为主要的人机界面（HMI），为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程控制器（PLC）构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。（1）在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理。

    （2）换热首站的自动控制，即实现整个进汽和供水过程的全自动控制，进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态。

    （3）根据本地的气候条件以及供热对象的特性，给出一条室外温度与二次供水温度之间的对应曲线。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对一次供汽流量进行控制，已达到对二次供水温度的控制。此设计的特点在于能够通过室外温度对二次供水的温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。另外在控制器中增加晚间节能的设置，根据需要设置晚间供热温度。

    （4）自控系统通过加入时间日程表的控制，实现一天当中不同时刻对应不同的温度。

    （5）通过采用西门子的压力传感器、控制器以及变频器来实现对二次供水压力的控制，由于控制器可编程的灵活性，可以实现变频器的低频限制，以避免变频器、水泵长时间在低频运行，从而保护电机及变频器。当一台补水泵无法通过变频补水达到所要求的压力时，控制器可使另一台备用泵以工频的方式进行补水。最终实现更加智能化的恒压补水控制。

    （6）对调节系统可采用手操器控制，确保进汽和供水的温度、压力准确稳定，使换热温度达到用户的要求，并对其故障实现实时报警和联锁启停切换控制。

2.控制系统选型及特点　　

    为了满足上面提到的换热首站自控系统的设计要求，我们选用西门子公司SIMATIC S7-300可编程控制器（PLC）和研华公司IPC-610工控机（IPC）构成的自控系统，再配以先进的WinCC监控软件，来实现换热首站自控系统的各项功能。
 
    当前可编程控制器（PLC）是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心位置，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接。

    S7-300采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器CP等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。

三、控制系统构成

1.控制系统硬件配置

    根据设计要求本系统所选用的硬件产品，如下所示：

（1）工业控制计算机（IPC）

    ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz处理器，512Mb内存，80Gb硬盘；

（2）中央处理单元 (CPU)

    CPU 314，24V供电，48KB工作内存，DI/DO最大1024点，AI/AO最大256点；  

（3）信号模块 (SM)

    SM 321，数字量输入模块3块；SM 322，数字量输出模块2块；SM 331，模拟量输入模块6块；SM 332，模拟量输出模块2块；

（4）通讯处理器

    (CP)RS485 中继器2块；

（5）负载电源模块 (PS)

    PS 370，电源模块1块。

（6）接口模块 (IM)

    IM 365，接口模块2块。

可编程控制器硬件组成结构，如下：


2.控制系统网络结构

    系统网络拓扑结构，如下：


3.软件组态过程与效果

    工控组态软件WinCC(Windows Control Center)是一个集成的人机界面（HMI）和监控管理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能相结合的产物，是世界上第一个集成的人机界面（HMI）软件系统。它真实的将工厂控制软件集成到自动化过程中。HMI人机界面系统作为基础自动化系统重要组成部分，用于控制系统的各种数据的设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥越来越重要的作用。换热首站HMI系统信息以友好方式与用户交互。通过自动化控制系统接收过程计算机（PCS）和操作人员通过HMI输入的数据进行处理，处理后再将过程数据信息、机组状态信息和各种测量值以符号、数值、曲线、图表及历史记录的形式在HMI画面上显示。最终实现了在HMI操作站（上位机）上以最少的设备数量提供最大可能的信息，帮助操作人员和设备维护人员快速准确的了解系统当前状态及其相关信息的设计目标。　　

    在上位机上用WinCC组态软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：

    （1）工艺流程图：在画面中通过编程实现模拟显示整个换热站现场进汽供水的全过程，并且在换热器本体上实时显示了各路汽、水的温度与压力，以便于操作者能及时准确的掌握本体内的换热情况，能够对现场设备的故障进行实时诊断。

    （2）手操器的操作与对现场仪表的监控：手操器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运作时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。

    （3）报警记录：对于如进汽流量、供水压力等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警灯就会立即闪烁，同时通过报警一览表对话框可以检查报警超出的范围以及错误的出处，并对此采取相应的措施。

    （4）历史趋势：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去的过程数据记录，通过对过去历史趋势的比较进而可以对变量未来的发展趋势做进一步的预测。另外，还具有报警或变量记录档案库数据的运行报表。

    （5）摄像监控：通过摄像及图像采集设备对图像的处理，使操作人员通过视频窗口实时监控现场设备运行状况。         










系统监控画面


4.网络通讯方式

    为了满足在单元层、现场层及其它方面的不同要求，有多种通信网络及国际标准可供我们选择，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。根据本系统的网络通讯要求和特点，我们选用了MPI（多点接口）通讯方式，其优点是CPU可以同时与多个设备建立通讯联系，如编程器、HMI设备和其它可编程控制器可以连接在一起同时运行，无需多次编写通讯程序。我们通过SM CP5611网卡与MPI接口的连接，实现与上位机通讯。它们均采用RS485物理接口，传输率为187.5Kbps，再配以RS485 中继器最终实现远距离的网络通讯。

四、系统功能

    1.控制中心数据采集功能：上位机将可编程控制器中传出的数据信息直接采集，通过软件功能将信号以文字、图像、报表等方式形成人机界面。操作人员通过此界面进行监控操作。

    2.控制中心控制信号发送功能：控制信号由上位机经通讯模块送入控制器，由控制器来实现各控制指令。

    3.监控中心控制及集中管理功能：在上位机的监控画面上点击相关控制设备均可对其进行控制，对相关参数及设备运行状态实现实时显示、报警和历史记录并形成报表。通过摄像监控功能实时监控生产现场设备运行状况，可及时发现设备及管路的跑冒滴漏现象，最终实现站内无人值守、站外集中管理的目标与要求。

    4.系统调节控制功能：主要包括换热首站二次网水温控制、二次侧循环水泵控制、加热器液位控制、恒压补水控制、水箱液位及疏水变频控制功能。通过以上控制功能的实现，最终完成对整个机组的顺序、调节控制及联锁保护等控制。

五、结束语

    2004年10月该系统投入试运，11月正式投入运行。在2004年至2005年的供热采暖期中得到实际应用,为企业带来了可观的经济效益和良好的社会效益，为2005年青岛大热网的建设打下了基础，树立了标杆。同时，该项目也被集团公司评为样板工程，认为值得进一步推广应用。

六、应用体会

    本文讨论了基于SIMATIC S7-300系列可编程控制器的换热站自控系统的设计与实现，充分发挥了该系列可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便及可现场调试的优点，使整个系统的稳定性有了可靠保障。同时，在换热系统生产现场需要采用大量一次仪表元件及执行机构等设备，为进一步提高整个系统可靠性我们选用了西门子相应的传感器、变频器及电动执行机构，从而解决了相关系统接口及现场通讯问题，进一步提高了系统可靠性。最终实现了设计目标与要求。
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