摘要：本文介紹了可編程控制器在換熱站自控系統(tǒng)中的應(yīng)用?？删幊炭刂破鞒擞糜趯?duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化設(shè)備的控制。此外，工控組態(tài)軟件作為一種標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)界面被用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過程。本系統(tǒng)中基于軟件和硬件的執(zhí)行情況將在文中作進(jìn)一步的詳細(xì)闡述。

關(guān)鍵詞：可編程控制器 換熱站 組態(tài)軟件

The Application of PLC in the Automatic Control System
for Heat Exchanging Station

Zhou Hongbo
Abstract: In this paper, we discuss the application of Programmable Logic Controllers in the automatic control system for heat exchanging station. The PLC is mainly utilized for collecting process data as well as realizing control of field automatic equipment. In addition, the configuration software with a Human man-Machine Interface is used to monitor the dynamical industrial process. Both software and hardware-based implementation of this system are also described in details.
Keywords: PLC Heat exchanging station Configuration software

1 引言

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)代化國際大都市的發(fā)展，華電青島發(fā)電有限公司在市委、市政府及集團(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市市內(nèi)最大的無人值守?fù)Q熱首站，供熱面積達(dá)70萬平方米，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。
2 換熱首站自控系統(tǒng)的設(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(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）通過采用西門子的壓力傳感器、控制器以及變頻器來實(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)水泵無法通過變頻補(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)警和連鎖啟停切換控制。以1#換熱器為例，具體調(diào)節(jié)控制單元如下：
①1#換熱器二次供水溫度調(diào)節(jié)控制回路
主要功能:通過控制1#換熱器一次蒸汽管網(wǎng)入口蒸汽調(diào)節(jié)閥CV-101A實(shí)現(xiàn)1#換熱器二次側(cè)熱水出口溫度的自動(dòng)控制。
控制回路名稱 : TIC-101A
過程變量 : TI-202A(1#換熱器二次供水溫度)
控制輸出 : CV-101A(1#換熱器一次蒸汽調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號(hào))
②1#換熱器冷凝水水位調(diào)節(jié)控制回路
主要功能:通過控制1#換熱器冷凝水排水調(diào)節(jié)閥CV-301A實(shí)現(xiàn)1#換熱器冷凝水水位的自動(dòng)控制。
控制回路名稱 : LIC-301A
過程變量 : LI-301A(,1#換熱器冷凝水水位)
控制輸出 : CV-301A(1#換熱器冷凝水排水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號(hào))
③補(bǔ)水流量調(diào)節(jié)控制回路
主要功能:通過控制補(bǔ)水流量調(diào)節(jié)閥CV-302實(shí)現(xiàn)二次回水壓力的定壓自動(dòng)控制。
控制回路名稱 : FIC-302
過程變量 : PI-204(次回水壓力/泵入口)
控制輸出 : CV-302(二次回水補(bǔ)水流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號(hào))
④二次供水壓力調(diào)節(jié)控制回路
主要功能:通過控制循環(huán)水泵變頻器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)二次供水壓力的定壓自動(dòng)控制。
控制特性:
變頻器最小轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的20%(10Hz)。
控制偏差為±0.625%(±0.01MPa)
待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后將1#/2#補(bǔ)水泵調(diào)節(jié)回路設(shè)為自動(dòng)控制。
控制回路名稱 : BPQ2
過程變量 : PI-203(二次供水壓力/換熱器出口總管)
控制輸出 : 2BPQ-F(1#/2#循環(huán)水泵變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào))
⑤二次回水壓力自動(dòng)控制回路
主要功能:通過控制疏水水泵變頻器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)二次回水壓力自動(dòng)定壓控制。
控制特性:
當(dāng)二次回水壓力低于0.46MPa時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)變頻器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水,當(dāng)壓力達(dá)到額定值時(shí)變頻器穩(wěn)定在某轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行,系統(tǒng)穩(wěn)定后可手動(dòng)停止變頻器運(yùn)行。
為避免變頻器在達(dá)到額定壓力時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的情況,控制死區(qū)寬度設(shè)置為1.6×±0.625%=±0.01MPa,即當(dāng)測(cè)量壓力與設(shè)定壓力出現(xiàn)±0.01MPa誤差時(shí),變頻器轉(zhuǎn)速恒定不變。
變頻器最小轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的20%(10Hz)。
待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后將1#/2#補(bǔ)水泵調(diào)節(jié)回路設(shè)為自動(dòng)控制。
控制回路名稱 : BPQ1
過程變量 : PI-204(二次回水壓力/濾污器出口)
控制輸出 : 1BPQ-F(1#/2#疏水泵變頻器轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào))
（7）該換熱首站監(jiān)控系統(tǒng)共需處理72個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、64個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)、48個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和10個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。
（8）可使運(yùn)行操作人員通過上位機(jī)中的視頻窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況。
按照上述設(shè)計(jì)要求，整個(gè)換熱首站自控系統(tǒng)可具有良好的自適應(yīng)能力，完全可以實(shí)現(xiàn)無人值守、高效節(jié)能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 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)境下長時(shí)間、不間斷運(yùn)行，且編程簡單，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，并且可以通過接口模塊實(shí)現(xiàn)多個(gè)機(jī)架的擴(kuò)展工作方式。根據(jù)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，512M內(nèi)
存，80G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。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如下：


4 軟件組態(tài)過程與效果

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(dòng)化控制系統(tǒng)接收過程計(jì)算機(jī)（PCS）和操作人員通過HMI輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后再將過程數(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)