西門子自動化產(chǎn)品在電站暖通自控系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究

1、西門子自動化產(chǎn)品在電站暖通自控系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究周虹伯華電青島發(fā)電有限公司摘要：介紹了西門子自動化產(chǎn)品在電站暖通自控系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究?？删幊炭刂破鞑粌H用于對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理，還用來完成對現(xiàn)場自動化設(shè)備的控制。此外，工控組態(tài)軟件作為一種標(biāo)準(zhǔn)的人機界面被應(yīng)用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動態(tài)過程。關(guān)于本系統(tǒng)中軟硬件及網(wǎng)絡(luò)通訊的執(zhí)行情況將在文中作進一步的詳細(xì)闡述。關(guān)鍵詞：暖通 可編程控制器 組態(tài) 通訊 Application and Research of SIEMENS Automation Products in the AutomaticControl System for HVAC of Pow

2、er StationZhou HongboAbstract: In this paper, we discuss the application and research of SIEMENS automation products in the automatic control system for HVAC of power station. The PLC can not only collect and deal with the data of the local instrument, but also complete the function of controlling t

3、he local automation devices. In addition, the industrial configuration software with a standard Human man-Machine Interface is used to monitor the dynamical industrial process. The software and hardware in this system and the network communication working condition will be further explained in this

4、article.Keywords: HVAC PLC configuration communication1 引言2004年，青島市全面啟動了“生態(tài)城市”建設(shè)步伐，將加快能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，大力推廣清潔能源以及控制燃煤含硫量，實施集中供熱規(guī)劃，作為“重中之重”扎實推進。華電青島發(fā)電有限公司充分利用自身作為青島市電源和熱源支撐點的優(yōu)勢，積極開展了2300 MW熱電聯(lián)產(chǎn)項目建設(shè)工作。兩臺機組分別于2005年11月與2006年7月順利投產(chǎn)發(fā)電。作為熱電聯(lián)產(chǎn)機組輔助控制系統(tǒng)的重要組成部分暖通控制系統(tǒng)，是涉及機組各區(qū)域供熱、制冷、通風(fēng)以及消防的主要控制中樞，也是機組安全穩(wěn)定運行的重要保障。該系統(tǒng)的提前投運，

5、為機組的按時投產(chǎn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。2 暖通自動控制系統(tǒng)介紹2.1 工藝設(shè)計要求該暖通自控系統(tǒng)是兩臺熱電聯(lián)產(chǎn)機組的公用系統(tǒng)，主要包括集控樓、主廠房各區(qū)域的HVAC(heat ventilation air conditioner)系統(tǒng)。集控樓HVAC系統(tǒng)由集控樓12.6 m，8.0 m，0.0 m層通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成，主廠房HVAC系統(tǒng)由汽機房通風(fēng)系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁機柜小室降溫通風(fēng)系統(tǒng)、蓄電池室降溫通風(fēng)系統(tǒng)、380 V配電裝置室及直流配電間通風(fēng)系統(tǒng)、6 kV配電裝置室通風(fēng)系統(tǒng)、熱控電氣室通風(fēng)系統(tǒng)及采暖加熱系統(tǒng)構(gòu)成。整個通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)通過布置在集控樓12.6 m層內(nèi)的暖通控制室進行集中監(jiān)控。主要現(xiàn)場設(shè)

6、備有風(fēng)冷屋頂式空調(diào)機組、風(fēng)冷式冷水機組、柜式空調(diào)機組、采暖加熱裝置、消防控制中心及各類閥門、風(fēng)機、一次元件等。暖通自動監(jiān)控是采用以可編程控制器(PLC)技術(shù)為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，由中央控制站、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備級控制器及就地傳感器組成。自動控制系統(tǒng)具有監(jiān)控、編程和數(shù)據(jù)處理等功能，其設(shè)計原則是使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行安全、節(jié)能和方便。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計要求，暖通自控系統(tǒng)采用典型的兩級監(jiān)控方式。上位機以標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)測控級，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制

7、等，面向生產(chǎn)過程。2.2 控制系統(tǒng)選型及特點為了滿足上面提到的暖通自控系統(tǒng)工藝設(shè)計要求，對于控制中心我們選用了西門子公司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)；對于屋頂式空調(diào)機、風(fēng)冷柜式空調(diào)機、采暖加熱系統(tǒng)等設(shè)備控制均采用了西門子可編程控制系列產(chǎn)品，如SIMATIC S7-200，SICLIMAT SAPHIR ACX 32.000。這樣使整個系統(tǒng)的所有硬件都基于了統(tǒng)一的硬件平臺。同時，由STEP 7，STEP 7-Mirco/ WIN32，WinCC，SIMATIC NET PC-Software，PC ACCESS等編程、組

8、態(tài)及通訊軟件構(gòu)成統(tǒng)一的軟件平臺。通過構(gòu)建上述統(tǒng)一的軟硬件平臺最終實現(xiàn)暖通自控系統(tǒng)的各項功能。作為自動化和驅(qū)動領(lǐng)域的世界先驅(qū)西門子自動化與驅(qū)動集團(A&D)，憑借其對自動化領(lǐng)域的充分理解和前瞻性的思路，為各行業(yè)提供了創(chuàng)新與高效的產(chǎn)品及解決方案。在當(dāng)前先進的控制系統(tǒng)產(chǎn)品中，西門子自動化的可編程控制器技術(shù)已相當(dāng)成熟，而且從硬件的可靠性、穩(wěn)定性及軟件的易操作性等各方面綜合評定，也符合暖通自控系統(tǒng)的各項要求。SIMATIC S7系列控制器采用模塊化結(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、通信處理器等模塊，并且可以通

9、過接口模塊實現(xiàn)多個機架的擴展工作方式。更為我們所需要的是SIMATIC S7系列控制器內(nèi)置或可擴展不同通訊接口，提供多種通訊方式選擇，可構(gòu)成不同要求的工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)。通過計算處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享等技術(shù)手段的運用，最終使控制系統(tǒng)將參數(shù)監(jiān)測、程序控制、顯示報警、監(jiān)控管理等融為一體，實現(xiàn)系統(tǒng)的集中管理，以滿足系統(tǒng)運行現(xiàn)代化的要求。2.3 控制系統(tǒng)硬件配置根據(jù)要求本系統(tǒng)控制中心所選用的硬件產(chǎn)品為：1）工業(yè)控制計算機 (IPC)：ADVANTECH IPC-610，Pentium 2.8GHz處理器，512Mb內(nèi)存，80Gb硬盤，2臺；2）電源模塊 (PS)：PS 307，電源模塊1塊；3）中央處理單元 (

10、CPU)：CPU 314，24V供電，64KB工作內(nèi)存，DI/DO最大1024點，AI/AO最大256點；4）通訊處理器 (CP)： CP343-1, 工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器1塊；5）接口模塊 (IM)： IM 360，（主機架）接口模塊1塊； IM 361，（擴展機架）接口模塊3塊；6）信號模塊 (SM)：SM 321，數(shù)字量輸入模塊7塊，SM 322，數(shù)字量輸出模塊4塊，SM 331，模擬量輸入模塊16塊，SM 332，模擬量輸出模塊1塊；7）PCI通訊處理器 (CP)，CP5611，PROFIBUS/MPI通訊處理器1塊，CP1613，工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器1塊?？刂浦行腟IMATIC S7

11、-300可編程控制器硬件配置圖，如圖1所示。圖1 暖通控制系統(tǒng)中SIMATIC S7-300PLC硬件配置圖2.4 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)，如圖2所示。圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)3 控制系統(tǒng)軟件組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)通訊3.1 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(lǐng)域中的先進技術(shù)和微軟公司強大軟件功能相結(jié)合的產(chǎn)物。HMI人機界面系統(tǒng)作為基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)的重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)設(shè)定、顯示、故障報警，以及相應(yīng)操作和設(shè)備的在線調(diào)試及維護，發(fā)揮著越來越重要的作用。暖通控制H

12、MI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(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)計目標(biāo)。在上位機上用WinCC組態(tài)軟件設(shè)計了標(biāo)準(zhǔn)的人機界面，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：1）工藝流程模擬圖。以工藝流程模擬圖為基礎(chǔ)監(jiān)視手段，在畫面中模擬顯示整個暖通現(xiàn)場送風(fēng)回風(fēng)的全過程，并實時顯示各區(qū)域室內(nèi)溫濕度、防火閥狀態(tài)及設(shè)備運行狀

13、態(tài)等參數(shù)信息，以便于操作者能及時準(zhǔn)確的掌握整個暖通系統(tǒng)的運行情況，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進行實時診斷。2）控制方式選擇。在工藝流程模擬畫面中可對控制設(shè)備進行單操、成組、手動、自動等方式的切換。3）設(shè)備級驅(qū)動。通過點擊模擬圖上相應(yīng)設(shè)備，即彈出該設(shè)備操作器。從操作器上對單體設(shè)備進行控制方式切換及啟停操作，同時顯示設(shè)備狀態(tài)、故障等信息。操作器有手動和自動兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動操作方式，進入正常運行時常用自動方式，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。4）報警記錄。對于如溫度、濕度、壓力、流量等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進行實時報警，當(dāng)處于監(jiān)控

14、下的任何一個變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時，報警音就會立即響起，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報警的出處，并對此采取相應(yīng)的措施。此外，防火閥關(guān)狀態(tài)、排煙閥開狀態(tài)等各類開關(guān)量參數(shù)以及各區(qū)域消防和排煙的實時報警、確認(rèn)、查詢等功能也在此實現(xiàn)。5）實時與歷史趨勢。在此畫面中除了實時顯示相關(guān)變量的變化趨勢，操作員還可成組查詢其歷史趨勢，通過趨勢顯示可有效的獲得相關(guān)信號動作順序過程信息，以便分析事故狀態(tài)下信號的動作過程，從而進一步提高了事故分析的準(zhǔn)確性與效率性。6）歷史數(shù)據(jù)存儲與檢索。系統(tǒng)設(shè)置一臺工作站兼作歷史數(shù)據(jù)站，利用WinCC的變量存檔、報表系統(tǒng)模塊記錄和打印運行參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。將各

15、變量歷史數(shù)據(jù)存儲于大容量存儲設(shè)備中，以隨時記錄其狀態(tài)及參數(shù)變化，為相關(guān)人員進行數(shù)據(jù)檢索與分析提供真實有效依據(jù)。3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊方式為了滿足單元層、現(xiàn)場層及其它方面的不同通訊要求，目前有多種通信網(wǎng)絡(luò)及國際標(biāo)準(zhǔn)可供我們選擇，主要有Industrial Ethernet(IEEE 802-3 802.3u)、PROFIBUS (IEC 61158/ EN50170)、AS-i(EN 50295)、EIB(EN50090，ANSI EIA 776)、MPI及Point-to-point connections等。本系統(tǒng)中控制中心、風(fēng)冷屋頂式空調(diào)機、風(fēng)冷柜式空調(diào)機及采暖加熱系統(tǒng)均采用了西門子可編程控制系

16、列產(chǎn)品，并通過數(shù)據(jù)通訊接口輸出/輸入數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊接口特點和網(wǎng)絡(luò)通訊距離要求，我們采用了Industrial Ethernet（工業(yè)以太網(wǎng)）和PROFIBUS（現(xiàn)場總線）兩種通訊方式。工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)已成為工控界最為流行的局域網(wǎng)技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用于工廠控制級通訊，它可以實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與上位機之間的通訊。在本系統(tǒng)中我們分別用SIMATIC S7-300 PLC工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器模塊CP343-1、PC機工業(yè)以太網(wǎng)通訊處理器CP1613與工業(yè)以太網(wǎng)連接，同時將SICLIMAT SAPHIR ACX32.000控制器通過其以太網(wǎng)接口與工業(yè)以太網(wǎng)連接，構(gòu)成了以光纖為主要通訊介質(zhì)、

17、以TCP/IP為數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)。PROFIBUS是目前國際上通用的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)之一，它以獨特的技術(shù)特點、嚴(yán)格的認(rèn)證規(guī)范、開放的標(biāo)準(zhǔn)、眾多廠商的支持和不斷發(fā)展的應(yīng)用行規(guī)，已成為最重要的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)。同時，它又具有較高的通信速率和可靠的通信質(zhì)量以及靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在系統(tǒng)中我們分別將6臺SIMATIC S7-200 PLC的PROFIBUS DP模塊EM277連接于PROFIBUS 網(wǎng)絡(luò)中，同時將用于工控機的通訊處理器CP5611與PROFIBUS總線連接，構(gòu)成以PROFIBUS總線電纜為通訊介質(zhì)，以PROFIBUS總線接頭為連接器、以PROFIBUS DP為數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的PROFIBU

18、S網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)前控制系統(tǒng)的趨勢之一就是網(wǎng)絡(luò)化，控制系統(tǒng)內(nèi)部采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，控制系統(tǒng)與控制系統(tǒng)之間也通過網(wǎng)絡(luò)連接，組成更大的系統(tǒng)，在實現(xiàn)這一過程中OPC技術(shù)發(fā)揮重要作用。OPC (OLE for Process Control)是過程控制業(yè)中的新興標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)為基于Windows的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立了橋梁，為工業(yè)自動化軟件面向?qū)ο蟮拈_發(fā)提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在暖通自控系統(tǒng)中，我們積極運用OPC技術(shù)為系統(tǒng)通訊提供服務(wù)，通過以O(shè)PC Client、WinCC為客戶端，以O(shè)PC Server、SIMATIC NET、PC ACCESS為服務(wù)器端的方式構(gòu)成通訊接口，實現(xiàn)各控制器之間的數(shù)據(jù)通訊，同時為系統(tǒng)接入廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(SIS)奠定基礎(chǔ)。4 系統(tǒng)功能1）控制中心數(shù)據(jù)采集功能。上位機將各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。使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?？刂菩盘栍缮衔粰C經(jīng)通訊模塊送入各控制器，由控制器來實現(xiàn)各控制指令，完成對現(xiàn)場設(shè)備的各種操作。3）控制中心監(jiān)控及集中管理功能。在上位機的監(jiān)控畫面上點擊相關(guān)控制設(shè)備均可對其進行控制，對相關(guān)參數(shù)及設(shè)備運行狀態(tài)實現(xiàn)實時