可編程控制器在換熱站自控系統(tǒng)中的應用

摘要：本文介紹了可編程控制器在換熱站自控系統(tǒng)中的應用。可編程控制器除了用于對現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理以外，還用來完成對現(xiàn)場的自動化設備的控制。此外，工控組態(tài)軟件作為一種標準的人機界面被用于監(jiān)控工業(yè)生產的動態(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一步的詳細闡述。

關鍵詞：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、市政府及集團公司的支持下，積極開展熱電聯(lián)產項目，滿足了青島市集中供熱布局的大調整、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(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市市內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。
2 換熱首站自控系統(tǒng)的設計要求

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)來構成。根據(jù)生產工藝設計要求，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），為生產管理級，完成對下位機的監(jiān)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(xiàn)場的數(shù)據(jù)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(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?？刂破骺梢酝ㄟ^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)實時報警和連鎖啟停切換控制。以1#換熱器為例，具體調節(jié)控制單元如下：
①1#換熱器二次供水溫度調節(jié)控制回路
主要功能:通過控制1#換熱器一次蒸汽管網入口蒸汽調節(jié)閥CV-101A實現(xiàn)1#換熱器二次側熱水出口溫度的自動控制。
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#換熱器一次蒸汽調節(jié)閥調節(jié)信號)
②1#換熱器冷凝水水位調節(jié)控制回路
主要功能:通過控制1#換熱器冷凝水排水調節(jié)閥CV-301A實現(xiàn)1#換熱器冷凝水水位的自動控制。
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節(jié)閥調節(jié)信號)
③補水流量調節(jié)控制回路
主要功能:通過控制補水流量調節(jié)閥CV-302實現(xiàn)二次回水壓力的定壓自動控制。
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(二次回水補水流量調節(jié)閥調節(jié)信號)
④二次供水壓力調節(jié)控制回路
主要功能:通過控制循環(huán)水泵變頻器轉速實現(xiàn)二次供水壓力的定壓自動控制。
控制特性:
變頻器最小轉速為額定轉速的20%(10Hz)。
控制偏差為±0.625%(±0.01MPa)
待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后將1#/2#補水泵調節(jié)回路設為自動控制。
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)水泵變頻器轉速調節(jié)信號)
⑤二次回水壓力自動控制回路
主要功能:通過控制疏水水泵變頻器轉速實現(xiàn)二次回水壓力自動定壓控制。
控制特性:
當二次回水壓力低于0.46MPa時自動啟動變頻器對系統(tǒng)進行補水,當壓力達到額定值時變頻器穩(wěn)定在某轉速恒定運行,系統(tǒng)穩(wěn)定后可手動停止變頻器運行。
為避免變頻器在達到額定壓力時出現(xiàn)轉速波動的情況,控制死區(qū)寬度設置為1.6×±0.625%=±0.01MPa,即當測量壓力與設定壓力出現(xiàn)±0.01MPa誤差時,變頻器轉速恒定不變。
變頻器最小轉速為額定轉速的20%(10Hz)。
待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后將1#/2#補水泵調節(jié)回路設為自動控制。
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#疏水泵變頻器轉速調節(jié)信號)
（7）該換熱首站監(jiān)控系統(tǒng)共需處理72個數(shù)字量輸入點、64個數(shù)字量輸出點、48個模擬量輸入點和10個模擬量輸出點。
（8）可使運行操作人員通過上位機中的視頻窗口實時監(jiān)控現(xiàn)場設備運行狀況。
按照上述設計要求，整個換熱首站自控系統(tǒng)可具有良好的自適應能力，完全可以實現(xiàn)無人值守、高效節(jié)能的設計目標。

3 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(xiàn)多個機架的擴展工作方式。根據(jù)要求本系統(tǒng)所選用的硬件產品，如下所示：
（1）工業(yè)控制計算機（IPC）
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz處理器，512M內
存，80G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(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。
網絡拓撲結構圖如下：


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合的產物，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(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的換熱情況，能夠對現(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)