西門子自動化產品在電站暖通自控系統(tǒng)中的應用與研究

摘要：本文介紹了西門子自動化產品在電站暖通自控系統(tǒng)中的應用與研究?？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應用于監(jiān)控工業(yè)生產的動態(tài)過程。關于本系統(tǒng)中軟硬件及網(wǎng)絡通訊的執(zhí)行情況將在文中作進一步的詳細闡述。
關鍵詞：暖通 可編程控制器 組態(tài) 通訊 西門子

The Application and Research of SIEMENS Automation Products
in the Automatic Control System for HVAC of Power Station
Zhou Hongbo
(Huadian Qingdao Power Corporation,Qingdao)
Abstract: 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 the 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 article.
Key Words: HVAC PLC Configuration Communication SIEMENS

一、項目簡介
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，實施“熱電聯(lián)產，二元推進”戰(zhàn)略，積極開展了2×300MW熱電聯(lián)產項目建設工作。作為山東地區(qū)裝機容量最大的熱電聯(lián)產機組，日前順利投產發(fā)電。
作為電站機組輔助控制系統(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，為機組的按時投產奠定了堅實的基礎。


二、暖通自動控制系統(tǒng)介紹
1.工藝設計要求
該暖通自控系統(tǒng)是兩臺發(fā)電機組的公用系統(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12.6m、8.0m、0.0m層通風空調系統(tǒng)構成，主廠房HVAC系統(tǒng)由汽機房通風系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁機柜小室降溫通風系統(tǒng)、蓄電池室降溫通風系統(tǒng)、380V配電裝置室及直流配電間通風系統(tǒng)、6kV配電裝置室通風系統(tǒng)、熱控電氣室通風系統(tǒng)及采暖加熱系統(tǒng)構成。整個通風、空調系統(tǒng)通過布置在集控樓12.6m層內的暖通控制室進行集中監(jiān)控。主要現(xiàn)場設備有風冷屋頂式空調機組、風冷式冷水機組、柜式空調機組、采暖加熱裝置、消防控制中心及各類閥門、風機、溫濕度元件等。
暖通自動監(jiān)控是采用以可編程控制器(PLC)技術為基礎的控制系統(tǒng)，由中央控制站、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡、設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，其設計原則是使通風空調系統(tǒng)運行安全、節(jié)能和方便。根據(jù)生產工藝設計要求，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）暖通的自動控制，即實現(xiàn)整個制冷/供熱、通風過程的全自動控制，可進行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)、控制設備運行狀態(tài)及故障報警。同時，應具備手動控制功能，可在調試、檢修、運行期間對各系統(tǒng)分別進行控制，且備用設備能手動/自動投入運行。
（2）在生產過程中，存在大量的物理量，如溫度、濕度、壓力、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，對系統(tǒng)所有監(jiān)控點進行集中監(jiān)控。
（3）根據(jù)室內外參數(shù)變化及室內熱濕負荷的變化自動調整通風、空調（制冷）系統(tǒng)設備運行狀態(tài)和有關閥門的調節(jié)與開關。
（4）對調節(jié)系統(tǒng)可采用操作器控制，確保系統(tǒng)送風和回風的溫濕度準確穩(wěn)定，使各區(qū)域溫濕度達到設計要求，并對其故障實現(xiàn)實時報警和聯(lián)鎖啟停切換控制。
（5）自控系統(tǒng)與消防系統(tǒng)具有硬接線接口，當分系統(tǒng)任一區(qū)域發(fā)生火災信號時，控制系統(tǒng)將停止該分系統(tǒng)運行。當消防系統(tǒng)發(fā)出事故排風指令時，控制系統(tǒng)將控制相應區(qū)域的事故通風機投入運行。
（6）控制系統(tǒng)具備雙路電源切換功能，當一路電源故障時能可靠的自動切換到另一路，以保證任何一路電源的故障均不會導致系統(tǒng)的任一部分失電。
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)構成的自控系統(tǒng)；對于屋頂式空調機、風冷柜式空調機、采暖加熱系統(tǒng)等設備控制均采用了西門子可編程控制系列產品，如SIMATIC S7-200、SICLIMAT SAPHIR ACX32.000。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、組態(tài)及通訊軟件構成統(tǒng)一的軟件平臺。通過構建上述統(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。
可編程控制器(PLC)是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計，已經成為電氣控制系統(tǒng)中應用最為廣泛的核心裝置，它將計算機技術、自動化技術和通信技術融為一體不僅能實現(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，具有可靠性高、抗干擾能力強、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，可方便各級連接的特點。隨著總線控制和網(wǎng)絡技術的廣泛應用，使可編程控制器如虎添翼，成為了現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)自動化的重要設備。


作為自動化和驅動領域的世界先驅西門子自動化與驅動集團(A&D)，憑借其對自動化領域的充分理解和前瞻性的思路，為各行業(yè)提供了創(chuàng)新與高效的產品及解決方案。在當前先進的控制系統(tǒng)產品中，西門子自動化的可編程控制器技術已相當成熟，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。更為我們所需要的是SIMATIC S7系列控制器內置或可擴展不同通訊接口，提供多種通訊方式選擇，可構成不同要求的工業(yè)通訊網(wǎng)絡。通過計算處理、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)共享等技術手段的運用，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。
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，512Mb內存，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 (CPU)
CPU 314，24V供電，64KB工作內存，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。
控制中心SIMATIC S7-300可編程控制器硬件配置圖，如下：


4.控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構


三、控制系統(tǒng)軟件組態(tài)與網(wǎng)絡通訊
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)的重要組成部分，用于控制系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)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)揮著越來越重要的作用。暖通控制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組態(tài)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）工藝流程模擬圖：以工藝流程模擬圖為基礎監(jiān)視手段，在畫面中模擬顯示整個暖通現(xiàn)場送風回風的全過程，并實時顯示各區(qū)域室內溫濕度、防火閥狀態(tài)及設備運行狀態(tài)等參數(shù)信息，以便于操作者能及時準確的掌握整個暖通系統(tǒng)的運行情況，并能夠對現(xiàn)場設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備進行單操、成組、手動、自