可编程控制器在换热站自控系统中的应用
2006/10/15 21:48:00
摘要：本文介绍了可编程控制器在换热站自控系统中的应用。可编程控制器除了用于对现场仪表的数据采集和处理以外，还用来完成对现场的自动化设备的控制。此外，工控组态软件作为一种标准的人机界面被用于监控工业生产的动态过程。本系统中基于软件和硬件的执行情况将在文中作进一步的详细阐述。
关键词：可编程控制器 换热站 组态软件
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市委、市政府及集团公司的支持下，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市市内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。
2 换热首站自控系统的设计要求
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连锁启停切换控制。以1#换热器为例，具体调节控制单元如下：
①1#换热器二次供水温度调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器一次蒸汽管网入口蒸汽调节阀CV-101A实现1#换热器二次侧热水出口温度的自动控制。
控制回路名称 : TIC-101A
过程变量 : TI-202A(1#换热器二次供水温度)
控制输出 : CV-101A(1#换热器一次蒸汽调节阀调节信号)
②1#换热器冷凝水水位调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器冷凝水排水调节阀CV-301A实现1#换热器冷凝水水位的自动控制。
控制回路名称 : LIC-301A
过程变量 : LI-301A(,1#换热器冷凝水水位)
控制输出 : CV-301A(1#换热器冷凝水排水调节阀调节信号)
③补水流量调节控制回路
主要功能:通过控制补水流量调节阀CV-302实现二次回水压力的定压自动控制。
控制回路名称 : FIC-302
过程变量 : PI-204(次回水压力/泵入口)
控制输出 : CV-302(二次回水补水流量调节阀调节信号)
④二次供水压力调节控制回路
主要功能:通过控制循环水泵变频器转速实现二次供水压力的定压自动控制。
控制特性:
变频器最小转速为额定转速的20%(10Hz)。
控制偏差为±0.625%(±0.01MPa)
待系统运行稳定后将1#/2#补水泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ2
过程变量 : PI-203(二次供水压力/换热器出口总管)
控制输出 : 2BPQ-F(1#/2#循环水泵变频器转速调节信号)
⑤二次回水压力自动控制回路
主要功能:通过控制疏水水泵变频器转速实现二次回水压力自动定压控制。
控制特性:
当二次回水压力低于0.46MPa时自动启动变频器对系统进行补水,当压力达到额定值时变频器稳定在某转速恒定运行,系统稳定后可手动停止变频器运行。
为避免变频器在达到额定压力时出现转速波动的情况,控制死区宽度设置为1.6×±0.625%=±0.01MPa,即当测量压力与设定压力出现±0.01MPa误差时,变频器转速恒定不变。
变频器最小转速为额定转速的20%(10Hz)。
待系统运行稳定后将1#/2#补水泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ1
过程变量 : PI-204(二次回水压力/滤污器出口)
控制输出 : 1BPQ-F(1#/2#疏水泵变频器转速调节信号)
（7）该换热首站监控系统共需处理72个数字量输入点、64个数字量输出点、48个模拟量输入点和10个模拟量输出点。
（8）可使运行操作人员通过上位机中的视频窗口实时监控现场设备运行状况。
按照上述设计要求，整个换热首站自控系统可具有良好的自适应能力，完全可以实现无人值守、高效节能的设计目标。
3 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。根据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，512M内
存，80G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。
网络拓扑结构图如下：
4 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
关键词：可编程控制器 换热站 组态软件
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市委、市政府及集团公司的支持下，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市市内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。
2 换热首站自控系统的设计要求
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连锁启停切换控制。以1#换热器为例，具体调节控制单元如下：
①1#换热器二次供水温度调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器一次蒸汽管网入口蒸汽调节阀CV-101A实现1#换热器二次侧热水出口温度的自动控制。
控制回路名称 : TIC-101A
过程变量 : TI-202A(1#换热器二次供水温度)
控制输出 : CV-101A(1#换热器一次蒸汽调节阀调节信号)
②1#换热器冷凝水水位调节控制回路
主要功能:通过控制1#换热器冷凝水排水调节阀CV-301A实现1#换热器冷凝水水位的自动控制。
控制回路名称 : LIC-301A
过程变量 : LI-301A(,1#换热器冷凝水水位)
控制输出 : CV-301A(1#换热器冷凝水排水调节阀调节信号)
③补水流量调节控制回路
主要功能:通过控制补水流量调节阀CV-302实现二次回水压力的定压自动控制。
控制回路名称 : FIC-302
过程变量 : PI-204(次回水压力/泵入口)
控制输出 : CV-302(二次回水补水流量调节阀调节信号)
④二次供水压力调节控制回路
主要功能:通过控制循环水泵变频器转速实现二次供水压力的定压自动控制。
控制特性:
变频器最小转速为额定转速的20%(10Hz)。
控制偏差为±0.625%(±0.01MPa)
待系统运行稳定后将1#/2#补水泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ2
过程变量 : PI-203(二次供水压力/换热器出口总管)
控制输出 : 2BPQ-F(1#/2#循环水泵变频器转速调节信号)
⑤二次回水压力自动控制回路
主要功能:通过控制疏水水泵变频器转速实现二次回水压力自动定压控制。
控制特性:
当二次回水压力低于0.46MPa时自动启动变频器对系统进行补水,当压力达到额定值时变频器稳定在某转速恒定运行,系统稳定后可手动停止变频器运行。
为避免变频器在达到额定压力时出现转速波动的情况,控制死区宽度设置为1.6×±0.625%=±0.01MPa,即当测量压力与设定压力出现±0.01MPa误差时,变频器转速恒定不变。
变频器最小转速为额定转速的20%(10Hz)。
待系统运行稳定后将1#/2#补水泵调节回路设为自动控制。
控制回路名称 : BPQ1
过程变量 : PI-204(二次回水压力/滤污器出口)
控制输出 : 1BPQ-F(1#/2#疏水泵变频器转速调节信号)
（7）该换热首站监控系统共需处理72个数字量输入点、64个数字量输出点、48个模拟量输入点和10个模拟量输出点。
（8）可使运行操作人员通过上位机中的视频窗口实时监控现场设备运行状况。
按照上述设计要求，整个换热首站自控系统可具有良好的自适应能力，完全可以实现无人值守、高效节能的设计目标。
3 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。根据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，512M内
存，80G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。
网络拓扑结构图如下：
4 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
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