摘要：本文介紹了西門子自動(dòng)化產(chǎn)品在電站暖通自控系統(tǒng)中的應(yīng)用與研究。可編程控制器不僅用于對(duì)現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)采集和處理，還用來完成對(duì)現(xiàn)場自動(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)界面被應(yīng)用于監(jiān)控工業(yè)生產(chǎn)的動(dòng)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(jìn)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 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(xiàng)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(diǎn)的優(yōu)勢，實(shí)施“熱電聯(lián)產(chǎn)，二元推進(jìn)”戰(zhàn)略，積極開展了2×300MW熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目建設(shè)工作。作為山東地區(qū)裝機(jī)容量最大的熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，日前順利投產(chǎn)發(fā)電。
作為電站機(jī)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(jī)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(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。該系統(tǒng)的提前投運(yùn)，為機(jī)組的按時(shí)投產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
二、暖通自動(dòng)控制系統(tǒng)介紹
1.工藝設(shè)計(jì)要求
該暖通自控系統(tǒng)是兩臺(tái)發(fā)電機(jī)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(fēng)空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)成，主廠房HVAC系統(tǒng)由汽機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁機(jī)柜小室降溫通風(fēng)系統(tǒng)、蓄電池室降溫通風(fēng)系統(tǒng)、380V配電裝置室及直流配電間通風(fēng)系統(tǒng)、6kV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(gè)通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)通過布置在集控樓12.6m層內(nèi)的暖通控制室進(jìn)行集中監(jiān)控。主要現(xiàn)場設(shè)備有風(fēng)冷屋頂式空調(diào)機(jī)組、風(fēng)冷式冷水機(jī)組、柜式空調(diào)機(jī)組、采暖加熱裝置、消防控制中心及各類閥門、風(fēng)機(jī)、溫濕度元件等。
暖通自動(dòng)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(jí)控制器及就地傳感器組成。自動(dòng)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(jì)原則是使通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行安全、節(jié)能和方便。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求，暖通自控系統(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)測控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程。
（1）暖通的自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)制冷/供熱、通風(fēng)過程的全自動(dòng)控制，可進(jìn)行故障診斷，并在監(jiān)控畫面上顯示各工況參數(shù)、控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及故障報(bào)警。同時(shí)，應(yīng)具備手動(dòng)控制功能，可在調(diào)試、檢修、運(yùn)行期間對(duì)各系統(tǒng)分別進(jìn)行控制，且備用設(shè)備能手動(dòng)/自動(dòng)投入運(yùn)行。
（2）在生產(chǎn)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(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理，對(duì)系統(tǒng)所有監(jiān)控點(diǎn)進(jìn)行集中監(jiān)控。
（3）根據(jù)室內(nèi)外參數(shù)變化及室內(nèi)熱濕負(fù)荷的變化自動(dòng)調(diào)整通風(fēng)、空調(diào)（制冷）系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和有關(guān)閥門的調(diào)節(jié)與開關(guān)。
（4）對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用操作器控制，確保系統(tǒng)送風(fēng)和回風(fēng)的溫濕度準(zhǔn)確穩(wěn)定，使各區(qū)域溫濕度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并對(duì)其故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)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(dāng)分系統(tǒng)任一區(qū)域發(fā)生火災(zāi)信號(hào)時(shí)，控制系統(tǒng)將停止該分系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)消防系統(tǒng)發(fā)出事故排風(fēng)指令時(shí)，控制系統(tǒng)將控制相應(yīng)區(qū)域的事故通風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行。
（6）控制系統(tǒng)具備雙路電源切換功能，當(dāng)一路電源故障時(shí)能可靠的自動(dòng)切換到另一路，以保證任何一路電源的故障均不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的任一部分失電。
2.控制系統(tǒng)選型及特點(diǎn)
為了滿足上面提到的暖通自控系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)要求，對(duì)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(jī)(IPC)構(gòu)成的自控系統(tǒng)；對(duì)于屋頂式空調(diào)機(jī)、風(fēng)冷柜式空調(diào)機(jī)、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 ACX32.000。這樣使整個(gè)系統(tǒng)的所有硬件都基于了統(tǒng)一的硬件平臺(tái)。同時(shí)，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(gòu)成統(tǒng)一的軟件平臺(tái)。通過構(gòu)建上述統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)最終實(shí)現(xiàn)暖通自控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。
可編程控制器(PLC)是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心裝置，它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和通信技術(shù)融為一體不僅能實(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，具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、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)連接的特點(diǎn)。隨著總線控制和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使可編程控制器如虎添翼，成為了現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要設(shè)備。
作為自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的世界先驅(qū)西門子自動(dòng)化與驅(qū)動(dòng)集團(tuán)(A&D)，憑借其對(duì)自動(dòng)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(jìn)的控制系統(tǒng)產(chǎn)品中，西門子自動(dòng)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(píng)定，也符合暖通自控系統(tǒng)的各項(xiàng)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(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。更為我們所需要的是SIMATIC S7系列控制器內(nèi)置或可擴(kuò)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(jì)算處理、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享等技術(shù)手段的運(yùn)用，最終使控制系統(tǒng)將參數(shù)監(jiān)測、程序控制、顯示報(bào)警、監(jiān)控管理等融為一體，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中管理，以滿足系統(tǒng)運(yùn)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(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，512Mb內(nèi)存，80Gb硬盤，2臺(tái)；
（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(nèi)存，DI/DO最大1024點(diǎn)，AI/AO最大256點(diǎn)；
（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(jī)架）接口模塊1塊；
IM 361，（擴(kuò)展機(jī)架）接口模塊3塊；
（6）信號(hào)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(luò)結(jié)構(gòu)
三、控制系統(tǒng)軟件組態(tài)與網(wǎng)絡(luò)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(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)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(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(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組態(tài)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(gè)暖通現(xiàn)場送風(fēng)回風(fēng)的全過程，并實(shí)時(shí)顯示各區(qū)域室內(nèi)溫濕度、防火閥狀態(tài)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)信息，以便于操作者能及時(shí)準(zhǔn)確的掌握整個(gè)暖通系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)備的故障進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。
（2）控制方式選擇：在工藝流程模擬畫面中可對(duì)控制設(shè)備進(jìn)行單操、成組、手動(dòng)、自
