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(chǎn)項目，滿足了青島市集中供熱布局的大調(diào)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(zhì)量和市民生活品質(zhì)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(guān)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(nèi)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(shè)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(gòu)成。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)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(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)采集及過程控制等，面向生產(chǎn)過程?！　　　?nbsp;

（1）在生產(chǎn)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(shè)備運行狀態(tài)?！　?nbsp;

（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(yīng)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(shè)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(zhì)量的目的。另外在控制器中增加晚間節(jié)能的設(shè)置，根據(jù)需要設(shè)置晚間供熱溫度?！　?nbsp;

（4）自控系統(tǒng)通過加入時間日程表的控制，實現(xiàn)一天當(dāng)中不同時刻對應(yīng)不同的溫度?！　?nbsp;

（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(dāng)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?！　?nbsp;

（6）對調(diào)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(zhǔn)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(diào)節(jié)控制單元如下：　　  

①1#換熱器二次供水溫度調(diào)節(jié)控制回路　　

主要功能:通過控制1#換熱器一次蒸汽管網(wǎng)入口蒸汽調(diào)節(jié)閥CV-101A實現(xiàn)1#換熱器二次側(cè)熱水出口溫度的自動控制?！　?/span>

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(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號)　　 

②1#換熱器冷凝水水位調(diào)節(jié)控制回路　　主要功能:通過控制1#換熱器冷凝水排水調(diào)節(jié)閥CV-301A實現(xiàn)1#換熱器冷凝水水位的自動控制?！　】刂苹芈访Q : 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(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號)　　 

③補水流量調(diào)節(jié)控制回路　　主要功能:通過控制補水流量調(diào)節(jié)閥CV-302實現(xiàn)二次回水壓力的定壓自動控制?！　?/span>

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(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號)

④二次供水壓力調(diào)節(jié)控制回路　　主要功能:通過控制循環(huán)水泵變頻器轉(zhuǎn)速實現(xiàn)二次供水壓力的定壓自動控制?！　?/span>

控制特性:　　變頻器最小轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的20%(10Hz)?！　?/span>

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(diào)節(jié)回路設(shè)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(zhuǎn)速調(diào)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(zhuǎn)速實現(xiàn)二次回水壓力自動定壓控制。　　控制特性:　　當(dāng)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(dāng)壓力達到額定值時變頻器穩(wěn)定在某轉(zhuǎn)速恒定運行,系統(tǒng)穩(wěn)定后可手動停止變頻器運行?！　?/span>

為避免變頻器在達到額定壓力時出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動的情況,控制死區(qū)寬度設(shè)置為1.6×±0.625%=±0.01MPa,即當(dāng)測量壓力與設(shè)定壓力出現(xiàn)±0.01MPa誤差時,變頻器轉(zhuǎn)速恒定不變?！　?/span>

變頻器最小轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的20%(10Hz)。待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后將1#/2#補水泵調(diào)節(jié)回路設(shè)為自動控制?？刂苹芈访Q : 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(zhuǎn)速調(diào)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(shè)備運行狀況?！　?/span>

按照上述設(shè)計要求，整個換熱首站自控系統(tǒng)可具有良好的自適應(yīng)能力，完全可以實現(xiàn)無人值守、高效節(jié)能的設(shè)計目標(biāo)?！　　　?/span>

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(shè)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(gòu)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?！　?nbsp;

當(dāng)前可編程控制器（PLC）是專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的工業(yè)控制計算機，已經(jīng)成為電氣控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的核心位置，它不僅能實現(xiàn)復(fù)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(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(chǎn)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(nèi)存，80G硬盤；　　 

（2）中央處理單元 (CPU) CPU 314，24V供電，48KB工作內(nèi)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖如下：

華電青島發(fā)電有限公司70萬換熱首站自控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

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(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，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(chǔ)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(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(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)?！　?nbsp;

在上位機上用WinCC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(zhǔn)確的掌握本體內(nèi)的換熱情況，能夠?qū)ΜF(xiàn)場設(shè)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(shè)備安裝調(diào)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)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。　　 （3）報警記錄：對于如進汽流量、供水壓力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)控下的任何一個變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時，報警燈就會立即閃爍，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錯誤的出處，并對此采取相應(yīng)的措施。　　 

（4）歷史趨勢：在此畫面中除了實時顯示變量的變化趨勢，操作員還可以檢查過去的過程數(shù)據(jù)記錄，通過對過去歷史趨勢的比較進而可以對變量未來的發(fā)展趨勢做進一步的預(yù)測。另外，還具有報警或變量記錄檔案庫數(shù)據(jù)的運行報表?！　?nbsp;

（5）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設(shè)備對圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運行狀況。　　

5 結(jié)論　　 

本文討論了基于可編程控制器的換熱站自控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，充分發(fā)揮了可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便和可現(xiàn)場調(diào)試的優(yōu)點，使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。該控制系統(tǒng)已在最近的采暖期中得到實際應(yīng)用,為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。