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(gè)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(tuán)公司的支持下，積極開展熱電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)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(yùn)會(huì)青島賽區(qū)的要求。同時(shí)，也使整個(gè)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?fù)Q熱首站，供熱面積達(dá)70萬平方米，成為了青島市自動(dòng)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(jì)要求 該換熱首站主要由三臺(tái)汽水換熱器組成的換熱系統(tǒng)、四臺(tái)循環(huán)水泵組成的循環(huán)水系統(tǒng)及兩臺(tái)補(bǔ)水泵組成的補(bǔ)水系統(tǒng)來構(gòu)成。根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求，換熱首站的自控系統(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）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(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和處理。 　　 （2）換熱首站的自動(dòng)控制，即實(shí)現(xiàn)整個(gè)進(jìn)汽和供水過程的全自動(dòng)控制，進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)。 　　 （3）根據(jù)本地的氣候條件以及供熱對(duì)象的特性，給出一條室外溫度與二次供水溫度之間的對(duì)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(duì)一次供汽流量進(jìn)行控制，已達(dá)到對(duì)二次供水溫度的控制。此設(shè)計(jì)的特點(diǎn)在于能夠通過室外溫度對(duì)二次供水的溫度進(jìn)行控制，以達(dá)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。 　　 （4）自控系統(tǒng)通過加入時(shí)間日程表的控制，實(shí)現(xiàn)一天當(dāng)中不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)二次供水壓力的控制，由于控制器可編程的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)變頻器的低頻限制，以避免變頻器、水泵長時(shí)間在低頻運(yùn)行，從而保護(hù)電機(jī)及變頻器。當(dāng)一臺(tái)補(bǔ)水泵無法通過變頻補(bǔ)水達(dá)到所要求的壓力時(shí)，控制器可使另一臺(tái)備用泵以工頻的方式進(jìn)行補(bǔ)水。最終實(shí)現(xiàn)更加智能化的恒壓補(bǔ)水控制。 　　 （6）對(duì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用手操器控制，確保進(jìn)汽和供水的溫度、壓力準(zhǔn)確穩(wěn)定，使換熱溫度達(dá)到用戶的要求，并對(duì)其故障實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)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(shí)現(xiàn)1#換熱器二次側(cè)熱水出口溫度的自動(dòng)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(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號(hào)） 　　 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(shí)現(xiàn)1#換熱器冷凝水水位的自動(dòng)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(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號(hào)） 　　 ③補(bǔ)水流量調(diào)節(jié)控制回路 　　主要功能:通過控制補(bǔ)水流量調(diào)節(jié)閥CV-302實(shí)現(xiàn)二次回水壓力的定壓自動(dòng)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(bǔ)水流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)信號(hào)） 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(shí)現(xiàn)二次供水壓力的定壓自動(dòng)控制。 　　控制特性: 　　變頻器最小轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的20%（10Hz）。 　　控制偏差為±0.625%（±0.01MPa） 　　待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后將1#/2#補(bǔ)水泵調(diào)節(jié)回路設(shè)為自動(dòng)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(hào)） 　　 ⑤二次回水壓力自動(dòng)控制回路 　　主要功能:通過控制疏水水泵變頻器轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)二次回水壓力自動(dòng)定壓控制。 　　控制特性: 　　當(dāng)二次回水壓力低于0.46MPa時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)變頻器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)水,當(dāng)壓力達(dá)到額定值時(shí)變頻器穩(wěn)定在某轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)行,系統(tǒng)穩(wěn)定后可手動(dòng)停止變頻器運(yùn)行。 　　為避免變頻器在達(dá)到額定壓力時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速波動(dòng)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(shí),變頻器轉(zhuǎn)速恒定不變。 　　變頻器最小轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速的20%（10Hz）。 　　待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后將1#/2#補(bǔ)水泵調(diào)節(jié)回路設(shè)為自動(dòng)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(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信號(hào)） 　　 （7）該換熱首站監(jiān)控系統(tǒng)共需處理72個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)、64個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)、48個(gè)模擬量輸入點(diǎn)和10個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。 　　 （8）可使運(yùn)行操作人員通過上位機(jī)中的視頻窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行狀況。 　　按照上述設(shè)計(jì)要求，整個(gè)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(shí)現(xiàn)無人值守、高效節(jié)能的設(shè)計(jì)目標(biāo)。 　　 3 系統(tǒng)選型及特點(diǎn) 　　 　　為了滿足上面提到的換熱首站自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)（IPC）構(gòu)成的自控系統(tǒng)，再配以先進(jìn)的WinCC監(jiān)控軟件，來實(shí)現(xiàn)換熱首站自控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。 　　 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(jì)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，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(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，并且抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、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。 　　 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(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CP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。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(jì)算機(jī)（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(diǎn)，AI/AO最大256點(diǎn)； （3）信號(hào)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(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(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)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(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(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）工藝流程圖：在畫面中通過編程實(shí)現(xiàn)模擬顯示整個(gè)換熱站現(xiàn)場進(jìn)汽供水的全過程，并且在換熱器本體上實(shí)時(shí)顯示了各路汽、水的溫度與壓力，以便于操作者能及時(shí)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(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。 　　 （2）手操器的操作與對(duì)現(xiàn)場儀表的監(jiān)控：手操器有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式，在設(shè)備安裝調(diào)試階段一般用手動(dòng)操作方式，進(jìn)入正常運(yùn)作時(shí)常用自動(dòng)方式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些重要的模擬量數(shù)據(jù)的精確控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)程序由PID閉環(huán)控制回路完成。 　　 （3）報(bào)警記錄：對(duì)于如進(jìn)汽流量、供水壓力等一些重要的模擬量輸入?yún)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警，當(dāng)處于監(jiān)控下的任何一個(gè)變量超出預(yù)先設(shè)定的安全值時(shí)，報(bào)警燈就會(huì)立即閃爍，同時(shí)通過報(bào)警一覽表對(duì)話框可以檢查報(bào)警超出的范圍以及錯(cuò)誤的出處，并對(duì)此采取相應(yīng)的措施。 　　 （4）歷史趨勢：在此畫面中除了實(shí)時(shí)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(duì)過去歷史趨勢的比較進(jìn)而可以對(duì)變量未來的發(fā)展趨勢做進(jìn)一步的預(yù)測。另外，還具有報(bào)警或變量記錄檔案庫數(shù)據(jù)的運(yùn)行報(bào)表。 　　 （5）攝像監(jiān)控：通過攝像及圖像采集設(shè)備對(duì)圖像的處理，使操作人員通過視頻窗口實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)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(jì)與實(shí)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(diǎn)，使整個(gè)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(shí)際應(yīng)用,為企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。