西門子自動化產品在電站暖通自控系統中的應用與研究
2007/8/13 16:17:00
摘要：本文介紹了西門子自動化產品在電站暖通自控系統中的應用與研究。可編程控制器不僅用于對現場儀表的數據采集和處理，還用來完成對現場自動化設備的控制。此外，工控組態軟件作為一種標準的人機界面被應用于監控工業生產的動態過程。關于本系統中軟硬件及網絡通訊的執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 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勢，實施“熱電聯產，二元推進”戰略，積極開展了2×300MW熱電聯產項目建設工作。作為山東地區裝機容量最大的熱電聯產機組，日前順利投產發電。
作為電站機組輔助控制系統的重要組成部分──暖通控制系統，是涉及機組各區域供熱、制冷、通風以及消防的主要控制中樞，也是機組安全穩定運行的重要保障。該系統的提前投運，為機組的按時投產奠定了堅實的基礎。
二、暖通自動控制系統介紹
1.工藝設計要求
該暖通自控系統是兩臺發電機組的公用系統，主要包括集控樓、主廠房各區域的HVAC(Heat Ventilation Air Conditioner)系統。集控樓HVAC系統由集控樓12.6m、8.0m、0.0m層通風空調系統構成，主廠房HVAC系統由汽機房通風系統、發電機勵磁機柜小室降溫通風系統、蓄電池室降溫通風系統、380V配電裝置室及直流配電間通風系統、6kV配電裝置室通風系統、熱控電氣室通風系統及采暖加熱系統構成。整個通風、空調系統通過布置在集控樓12.6m層內的暖通控制室進行集中監控。主要現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。
暖通自動監控是采用以可編程控制器(PLC)技術為基礎的控制系統，由中央控制站、數據通訊網絡、設備級控制器及就地傳感器組成。自動控制系統具有監控、編程和數據處理等功能，其設計原則是使通風空調系統運行安全、節能和方便。根據生產工藝設計要求，暖通自控系統采用典型的兩級監控方式。上位機以標準的工業控制計算機(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，完成生產現場的數據采集及過程控制等，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，并在監控畫面上顯示各工況參數、控制設備運行狀態及故障報警。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。需要通過PLC對這些參數進行實時采集和處理，對系統所有監控點進行集中監控。
（3）根據室內外參數變化及室內熱濕負荷的變化自動調整通風、空調（制冷）系統設備運行狀態和有關閥門的調節與開關。
（4）對調節系統可采用操作器控制，確保系統送風和回風的溫濕度準確穩定，使各區域溫濕度達到設計要求，并對其故障實現實時報警和聯鎖啟停切換控制。
（5）自控系統與消防系統具有硬接線接口，當分系統任一區域發生火災信號時，控制系統將停止該分系統運行。當消防系統發出事故排風指令時，控制系統將控制相應區域的事故通風機投入運行。
（6）控制系統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的任一部分失電。
2.控制系統選型及特點
為了滿足上面提到的暖通自控系統工藝設計要求，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；對于屋頂式空調機、風冷柜式空調機、采暖加熱系統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。這樣使整個系統的所有硬件都基于了統一的硬件平臺。同時，由STEP 7、STEP 7-Mirco/ WIN32、WinCC、SIMATIC NET PC-Software、PC ACCESS等編程、組態及通訊軟件構成統一的軟件平臺。通過構建上述統一的軟硬件平臺最終實現暖通自控系統的各項功能。
可編程控制器(PLC)是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，已經成為電氣控制系統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復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環控制功能，具有可靠性高、抗干擾能力強、穩定性好、體積小，能在惡劣環境下長時間、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。隨著總線控制和網絡技術的廣泛應用，使可編程控制器如虎添翼，成為了現代工業實現自動化的重要設備。
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，為各行業提供了創新與高效的產品及解決方案。在當前先進的控制系統產品中，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通訊網絡。通過計算處理、網絡數據共享等技術手段的運用，最終使控制系統將參數監測、程序控制、顯示報警、監控管理等融為一體，實現系統的集中管理，以滿足系統運行現代化的要求。
3.控制系統硬件配置
根據要求本系統控制中心所選用的硬件產品，如下所示：
（1）工業控制計算機 (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, 工業以太網通訊處理器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，數字量輸入模塊7塊；
SM 322，數字量輸出模塊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，工業以太網通訊處理器1塊。
控制中心SIMATIC S7-300可編程控制器硬件配置圖，如下：
4.控制系統網絡結構
三、控制系統軟件組態與網絡通訊
1.軟件組態過程與效果
工控組態軟件WinCC(Windows Control Center)是一個集成的人機界面(HMI)和監控管理系統，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。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。HMI人機界面系統作為基礎自動化系統的重要組成部分，用于控制系統的各種數據設定、顯示、故障報警，以及相應操作和設備的在線調試及維護，發揮著越來越重要的作用。暖通控制HMI系統信息以友好方式與用戶交互。通過自動化控制系統接收過程計算機(PCS)和操作人員通過HMI輸入的數據進行處理，處理后再將過程數據信息、機組狀態信息和各種測量值以符號、數值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。最終實現了在HMI操作站（上位機）上以最少的設備數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當前狀態及其相關信息的設計目標。
在上位機上用WinCC組態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視手段，在畫面中模擬顯示整個暖通現場送風回風的全過程，并實時顯示各區域室內溫濕度、防火閥狀態及設備運行狀態等參數信息，以便于操作者能及時準確的掌握整個暖通系統的運行情況，并能夠對現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
關鍵詞：暖通 可編程控制器 組態 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勢，實施“熱電聯產，二元推進”戰略，積極開展了2×300MW熱電聯產項目建設工作。作為山東地區裝機容量最大的熱電聯產機組，日前順利投產發電。
作為電站機組輔助控制系統的重要組成部分──暖通控制系統，是涉及機組各區域供熱、制冷、通風以及消防的主要控制中樞，也是機組安全穩定運行的重要保障。該系統的提前投運，為機組的按時投產奠定了堅實的基礎。
二、暖通自動控制系統介紹
1.工藝設計要求
該暖通自控系統是兩臺發電機組的公用系統，主要包括集控樓、主廠房各區域的HVAC(Heat Ventilation Air Conditioner)系統。集控樓HVAC系統由集控樓12.6m、8.0m、0.0m層通風空調系統構成，主廠房HVAC系統由汽機房通風系統、發電機勵磁機柜小室降溫通風系統、蓄電池室降溫通風系統、380V配電裝置室及直流配電間通風系統、6kV配電裝置室通風系統、熱控電氣室通風系統及采暖加熱系統構成。整個通風、空調系統通過布置在集控樓12.6m層內的暖通控制室進行集中監控。主要現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。
暖通自動監控是采用以可編程控制器(PLC)技術為基礎的控制系統，由中央控制站、數據通訊網絡、設備級控制器及就地傳感器組成。自動控制系統具有監控、編程和數據處理等功能，其設計原則是使通風空調系統運行安全、節能和方便。根據生產工藝設計要求，暖通自控系統采用典型的兩級監控方式。上位機以標準的工業控制計算機(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，完成生產現場的數據采集及過程控制等，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，并在監控畫面上顯示各工況參數、控制設備運行狀態及故障報警。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。需要通過PLC對這些參數進行實時采集和處理，對系統所有監控點進行集中監控。
（3）根據室內外參數變化及室內熱濕負荷的變化自動調整通風、空調（制冷）系統設備運行狀態和有關閥門的調節與開關。
（4）對調節系統可采用操作器控制，確保系統送風和回風的溫濕度準確穩定，使各區域溫濕度達到設計要求，并對其故障實現實時報警和聯鎖啟停切換控制。
（5）自控系統與消防系統具有硬接線接口，當分系統任一區域發生火災信號時，控制系統將停止該分系統運行。當消防系統發出事故排風指令時，控制系統將控制相應區域的事故通風機投入運行。
（6）控制系統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的任一部分失電。
2.控制系統選型及特點
為了滿足上面提到的暖通自控系統工藝設計要求，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；對于屋頂式空調機、風冷柜式空調機、采暖加熱系統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。這樣使整個系統的所有硬件都基于了統一的硬件平臺。同時，由STEP 7、STEP 7-Mirco/ WIN32、WinCC、SIMATIC NET PC-Software、PC ACCESS等編程、組態及通訊軟件構成統一的軟件平臺。通過構建上述統一的軟硬件平臺最終實現暖通自控系統的各項功能。
可編程控制器(PLC)是一種數字運算操作的電子系統，專為在工業環境下應用而設計，已經成為電氣控制系統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復雜的邏輯控制，還能完成各種順序或定時的閉環控制功能，具有可靠性高、抗干擾能力強、穩定性好、體積小，能在惡劣環境下長時間、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。隨著總線控制和網絡技術的廣泛應用，使可編程控制器如虎添翼，成為了現代工業實現自動化的重要設備。
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，為各行業提供了創新與高效的產品及解決方案。在當前先進的控制系統產品中，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通訊網絡。通過計算處理、網絡數據共享等技術手段的運用，最終使控制系統將參數監測、程序控制、顯示報警、監控管理等融為一體，實現系統的集中管理，以滿足系統運行現代化的要求。
3.控制系統硬件配置
根據要求本系統控制中心所選用的硬件產品，如下所示：
（1）工業控制計算機 (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, 工業以太網通訊處理器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，數字量輸入模塊7塊；
SM 322，數字量輸出模塊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，工業以太網通訊處理器1塊。
控制中心SIMATIC S7-300可編程控制器硬件配置圖，如下：
4.控制系統網絡結構
三、控制系統軟件組態與網絡通訊
1.軟件組態過程與效果
工控組態軟件WinCC(Windows Control Center)是一個集成的人機界面(HMI)和監控管理系統，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。它真實的將工廠控制軟件集成到自動化過程中。HMI人機界面系統作為基礎自動化系統的重要組成部分，用于控制系統的各種數據設定、顯示、故障報警，以及相應操作和設備的在線調試及維護，發揮著越來越重要的作用。暖通控制HMI系統信息以友好方式與用戶交互。通過自動化控制系統接收過程計算機(PCS)和操作人員通過HMI輸入的數據進行處理，處理后再將過程數據信息、機組狀態信息和各種測量值以符號、數值、曲線、圖表及歷史記錄的形式在HMI畫面上顯示。最終實現了在HMI操作站（上位機）上以最少的設備數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當前狀態及其相關信息的設計目標。
在上位機上用WinCC組態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視手段，在畫面中模擬顯示整個暖通現場送風回風的全過程，并實時顯示各區域室內溫濕度、防火閥狀態及設備運行狀態等參數信息，以便于操作者能及時準確的掌握整個暖通系統的運行情況，并能夠對現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
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