摘 要: 本文將詳細(xì)的闡述了西門子S7300PLC在蒸汽首站自動控制中的應(yīng)用，并在本論文中詳細(xì)的用一例子（天津堿廠永利供熱公司新河一級首站）來說明蒸汽首站各個工藝控制環(huán)節(jié)及節(jié)能降耗的效果。 關(guān)鍵字: 蒸汽首站，自動控制，西門子S7300 一、 概述 　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)不斷的發(fā)展，國家對城市集中供熱品質(zhì)和自動化控制水平也提出較高的要求。在過去換熱站的控制完全由人工來完成，而蒸汽首站換熱裝置和工藝參數(shù)都是龐大而復(fù)雜的，它的穩(wěn)定運(yùn)行及高品質(zhì)供熱直接影響著二級換熱站的穩(wěn)定性和供熱品質(zhì)。現(xiàn)在先將蒸汽一級首站做一簡單的介紹;蒸汽換熱首站是指把來自電廠（高低壓）蒸汽或?qū)Ｓ脽嵩矗ㄕ羝仩t）提供的蒸汽通過換熱器交換出二次高溫水（90-130）度之間，二次高溫水再由大功率循環(huán)泵供給其它各個子換熱站進(jìn)一步換熱，二級換熱站的回水匯總后又返回到首站再次加熱，往復(fù)循環(huán)。 二、 首站安裝自動控制系統(tǒng)的目的 　　在蒸汽首站中安裝自動化控制系統(tǒng)其目的當(dāng)然是為了能使工藝控制更先進(jìn)、供熱參數(shù)更優(yōu)化、整體系統(tǒng)更節(jié)能，并給投資者能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益，其總結(jié)一下優(yōu)點(diǎn)共有以下四類： 　　2.1 提高供熱溫度、壓力、流量等過程參數(shù)的控制精度，改善供熱品質(zhì)。 　　2.2 減少操作人員、降低工人勞動強(qiáng)度、節(jié)約人力投資。 　　2.3 全面及時的掌握供熱系統(tǒng)的溫度、壓力、流量等過程參數(shù)變化情況，相當(dāng)于供熱系統(tǒng)安裝了眼睛，運(yùn)行人員可以不用再到現(xiàn)場就地儀表上觀看記錄和填寫運(yùn)行報(bào)表。 　　2.4 控制系統(tǒng)提供完整的故障診斷及報(bào)警功能，使得運(yùn)行人員可以快速掌握報(bào)警發(fā)生地點(diǎn)及原因，對超溫、超壓、泄漏、堵塞、儀表故障、PLC故障、斷電等各種故障的發(fā)生做到及時診斷，及時檢修，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。 三、 控制系統(tǒng)的選擇及配置 　　在選擇首站控制系統(tǒng)時首先要考慮到首站的重要性，同時也要考慮到供熱公司一般維護(hù)人員技術(shù)水平較差，首站運(yùn)行人員文化有限。所以必須選擇一種運(yùn)行界面全中文且自動化控制水平較高、持久運(yùn)行故障率低的DCS系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)查西門子S7300PLC多年來被各行業(yè)所用，可靠性高故障率低I/O點(diǎn)擴(kuò)展也方便，所以在“天津堿廠永利新河供熱站”下位機(jī)選擇了西門子S7300CPU。上位機(jī)人機(jī)界面它的友好性和可操作性直接影響著系統(tǒng)的安全運(yùn)行，本工程中上位機(jī)采用兩臺計(jì)算機(jī)控制平臺另加一臺西門子HMI MP270觸摸人機(jī)界面。上位機(jī)軟件選用國產(chǎn)（MCGS）全中文組態(tài)軟件，使控制系統(tǒng)構(gòu)成DCS結(jié)構(gòu)。整個DCS系統(tǒng)軟硬件配置如下： 　　3.1 PLC控制柜硬件組成 　　PLC獨(dú)立的安裝在弱電控制柜中，PLC由中央主機(jī)架、CPU313C-2DP（本機(jī)自帶2DP接口，32K工作內(nèi)存，位操作時間0.1μs，集成16DI/16DO， DI/DO最大1008點(diǎn)，AI/AO最大248點(diǎn)，MMC微存儲卡128K ），擴(kuò)展模擬量輸入模塊SM AI/8 1FKF02 ×5個，擴(kuò)展模擬量輸出模塊SM 5HF00 AO/8×1組成。 　　由于選用了2DP接口的CPU，所以在PLC弱電控制柜門上還嵌入了一款西門子MP270B觸摸面板HMI（256色，10.4英寸,640×480），觸摸面板HMI與PLCDP-2接口進(jìn)行通訊。觸摸面板HMI由SIMATIC WinCC flexible 軟件組態(tài)編程，界面友好操作方便，在觸摸面板HMI上設(shè)置了同步操作和異步操作功能，當(dāng)選用同步操作功能時，可實(shí)現(xiàn)在觸摸面板HMI與計(jì)算機(jī)平臺同時動作一個變量，從而達(dá)到了兩位一體，這種設(shè)計(jì)可以避免由于人為原因誤操作而影響運(yùn)行。當(dāng)選用異步操作時HMI可直接與計(jì)算機(jī)平臺脫離關(guān)系，HMI直接操作PLC。當(dāng)PC系統(tǒng)故障或檢修時直接可以在觸摸面板HMI上完成所有的控制。 　　在弱電控制柜上還設(shè)計(jì)了一套全手動控制備用功能，當(dāng)上位機(jī)PC平臺失效，觸摸面板HMI同時也失效時，可以靠這套備用手動功能開啟系統(tǒng)的所有設(shè)備（循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、各種電動閥）。一般情況下這套手動不使用。 　　3.2 動力控制柜硬件組成 　　動力配電室為所有的控制設(shè)備及電機(jī)提供電源，配電室設(shè)有四臺160KW循環(huán)泵控制柜，循環(huán)泵變頻器選用西門子MICROMASTER 430系列;兩臺15KW熱網(wǎng)補(bǔ)水泵控制柜MICROMASTER 430系列;兩臺55KW凝水回收泵，變頻器選用MICROMASTER 430。在每臺控制柜上都設(shè)有本地操作（配電室控制柜面板操作）和就地操作（現(xiàn)場各泵旁邊桿掛操作箱）和遠(yuǎn)程操作功能，當(dāng)選用遠(yuǎn)程操作時由中央PLC根據(jù)程序操作各泵的起停，在遠(yuǎn)程操作時在本地和就地都可用緊急停車功能停止各個泵的運(yùn)行，同時PLC上會顯示在本地或就地發(fā)生了緊急停泵同時發(fā)出警告和報(bào)警信息。各個泵控制柜都將（運(yùn)行信號、故障信號、頻率信號、電流信號、本地遠(yuǎn)程信號、緊急停車、轉(zhuǎn)速控制信號、邏輯起停信號）連接到中央PLC弱電控制柜，通過這些信號可以在中央控制室對各個設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測、控制、診斷。 　　3.3 上位機(jī)平臺硬件組成 　　上位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在控制室中央，上位機(jī)PC選用研華工控機(jī)，21寸液晶監(jiān)視器，一臺HP打印機(jī)。其中一臺PC設(shè)置為工程師站，工程師站主機(jī)完成與弱電PLC控制中的S7300通訊，通訊方式為西門子標(biāo)準(zhǔn)MPI通訊網(wǎng)絡(luò)（通訊速率18.7K），界面控制邏輯的處理、各種運(yùn)行界面的顯示與發(fā)布，另一臺PC機(jī)設(shè)為操作員站，操作員站與工程師站之間用以太網(wǎng)連接，操作員站的所有操作及監(jiān)視數(shù)據(jù)都是來自工程師站事先發(fā)布出來的，且操作員站上只能監(jiān)視不能發(fā)送控制指令。 四、 首站工藝自動控制功能 　　控制系統(tǒng)是整個首站安全節(jié)能運(yùn)行的核心，也是完成整個熱網(wǎng)自動調(diào)節(jié)的主要構(gòu)件，控制功能由上位機(jī)與下位機(jī)聯(lián)合完成，下位機(jī)PLC是整個自動控制系統(tǒng)核心，主要完成數(shù)據(jù)采集、復(fù)雜邏輯運(yùn)算、PID及模糊跟蹤程序運(yùn)算，最終把計(jì)算結(jié)果通過I/O端子輸出到現(xiàn)場驅(qū)動調(diào)節(jié)裝置（蒸汽調(diào)節(jié)閥、凝水調(diào)節(jié)閥、各種電動閥、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、凝水泵）。在本工程中首站主要工藝控制功能如下： 　　4.1 基本功能 　　PLC首先完成站內(nèi)所有實(shí)時數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換，并負(fù)責(zé)與上位機(jī)PC及HMI建立通訊連接，達(dá)到工藝數(shù)據(jù)界面圖像化表現(xiàn)。 　　4.2二次供水溫度控制功能 　　系統(tǒng)運(yùn)行初期或供熱負(fù)荷小時，由一臺換熱器獨(dú)立運(yùn)行，在上位機(jī)PC或HMI上手動打開一臺熱器的主進(jìn)汽電動閥，控制程序根據(jù)設(shè)定的二次供水溫度與二次實(shí)際溫度進(jìn)行模糊計(jì)算，由模糊程序輸出4-20mA信號調(diào)節(jié)一次網(wǎng)蒸汽調(diào)節(jié)閥的開關(guān)度（控制蒸汽流量的大?。苟蝹?cè)供水溫度達(dá)到目標(biāo)設(shè)定值。由于溫度反映比較滯后，在控制電動閥時有一個模糊控制時間需要根據(jù)溫度反映情況來設(shè)定，模糊控制時間可通過觀察一個完整的調(diào)節(jié)過程來確定，手動開啟一次側(cè)蒸汽調(diào)節(jié)閥一部分，并記住開啟的時間，由于進(jìn)入換熱器的蒸汽量增加了而二次網(wǎng)流量并沒有增加，根據(jù)能量守恒定律二次供水溫度在一個滯后時間后一定也會正比例增加，蒸汽閥開啟到二次供水溫度增加，這兩者的時間差就是最佳的閥門控制周期，如果周期設(shè)定不合理系統(tǒng)總是處于震蕩過程中，這個一定要注意。調(diào)節(jié)周期太短而且還容易損壞電動調(diào)接閥。 　　隨著供熱負(fù)荷的加大，一臺換熱器供熱量不夠時就需要啟動另一臺換熱器，首先是手動打開第二臺換熱器的主進(jìn)汽電動閥（這里所說手動也是指在上位機(jī)PC上或觸摸面板HMI上操作，而不是現(xiàn)場操作按鈕），然后選擇換熱器控制方式，控制方式分三種（同步控制、異步控制、手動控制），在本工程設(shè)計(jì)時考慮到靈活性，每臺換熱器都有三種控制方式，控制方式的選擇由PC或HMI上點(diǎn)擊選擇，當(dāng)選擇完控制方式后第二臺換熱器會自動投入運(yùn)行。同時程序還在自動監(jiān)測系統(tǒng)總負(fù)荷，當(dāng)需求負(fù)荷降低到一臺換熱器可完全可以供給時，系統(tǒng)先會發(fā)出警告聲音，等待操作員確認(rèn)，確認(rèn)后會自動關(guān)閉一臺換熱器以達(dá)到節(jié)能效果。下面說一下三種不同的溫度控制方式： 　　● 同步控制是指兩臺換熱器共同用一個目標(biāo)溫度（總目標(biāo)供水溫度）和同 　　一個參考溫度（二次總管供水溫度）進(jìn)行控制，選擇同步時兩臺換熱器的出力是一樣的，兩臺電動閥開啟和關(guān)閉的位置也是一樣的，所以叫同步控制。 　　● 異步控制是指兩臺換熱器根據(jù)各自的目標(biāo)溫度（1#或2#設(shè)定供水溫 　　度）參考溫度（1#或2#）換熱器支管出口溫度（不是總管溫度）構(gòu)成控制回路，當(dāng)選用異步控制時如果兩臺換熱器同時投入了使用，那么這兩臺換熱的效率和電動閥的位置都是不一樣的。 　　● 手動控制是指一次網(wǎng)蒸汽調(diào)節(jié)閥的開度由人為的在PC上或HMI上輸入 　　控制，此時二次供水溫度將處于開環(huán)控制。 　　首站的二次網(wǎng)供水溫度目標(biāo)值有三種方法得到，在本工程中采用分段控制法、固定供水溫度、前饋控制三種方法，下面說一下目標(biāo)供水溫度生成的三種方法： 　　● 分段控制時：系統(tǒng)會把整個采暖期分成三個階段（供暖初期、供暖中期 　　和末期）這三個溫度和三個時間段由運(yùn)行人員事前在上位機(jī)中設(shè)定好，將控制方式選擇“分段控制”時系統(tǒng)就會根據(jù)時間自動判斷調(diào)整目標(biāo)供水溫度。 　　● 固定供水溫度：系統(tǒng)在PC上和HMI上提供了一個固定的供水溫度設(shè)定 　　窗口，只要設(shè)定好此溫度，將控制方式選擇“固定方式”就可以生效。 　　● 前饋控制:由于首站是供給其它子站高溫水的站，所以供水溫度能根據(jù) 　　每天早中晚提前升溫和降溫，在這個系統(tǒng)中可以設(shè)定三段提升和降低溫度的的窗口。此參數(shù)如果不設(shè)定此功能不起作用，前饋控制是疊加在以上兩種控制方式上的一種功能。 　　4.3換熱器凝水閥控制功能 　　凝水閥主要是為了保證換熱器安全用的，一般凝水閥控制是根據(jù)設(shè)定的換熱器液位與實(shí)際液位比較PID運(yùn)算，自動保持換熱器液位的一種控制功能，設(shè)定液位在理論上應(yīng)能使凝水出口溫度降到50度以下。同時凝水液位的高低在一定程度能影響二次供水溫度的變化，其主要原因是凝水液位的高與低變化，響著一次蒸汽流量進(jìn)入換熱器的多少，從而引起二次供水溫的度變化。所以在自動調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供水溫度時凝水液位閥一定要保持不變，等二次溫度調(diào)節(jié)正常后再調(diào)節(jié)換熱器液位，如果蒸汽閥和凝水閥同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)就很難調(diào)節(jié)到一個穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。 　　4.4二次網(wǎng)循環(huán)泵控制 　　循環(huán)泵主要用來將二次回水抽回到換熱器中再次加熱，控制模式為“定二次供水壓力”、“定供回水壓差”定流量，三種控制，為了保證二次網(wǎng)的安全一般都采用定壓力方式控制。 　　● 循環(huán)泵具有手動、自動功能，手動時人工在PC或HMI上啟動停止每臺循環(huán)水泵，自動時由PLC與變頻器結(jié)合并根據(jù)所選控制方式控制循環(huán)泵的運(yùn)行。 　　● 循環(huán)泵設(shè)計(jì)為兩用兩備，當(dāng)運(yùn)行中的兩臺循環(huán)泵故障時，體系會發(fā)出故障信息，并自動將另兩臺備用循環(huán)泵投入運(yùn)行。 　　4.5二次網(wǎng)補(bǔ)水泵控制 　　二次網(wǎng)補(bǔ)水泵主要是用來在系統(tǒng)回水壓力低時給二次網(wǎng)補(bǔ)水用的，設(shè)計(jì)為一用一備，補(bǔ)水泵控制功能如下： 　　● PLC根據(jù)二次回水壓力設(shè)定值（可任意修改）與實(shí)際值經(jīng)過PID運(yùn)算，自動控制變頻器運(yùn)行，事故時補(bǔ)水泵方式采用一拖二（一臺工頻運(yùn)行一臺變頻運(yùn)行），或者兩者同時工頻運(yùn)行。 　　● 補(bǔ)水泵自動運(yùn)行方式為變頻運(yùn)行方式，也可自動定時切換，時間可任意設(shè)定，交替使用，以防止一臺泵長期不用而銹蝕，還可以延長電機(jī)使用壽命。若一臺補(bǔ)水泵出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會自動切換到另一臺備用水泵上去。 　　● 若變頻器發(fā)生故障或報(bào)警時，PLC將補(bǔ)水泵自動切換到工頻運(yùn)行，但此時系統(tǒng)能仍夠根據(jù)二次側(cè)回水壓力設(shè)定值自動控制補(bǔ)水泵啟動和停止與加減泵，同時發(fā)出聲光報(bào)警信號，當(dāng)報(bào)警消失時系統(tǒng)自動投入變頻定壓運(yùn)行。 　　4.6凝水泵控制 　　凝水泵的基本功能是把來自凝水箱的凝水送給系統(tǒng)其它回收裝置，同時部分凝水被自動打入到補(bǔ)水箱中，再由補(bǔ)水泵補(bǔ)給二次回水系統(tǒng)，這樣做的目的是提高熱利用效率。凝水泵控制功能如下： 　　● PLC根據(jù)冷凝水箱液位（液位設(shè)定值可任意修改）與實(shí)際值經(jīng)過PID運(yùn)算自動控制冷凝水泵變頻啟動和停止。 　　● 冷凝水泵自動運(yùn)行方式為變頻循環(huán)方式，水泵可自動根據(jù)時間切換，時間可任意設(shè)定，交替使用，以防止一臺泵長期不用而銹蝕，還可以延長電機(jī)使用壽命。 　　l 若變頻器發(fā)生故障或報(bào)警時，PLC將冷凝水泵自動切換到工頻運(yùn)行，但此時系統(tǒng)能仍夠根據(jù)冷凝水液位設(shè)定值自動控制冷凝水泵啟動和停止，同時發(fā)出聲光報(bào)警信號，當(dāng)報(bào)警消失時系統(tǒng)自動投入變頻定液位運(yùn)行。 五、 綜合保護(hù)、連鎖報(bào)警功能 　　對于一個首站安全運(yùn)行可以說是大于一切，為了保證系統(tǒng)安全可靠的運(yùn)行，在本工程中PLC還實(shí)現(xiàn)了以下諸多保護(hù)、連鎖、報(bào)警等功能，下面將逐一的列出來： 　　● 電動調(diào)節(jié)泄壓閥：PLC根據(jù)泄壓保護(hù)值（設(shè)定值）與實(shí)際二次回水壓力值比較，經(jīng)過PID運(yùn)算，自動控制電動調(diào)節(jié)閥泄壓閥開度。 　　● 除污器報(bào)警：當(dāng)二次側(cè)除污器前后差值≥設(shè)定值時（此值可任意修改），系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信息和相關(guān)文字提示。 　　● 冷凝水箱報(bào)警：冷凝水箱液位超過報(bào)警設(shè)定值（高，低可修改），系統(tǒng)會及時發(fā)出報(bào)警信息和相關(guān)文字提示。當(dāng)?shù)陀谧畹拖拗茣r，冷凝水泵自動停止運(yùn)行。 　　● 補(bǔ)水箱報(bào)警：補(bǔ)水箱液位若超過警設(shè)定值（高，低可修改），系統(tǒng)會及時發(fā)出報(bào)警信息和相關(guān)文字提示。當(dāng)?shù)陀谧畹拖拗茣r，補(bǔ)水水泵自動停止運(yùn)行。 　　● 只有在循環(huán)泵運(yùn)行后，冷凝水和蒸汽電動調(diào)節(jié)閥才能打開。 　　● 系統(tǒng)停電時，電動調(diào)節(jié)閥自動關(guān)閉。 　　● 當(dāng)軟化水箱實(shí)際液位低于下限時，補(bǔ)水泵自動停止運(yùn)行。 　　● 當(dāng)冷凝水箱實(shí)際液位低于下限時，冷凝水泵自動停止運(yùn)行。 　　● 1#，2#換熱器液位低于下限設(shè)定值時（該值可以根據(jù)實(shí)際設(shè)定）關(guān)閉對應(yīng)的冷凝水電動閥。 　　● 1#，2#換熱器二次出口溫度、壓力高于設(shè)定安全上限（該值可以根據(jù)實(shí)際設(shè)定）關(guān)閉對應(yīng)的一次蒸汽電動調(diào)節(jié)閥。 　　● 二次系統(tǒng)壓力高于上限設(shè)定值時，電動調(diào)節(jié)泄壓閥動作時，補(bǔ)水泵自動禁止打開。 　　● 當(dāng)二次供水壓力超過定壓上限（可修改）時，延時60秒（可修改）仍大于安全壓力低限時，系統(tǒng)自動降低循環(huán)泵頻率20%，如果循環(huán)泵頻率已經(jīng)低于最低限制，壓力還高于正常壓力時，立即關(guān)閉一次網(wǎng)蒸汽調(diào)節(jié)閥門（并發(fā)出相應(yīng)文字信息）。 　　● 當(dāng)二次回水壓力超過定壓上限（可修改）時，延時60秒（可修改）仍大于安全壓力低限時，系統(tǒng)自動打開安全泄壓閥，并降低補(bǔ)水泵頻率20%，如果補(bǔ)水泵頻率已經(jīng)低于最低限制，壓力還高于正常壓力時，立即關(guān)閉補(bǔ)水泵變頻器（并發(fā)出相應(yīng)文字信息）。 六、 上人機(jī)界面功能 　　上位機(jī)（監(jiān)控計(jì)算機(jī)）俗稱人機(jī)界面，是以全中文組態(tài)軟編輯生成的，人機(jī)界面顯示系統(tǒng)的各個參數(shù)、設(shè)定值、報(bào)表、曲線等監(jiān)控畫面，因?yàn)楸O(jiān)控計(jì)算機(jī)上各種操作窗口較多，本文中由于篇幅限制就簡單的提供以下三種監(jiān)控畫面，分別是“主工藝界面”、“數(shù)據(jù)監(jiān)控總表”、“報(bào)警監(jiān)控界面”。 [align=center] 圖1-1 主工藝監(jiān)控界面 圖1-2數(shù)據(jù)監(jiān)控總表 圖1-3報(bào)警監(jiān)控界面[/align] 七、 結(jié)束語 　　經(jīng)過對全國各家供熱首站的調(diào)研，本工程的自動化控制水平和硬件配置都已經(jīng)是相當(dāng)先進(jìn)的，其主要體現(xiàn)在“硬件配置高”、“工藝控制軟件功能先進(jìn)”、“操控制方便及安全備用操作體系完善”等特點(diǎn)。本系統(tǒng)的使用在很大程序上提高了供熱公司的自動化控制水平、減少了操作人員、提高了供熱效率和質(zhì)量，因此帶來的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益都將非?？捎^。