摘 要: 本文將詳細的闡述了西門子S7300PLC在蒸汽首站自動控制中的應用，并在本論文中詳細的用一例子（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節及節能降耗的效果。 關鍵字: 蒸汽首站，自動控制，西門子S7300 一、 概述 　　隨著計算機技術和控制技術不斷的發展，國家對城市集中供熱品質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都是龐大而復雜的，它的穩定運行及高品質供熱直接影響著二級換熱站的穩定性和供熱品質?，F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）蒸汽或專用熱源（蒸汽鍋爐）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泵供給其它各個子換熱站進一步換熱，二級換熱站的回水匯總后又返回到首站再次加熱，往復循環。 二、 首站安裝自動控制系統的目的 　　在蒸汽首站中安裝自動化控制系統其目的當然是為了能使工藝控制更先進、供熱參數更優化、整體系統更節能，并給投資者能帶來一定的經濟效益，其總結一下優點共有以下四類： 　　2.1 提高供熱溫度、壓力、流量等過程參數的控制精度，改善供熱品質。 　　2.2 減少操作人員、降低工人勞動強度、節約人力投資。 　　2.3 全面及時的掌握供熱系統的溫度、壓力、流量等過程參數變化情況，相當于供熱系統安裝了眼睛，運行人員可以不用再到現場就地儀表上觀看記錄和填寫運行報表。 　　2.4 控制系統提供完整的故障診斷及報警功能，使得運行人員可以快速掌握報警發生地點及原因，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生做到及時診斷，及時檢修，保證系統安全運行。 三、 控制系統的選擇及配置 　　在選擇首站控制系統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人員技術水平較差，首站運行人員文化有限。所以必須選擇一種運行界面全中文且自動化控制水平較高、持久運行故障率低的DCS系統。經過調查西門子S7300PLC多年來被各行業所用，可靠性高故障率低I/O點擴展也方便，所以在“天津堿廠永利新河供熱站”下位機選擇了西門子S7300CPU。上位機人機界面它的友好性和可操作性直接影響著系統的安全運行，本工程中上位機采用兩臺計算機控制平臺另加一臺西門子HMI MP270觸摸人機界面。上位機軟件選用國產（MCGS）全中文組態軟件，使控制系統構成DCS結構。整個DCS系統軟硬件配置如下： 　　3.1 PLC控制柜硬件組成 　　PLC獨立的安裝在弱電控制柜中，PLC由中央主機架、CPU313C-2DP（本機自帶2DP接口，32K工作內存，位操作時間0.1μs，集成16DI/16DO， DI/DO最大1008點，AI/AO最大248點，MMC微存儲卡128K ），擴展模擬量輸入模塊SM AI/8 1FKF02 ×5個，擴展模擬量輸出模塊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接口進行通訊。觸摸面板HMI由SIMATIC WinCC flexible 軟件組態編程，界面友好操作方便，在觸摸面板HMI上設置了同步操作和異步操作功能，當選用同步操作功能時，可實現在觸摸面板HMI與計算機平臺同時動作一個變量，從而達到了兩位一體，這種設計可以避免由于人為原因誤操作而影響運行。當選用異步操作時HMI可直接與計算機平臺脫離關系，HMI直接操作PLC。當PC系統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計了一套全手動控制備用功能，當上位機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的所有設備（循環泵、補水泵、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備及電機提供電源，配電室設有四臺160KW循環泵控制柜，循環泵變頻器選用西門子MICROMASTER 430系列;兩臺15KW熱網補水泵控制柜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有本地操作（配電室控制柜面板操作）和就地操作（現場各泵旁邊桿掛操作箱）和遠程操作功能，當選用遠程操作時由中央PLC根據程序操作各泵的起停，在遠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行，同時PLC上會顯示在本地或就地發生了緊急停泵同時發出警告和報警信息。各個泵控制柜都將（運行信號、故障信號、頻率信號、電流信號、本地遠程信號、緊急停車、轉速控制信號、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備的運行情況進行監測、控制、診斷。 　　3.3 上位機平臺硬件組成 　　上位監控系統設計在控制室中央，上位機PC選用研華工控機，21寸液晶監視器，一臺HP打印機。其中一臺PC設置為工程師站，工程師站主機完成與弱電PLC控制中的S7300通訊，通訊方式為西門子標準MPI通訊網絡（通訊速率18.7K），界面控制邏輯的處理、各種運行界面的顯示與發布，另一臺PC機設為操作員站，操作員站與工程師站之間用以太網連接，操作員站的所有操作及監視數據都是來自工程師站事先發布出來的，且操作員站上只能監視不能發送控制指令。 四、 首站工藝自動控制功能 　　控制系統是整個首站安全節能運行的核心，也是完成整個熱網自動調節的主要構件，控制功能由上位機與下位機聯合完成，下位機PLC是整個自動控制系統核心，主要完成數據采集、復雜邏輯運算、PID及模糊跟蹤程序運算，最終把計算結果通過I/O端子輸出到現場驅動調節裝置（蒸汽調節閥、凝水調節閥、各種電動閥、循環泵、補水泵、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首先完成站內所有實時數據的采集和轉換，并負責與上位機PC及HMI建立通訊連接，達到工藝數據界面圖像化表現。 　　4.2二次供水溫度控制功能 　　系統運行初期或供熱負荷小時，由一臺換熱器獨立運行，在上位機PC或HMI上手動打開一臺熱器的主進汽電動閥，控制程序根據設定的二次供水溫度與二次實際溫度進行模糊計算，由模糊程序輸出4-20mA信號調節一次網蒸汽調節閥的開關度（控制蒸汽流量的大?。?，使二次側供水溫度達到目標設定值。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溫度反映情況來設定，模糊控制時間可通過觀察一個完整的調節過程來確定，手動開啟一次側蒸汽調節閥一部分，并記住開啟的時間，由于進入換熱器的蒸汽量增加了而二次網流量并沒有增加，根據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，如果周期設定不合理系統總是處于震蕩過程中，這個一定要注意。調節周期太短而且還容易損壞電動調接閥。 　　隨著供熱負荷的加大，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汽電動閥（這里所說手動也是指在上位機PC上或觸摸面板HMI上操作，而不是現場操作按鈕），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），在本工程設計時考慮到靈活性，每臺換熱器都有三種控制方式，控制方式的選擇由PC或HMI上點擊選擇，當選擇完控制方式后第二臺換熱器會自動投入運行。同時程序還在自動監測系統總負荷，當需求負荷降低到一臺換熱器可完全可以供給時，系統先會發出警告聲音，等待操作員確認，確認后會自動關閉一臺換熱器以達到節能效果。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溫度（總目標供水溫度）和同 　　一個參考溫度（二次總管供水溫度）進行控制，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各自的目標溫度（1#或2#設定供水溫 　　度）參考溫度（1#或2#）換熱器支管出口溫度（不是總管溫度）構成控制回路，當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蒸汽調節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控制。 　　首站的二次網供水溫度目標值有三種方法得到，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，下面說一下目標供水溫度生成的三種方法： 　　● 分段控制時：系統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行人員事前在上位機中設定好，將控制方式選擇“分段控制”時系統就會根據時間自動判斷調整目標供水溫度。 　　● 固定供水溫度：系統在PC上和HMI上提供了一個固定的供水溫度設定 　　窗口，只要設定好此溫度，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 　　每天早中晚提前升溫和降溫，在這個系統中可以設定三段提升和降低溫度的的窗口。此參數如果不設定此功能不起作用，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設定的換熱器液位與實際液位比較PID運算，自動保持換熱器液位的一種控制功能，設定液位在理論上應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。所以在自動調節二次網供水溫度時凝水液位閥一定要保持不變，等二次溫度調節正常后再調節換熱器液位，如果蒸汽閥和凝水閥同時調節系統就很難調節到一個穩態點。 　　4.4二次網循環泵控制 　　循環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，為了保證二次網的安全一般都采用定壓力方式控制。 　　● 循環泵具有手動、自動功能，手動時人工在PC或HMI上啟動停止每臺循環水泵，自動時由PLC與變頻器結合并根據所選控制方式控制循環泵的運行。 　　● 循環泵設計為兩用兩備，當運行中的兩臺循環泵故障時，體系會發出故障信息，并自動將另兩臺備用循環泵投入運行。 　　4.5二次網補水泵控制 　　二次網補水泵主要是用來在系統回水壓力低時給二次網補水用的，設計為一用一備，補水泵控制功能如下： 　　● PLC根據二次回水壓力設定值（可任意修改）與實際值經過PID運算，自動控制變頻器運行，事故時補水泵方式采用一拖二（一臺工頻運行一臺變頻運行），或者兩者同時工頻運行。 　　● 補水泵自動運行方式為變頻運行方式，也可自動定時切換，時間可任意設定，交替使用，以防止一臺泵長期不用而銹蝕，還可以延長電機使用壽命。若一臺補水泵出現故障時，系統會自動切換到另一臺備用水泵上去。 　　● 若變頻器發生故障或報警時，PLC將補水泵自動切換到工頻運行，但此時系統能仍夠根據二次側回水壓力設定值自動控制補水泵啟動和停止與加減泵，同時發出聲光報警信號，當報警消失時系統自動投入變頻定壓運行。 　　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其它回收裝置，同時部分凝水被自動打入到補水箱中，再由補水泵補給二次回水系統，這樣做的目的是提高熱利用效率。凝水泵控制功能如下： 　　● PLC根據冷凝水箱液位（液位設定值可任意修改）與實際值經過PID運算自動控制冷凝水泵變頻啟動和停止。 　　● 冷凝水泵自動運行方式為變頻循環方式，水泵可自動根據時間切換，時間可任意設定，交替使用，以防止一臺泵長期不用而銹蝕，還可以延長電機使用壽命。 　　l 若變頻器發生故障或報警時，PLC將冷凝水泵自動切換到工頻運行，但此時系統能仍夠根據冷凝水液位設定值自動控制冷凝水泵啟動和停止，同時發出聲光報警信號，當報警消失時系統自動投入變頻定液位運行。 五、 綜合保護、連鎖報警功能 　　對于一個首站安全運行可以說是大于一切，為了保證系統安全可靠的運行，在本工程中PLC還實現了以下諸多保護、連鎖、報警等功能，下面將逐一的列出來： 　　● 電動調節泄壓閥：PLC根據泄壓保護值（設定值）與實際二次回水壓力值比較，經過PID運算，自動控制電動調節閥泄壓閥開度。 　　● 除污器報警：當二次側除污器前后差值≥設定值時（此值可任意修改），系統發出報警信息和相關文字提示。 　　● 冷凝水箱報警：冷凝水箱液位超過報警設定值（高，低可修改），系統會及時發出報警信息和相關文字提示。當低于最低限制時，冷凝水泵自動停止運行。 　　● 補水箱報警：補水箱液位若超過警設定值（高，低可修改），系統會及時發出報警信息和相關文字提示。當低于最低限制時，補水水泵自動停止運行。 　　● 只有在循環泵運行后，冷凝水和蒸汽電動調節閥才能打開。 　　● 系統停電時，電動調節閥自動關閉。 　　● 當軟化水箱實際液位低于下限時，補水泵自動停止運行。 　　● 當冷凝水箱實際液位低于下限時，冷凝水泵自動停止運行。 　　● 1#，2#換熱器液位低于下限設定值時（該值可以根據實際設定）關閉對應的冷凝水電動閥。 　　● 1#，2#換熱器二次出口溫度、壓力高于設定安全上限（該值可以根據實際設定）關閉對應的一次蒸汽電動調節閥。 　　● 二次系統壓力高于上限設定值時，電動調節泄壓閥動作時，補水泵自動禁止打開。 　　● 當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，系統自動降低循環泵頻率20%，如果循環泵頻率已經低于最低限制，壓力還高于正常壓力時，立即關閉一次網蒸汽調節閥門（并發出相應文字信息）。 　　● 當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，系統自動打開安全泄壓閥，并降低補水泵頻率20%，如果補水泵頻率已經低于最低限制，壓力還高于正常壓力時，立即關閉補水泵變頻器（并發出相應文字信息）。 六、 上人機界面功能 　　上位機（監控計算機）俗稱人機界面，是以全中文組態軟編輯生成的，人機界面顯示系統的各個參數、設定值、報表、曲線等監控畫面，因為監控計算機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控畫面，分別是“主工藝界面”、“數據監控總表”、“報警監控界面”。 [align=center] 圖1-1 主工藝監控界面 圖1-2數據監控總表 圖1-3報警監控界面[/align] 七、 結束語 　　經過對全國各家供熱首站的調研，本工程的自動化控制水平和硬件配置都已經是相當先進的，其主要體現在“硬件配置高”、“工藝控制軟件功能先進”、“操控制方便及安全備用操作體系完善”等特點。本系統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量，因此帶來的經濟效益及社會效益都將非?？捎^。