西门子S7300 PLC在蒸汽首站自动控制中的应用
关键字: 蒸汽首站，自动控制，西门子S7300
一、 概述
随着计算机技术和控制技术不断的发展，国家对城市集中供热品质和自动化控制水平也提出较高的要求。在过去换热站的控制完全由人工来完成，而蒸汽首站换热装置和工艺参数都是庞大而复杂的，它的稳定运行及高品质供热直接影响着二级换热站的稳定性和供热品质。现在先将蒸汽一级首站做一简单的介绍;蒸汽换热首站是指把来自电厂（高低压）蒸汽或专用热源（蒸汽锅炉）提供的蒸汽通过换热器交换出二次高温水（90-130）度之间，二次高温水再由大功率循环泵供给其它各个子换热站进一步换热，二级换热站的回水汇总后又返回到首站再次加热，往复循环。
二、 首站安装自动控制系统的目的
在蒸汽首站中安装自动化控制系统其目的当然是为了能使工艺控制更先进、供热参数更优化、整体系统更节能，并给投资者能带来一定的经济效益，其总结一下优点共有以下四类：
2.1 提高供热温度、压力、流量等过程参数的控制精度，改善供热品质。
2.2 减少操作人员、降低工人劳动强度、节约人力投资。
2.3 全面及时的掌握供热系统的温度、压力、流量等过程参数变化情况，相当于供热系统安装了眼睛，运行人员可以不用再到现场就地仪表上观看记录和填写运行报表。
2.4 控制系统提供完整的故障诊断及报警功能，使得运行人员可以快速掌握报警发生地点及原因，对超温、超压、泄漏、堵塞、仪表故障、PLC故障、断电等各种故障的发生做到及时诊断，及时检修，保证系统安全运行。
三、 控制系统的选择及配置
在选择首站控制系统时首先要考虑到首站的重要性，同时也要考虑到供热公司一般维护人员技术水平较差，首站运行人员文化有限。所以必须选择一种运行界面全中文且自动化控制水平较高、持久运行故障率低的DCS系统。经过调查西门子S7300PLC多年来被各行业所用，可靠性高故障率低I/O点扩展也方便，所以在“天津碱厂永利新河供热站”下位机选择了西门子S7300CPU。上位机人机界面它的友好性和可操作性直接影响着系统的安全运行，本工程中上位机采用两台计算机控制平台另加一台西门子HMI MP270触摸人机界面。上位机软件选用国产（MCGS）全中文组态软件，使控制系统构成DCS结构。整个DCS系统软硬件配置如下：
3.1 PLC控制柜硬件组成
PLC独立的安装在弱电控制柜中，PLC由中央主机架、CPU313C-2DP（本机自带2DP接口，32K工作内存，位操作时间0.1μs，集成16DI/16DO， DI/DO最大1008点，AI/AO最大248点，MMC微存储卡128K ），扩展模拟量输入模块SM AI/8 1FKF02 ×5个，扩展模拟量输出模块SM 5HF00 AO/8×1组成。
由于选用了2DP接口的CPU，所以在PLC弱电控制柜门上还嵌入了一款西门子MP270B触摸面板HMI（256色，10.4英寸,640×480），触摸面板HMI与PLCDP-2接口进行通讯。触摸面板HMI由SIMATIC WinCC flexible 软件组态编程，界面友好操作方便，在触摸面板HMI上设置了同步操作和异步操作功能，当选用同步操作功能时，可实现在触摸面板HMI与计算机平台同时动作一个变量，从而达到了两位一体，这种设计可以避免由于人为原因误操作而影响运行。当选用异步操作时HMI可直接与计算机平台脱离关系，HMI直接操作PLC。当PC系统故障或检修时直接可以在触摸面板HMI上完成所有的控制。
在弱电控制柜上还设计了一套全手动控制备用功能，当上位机PC平台失效，触摸面板HMI同时也失效时，可以靠这套备用手动功能开启系统的所有设备（循环泵、补水泵、各种电动阀）。一般情况下这套手动不使用。
3.2 动力控制柜硬件组成
动力配电室为所有的控制设备及电机提供电源，配电室设有四台160KW循环泵控制柜，循环泵变频器选用西门子MICROMASTER 430系列;两台15KW热网补水泵控制柜MICROMASTER 430系列;两台55KW凝水回收泵，变频器选用MICROMASTER 430。在每台控制柜上都设有本地操作（配电室控制柜面板操作）和就地操作（现场各泵旁边杆挂操作箱）和远程操作功能，当选用远程操作时由中央PLC根据程序操作各泵的起停，在远程操作时在本地和就地都可用紧急停车功能停止各个泵的运行，同时PLC上会显示在本地或就地发生了紧急停泵同时发出警告和报警信息。各个泵控制柜都将（运行信号、故障信号、频率信号、电流信号、本地远程信号、紧急停车、转速控制信号、逻辑起停信号）连接到中央PLC弱电控制柜，通过这些信号可以在中央控制室对各个设备的运行情况进行监测、控制、诊断。
3.3 上位机平台硬件组成
上位监控系统设计在控制室中央，上位机PC选用研华工控机，21寸液晶监视器，一台HP打印机。其中一台PC设置为工程师站，工程师站主机完成与弱电PLC控制中的S7300通讯，通讯方式为西门子标准MPI通讯网络（通讯速率18.7K），界面控制逻辑的处理、各种运行界面的显示与发布，另一台PC机设为操作员站，操作员站与工程师站之间用以太网连接，操作员站的所有操作及监视数据都是来自工程师站事先发布出来的，且操作员站上只能监视不能发送控制指令。
四、 首站工艺自动控制功能
控制系统是整个首站安全节能运行的核心，也是完成整个热网自动调节的主要构件，控制功能由上位机与下位机联合完成，下位机PLC是整个自动控制系统核心，主要完成数据采集、复杂逻辑运算、PID及模糊跟踪程序运算，最终把计算结果通过I/O端子输出到现场驱动调节装置（蒸汽调节阀、凝水调节阀、各种电动阀、循环泵、补水泵、凝水泵）。在本工程中首站主要工艺控制功能如下：
4.1 基本功能
PLC首先完成站内所有实时数据的采集和转换，并负责与上位机PC及HMI建立通讯连接，达到工艺数据界面图像化表现。
4.2二次供水温度控制功能
系统运行初期或供热负荷小时，由一台换热器独立运行，在上位机PC或HMI上手动打开一台热器的主进汽电动阀，控制程序根据设定的二次供水温度与二次实际温度进行模糊计算，由模糊程序输出4-20mA信号调节一次网蒸汽调节阀的开关度（控制蒸汽流量的大小），使二次侧供水温度达到目标设定值。由于温度反映比较滞后，在控制电动阀时有一个模糊控制时间需要根据温度反映情况来设定，模糊控制时间可通过观察一个完整的调节过程来确定，手动开启一次侧蒸汽调节阀一部分，并记住开启的时间，由于进入换热器的蒸汽量增加了而二次网流量并没有增加，根据能量守恒定律二次供水温度在一个滞后时间后一定也会正比例增加，蒸汽阀开启到二次供水温度增加，这两者的时间差就是最佳的阀门控制周期，如果周期设定不合理系统总是处于震荡过程中，这个一定要注意。调节周期太短而且还容易损坏电动调接阀。
随着供热负荷的加大，一台换热器供热量不够时就需要启动另一台换热器，首先是手动打开第二台换热器的主进汽电动阀（这里所说手动也是指在上位机PC上或触摸面板HMI上操作，而不是现场操作按钮），然后选择换热器控制方式，控制方式分三种（同步控制、异步控制、手动控制），在本工程设计时考虑到灵活性，每台换热器都有三种控制方式，控制方式的选择由PC或HMI上点击选择，当选择完控制方式后第二台换热器会自动投入运行。同时程序还在自动监测系统总负荷，当需求负荷降低到一台换热器可完全可以供给时，系统先会发出警告声音，等待操作员确认，确认后会自动关闭一台换热器以达到节能效果。下面说一下三种不同的温度控制方式：
● 同步控制是指两台换热器共同用一个目标温度（总目标供水温度）和同
一个参考温度（二次总管供水温度）进行控制，选择同步时两台换热器的出力是一样的，两台电动阀开启和关闭的位置也是一样的，所以叫同步控制。
● 异步控制是指两台换热器根据各自的目标温度（1#或2#设定供水温
度）参考温度（1#或2#）换热器支管出口温度（不是总管温度）构成控制回路，当选用异步控制时如果两台换热器同时投入了使用，那么这两台换热的效率和电动阀的位置都是不一样的。
● 手动控制是指一次网蒸汽调节阀的开度由人为的在PC上或HMI上输入
控制，此时二次供水温度将处于开环控制。
首站的二次网供水温度目标值有三种方法得到，在本工程中采用分段控制法、固定供水温度、前馈控制三种方法，下面说一下目标供水温度生成的三种方法：
● 分段控制时：系统会把整个采暖期分成三个阶段（供暖初期、供暖中期
和末期）这三个温度和三个时间段由运行人员事前在上位机中设定好，将控制方式选择“分段控制”时系统就会根据时间自动判断调整目标供水温度。
● 固定供水温度：系统在PC上和HMI上提供了一个固定的供水温度设定
窗口，只要设定好此温度，将控制方式选择“固定方式”就可以生效。
● 前馈控制:由于首站是供给其它子站高温水的站，所以供水温度能根据
每天早中晚提前升温和降温，在这个系统中可以设定三段提升和降低温度的的窗口。此参数如果不设定此功能不起作用，前馈控制是叠加在以上两种控制方式上的一种功能。
4.3换热器凝水阀控制功能
凝水阀主要是为了保证换热器安全用的，一般凝水阀控制是根据设定的换热器液位与实际液位比较PID运算，自动保持换热器液位的一种控制功能，设定液位在理论上应能使凝水出口温度降到50度以下。同时凝水液位的高低在一定程度能影响二次供水温度的变化，其主要原因是凝水液位的高与低变化，响着一次蒸汽流量进入换热器的多少，从而引起二次供水温的度变化。所以在自动调节二次网供水温度时凝水液位阀一定要保持不变，等二次温度调节正常后再调节换热器液位，如果蒸汽阀和凝水阀同时调节系统就很难调节到一个稳态点。
4.4二次网循环泵控制
循环泵主要用来将二次回水抽回到换热器中再次加热，控制模式为“定二次供水压力”、“定供回水压差”定流量，三种控制，为了保证二次网的安全一般都采用定压力方式控制。
● 循环泵具有手动、自动功能，手动时人工在PC或HMI上启动停止每台循环水泵，自动时由PLC与变频器结合并根据所选控制方式控制循环泵的运行。
● 循环泵设计为两用两备，当运行中的两台循环泵故障时，体系会发出故障信息，并自动将另两台备用循环泵投入运行。
4.5二次网补水泵控制
二次网补水泵主要是用来在系统回水压力低时给二次网补水用的，设计为一用一备，补水泵控制功能如下：
● PLC根据二次回水压力设定值（可任意修改）与实际值经过PID运算，自动控制变频器运行，事故时补水泵方式采用一拖二（一台工频运行一台变频运行），或者两者同时工频运行。
● 补水泵自动运行方式为变频运行方式，也可自动定时切换，时间可任意设定，交替使用，以防止一台泵长期不用而锈蚀，还可以延长电机使用寿命。若一台补水泵出现故障时，系统会自动切换到另一台备用水泵上去。
● 若变频器发生故障或报警时，PLC将补水泵自动切换到工频运行，但此时系统能仍够根据二次侧回水压力设定值自动控制补水泵启动和停止与加减泵，同时发出声光报警信号，当报警消失时系统自动投入变频定压运行。
4.6凝水泵控制
凝水泵的基本功能是把来自凝水箱的凝水送给系统其它回收装置，同时部分凝水被自动打入到补水箱中，再由补水泵补给二次回水系统，这样做的目的是提高热利用效率。凝水泵控制功能如下：
● PLC根据冷凝水箱液位（液位设定值可任意修改）与实际值经过PID运算自动控制冷凝水泵变频启动和停止。
● 冷凝水泵自动运行方式为变频循环方式，水泵可自动根据时间切换，时间可任意设定，交替使用，以防止一台泵长期不用而锈蚀，还可以延长电机使用寿命。
l 若变频器发生故障或报警时，PLC将冷凝水泵自动切换到工频运行，但此时系统能仍够根据冷凝水液位设定值自动控制冷凝水泵启动和停止，同时发出声光报警信号，当报警消失时系统自动投入变频定液位运行。
五、 综合保护、连锁报警功能
对于一个首站安全运行可以说是大于一切，为了保证系统安全可靠的运行，在本工程中PLC还实现了以下诸多保护、连锁、报警等功能，下面将逐一的列出来：
● 电动调节泄压阀：PLC根据泄压保护值（设定值）与实际二次回水压力值比较，经过PID运算，自动控制电动调节阀泄压阀开度。
● 除污器报警：当二次侧除污器前后差值≥设定值时（此值可任意修改），系统发出报警信息和相关文字提示。
● 冷凝水箱报警：冷凝水箱液位超过报警设定值（高，低可修改），系统会及时发出报警信息和相关文字提示。当低于最低限制时，冷凝水泵自动停止运行。
● 补水箱报警：补水箱液位若超过警设定值（高，低可修改），系统会及时发出报警信息和相关文字提示。当低于最低限制时，补水水泵自动停止运行。
● 只有在循环泵运行后，冷凝水和蒸汽电动调节阀才能打开。
● 系统停电时，电动调节阀自动关闭。
● 当软化水箱实际液位低于下限时，补水泵自动停止运行。
● 当冷凝水箱实际液位低于下限时，冷凝水泵自动停止运行。
● 1#，2#换热器液位低于下限设定值时（该值可以根据实际设定）关闭对应的冷凝水电动阀。
● 1#，2#换热器二次出口温度、压力高于设定安全上限（该值可以根据实际设定）关闭对应的一次蒸汽电动调节阀。
● 二次系统压力高于上限设定值时，电动调节泄压阀动作时，补水泵自动禁止打开。
● 当二次供水压力超过定压上限（可修改）时，延时60秒（可修改）仍大于安全压力低限时，系统自动降低循环泵频率20%，如果循环泵频率已经低于最低限制，压力还高于正常压力时，立即关闭一次网蒸汽调节阀门（并发出相应文字信息）。
● 当二次回水压力超过定压上限（可修改）时，延时60秒（可修改）仍大于安全压力低限时，系统自动打开安全泄压阀，并降低补水泵频率20%，如果补水泵频率已经低于最低限制，压力还高于正常压力时，立即关闭补水泵变频器（并发出相应文字信息）。
六、 上人机界面功能
上位机（监控计算机）俗称人机界面，是以全中文组态软编辑生成的，人机界面显示系统的各个参数、设定值、报表、曲线等监控画面，因为监控计算机上各种操作窗口较多，本文中由于篇幅限制就简单的提供以下三种监控画面，分别是“主工艺界面”、“数据监控总表”、“报警监控界面”。
图1-1 主工艺监控界面
图1-2数据监控总表
图1-3报警监控界面
七、 结束语
经过对全国各家供热首站的调研，本工程的自动化控制水平和硬件配置都已经是相当先进的，其主要体现在“硬件配置高”、“工艺控制软件功能先进”、“操控制方便及安全备用操作体系完善”等特点。本系统的使用在很大程序上提高了供热公司的自动化控制水平、减少了操作人员、提高了供热效率和质量，因此带来的经济效益及社会效益都将非常可观。
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