邱亞鳴，姚 峻，胡 靜，于會群，彭道剛

（1.上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院，上海 200090；2.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090）

0 引言

分布式能源站是分布在用戶端的能源綜合利用系統(tǒng)，直接滿足用戶多種用能需求，實現(xiàn)了能源的梯級利用，冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)是分布式能源站的主要實現(xiàn)形式[1]。型號豐富的分布式能源設(shè)備和靈活的能源站設(shè)計方案，一方面促進了分布式能源站的發(fā)展，另一方面也給能源站的自動控制帶來了挑戰(zhàn)。以冷熱電三聯(lián)供為特征的天然氣分布式能源站，系統(tǒng)構(gòu)成和運行工況復(fù)雜，對外供能有時間慣性，用戶負荷不確定[2]。分布式能源站的工業(yè)過程具有監(jiān)控數(shù)據(jù)量大、控制精度要求高、允許控制范圍有限、高非線性、強耦合和時變不確定等特點，從而增加了分布式能源站協(xié)同控制的難度[3-4]。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)和控制策略難以獲得滿意的控制品質(zhì)，基于先進的過程控制系統(tǒng)構(gòu)建分布式能源站控制系統(tǒng)成為解決能源站控制難題的重要保障。

西門子的工業(yè)自動控制系統(tǒng)安全可靠、先進成熟，在化工、磨礦等工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。在西門子自控系統(tǒng)的系列產(chǎn)品中，SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)具備常規(guī)DCS（分布式控制系統(tǒng)）、PLC（可編程控制器）產(chǎn)品不可比擬的優(yōu)勢[5]：PCS7系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整并且開放靈活，能夠?qū)Ψ植际侥茉凑菊w運行進行全方位監(jiān)控，便于在分布式能源站運營過程中在控制系統(tǒng)中增加新用戶站；PCS7具有較強的診斷功能，可以同時提供系統(tǒng)和智能設(shè)備的診斷信息，可滿足分布式能源站在能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下故障診斷與自愈控制的功能需求；PCS7主要針對S7-400系列高端PLC進行組態(tài)，具有多任務(wù)處理能力，同時實現(xiàn)大量復(fù)雜回路控制和快速邏輯控制，可以解決分布式能源站海量數(shù)據(jù)處理和分布式能源設(shè)備協(xié)同控制問題。綜合上述分析，西門子SIMATIC PCS7過程控制系統(tǒng)適合用于搭建能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的分布式能源站自動控制系統(tǒng)。

以下從如何構(gòu)建分層控制系統(tǒng)、實現(xiàn)組態(tài)控制邏輯和搭建監(jiān)控平臺3個方面，介紹西門子PCS7過程控制系統(tǒng)在分布式能源站中的應(yīng)用。實際的工程應(yīng)用也驗證了基于西門子PCS7構(gòu)建的分布式能源站控制系統(tǒng)可以保證分布式能源站穩(wěn)定可靠對外供能，且滿足工藝生產(chǎn)的基本要求。

1 分布式能源站分層控制系統(tǒng)

分布式能源站作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要節(jié)點，其通信網(wǎng)絡(luò)不僅需要對下滿足自身系統(tǒng)控制需求，還需對上實現(xiàn)與其他能源子站共享信息，通過能源綜合管理中心的協(xié)調(diào)調(diào)度，實現(xiàn)電力和熱力的互聯(lián)互通、互相補償[6]。PCS7過程控制系統(tǒng)支持的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以滿足分布式能源站的通信需求。對于分布式能源站的內(nèi)部控制需求，首先基于現(xiàn)場總線層的Profibus-DP與Profibus-PA通信方式，實現(xiàn)控制站與現(xiàn)場站或設(shè)備之間的通信。其次，基于控制總線層的工業(yè)以太網(wǎng)通信，根據(jù)控制系統(tǒng)的規(guī)模，選擇控制器與操作員站或服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)控制系統(tǒng)規(guī)模較小時，通常采用單站結(jié)構(gòu)，每臺單站獨立運行，分別從控制器采集、處理和歸檔數(shù)據(jù)。當(dāng)規(guī)模較大時，則采用客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，由服務(wù)器統(tǒng)一從控制器采集、處理和歸檔數(shù)據(jù)，操作員站通過工業(yè)以太網(wǎng)或者標(biāo)準以太網(wǎng)從服務(wù)器中讀取數(shù)據(jù)。對于分布式能源站的信息發(fā)布需求，PCS7支持能源站通過標(biāo)準以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)連接上層廠級網(wǎng)絡(luò)，在通信層面將分布式能源站接入到分布式能源互聯(lián)網(wǎng)中。

文中所研究的分布式能源站配備了4組冗余的400-H過程控制站、3臺操作員站、2臺工程師站和1臺歷史數(shù)據(jù)服務(wù)站。相對于常規(guī)火電廠而言，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備數(shù)量不多，規(guī)模較小，因此，選用單站結(jié)構(gòu)搭建分層控制系統(tǒng)即可滿足分布式能源站的網(wǎng)絡(luò)控制需求，且成本低于客戶機/服務(wù)器結(jié)構(gòu)。另一方面，分布式能源在實際建設(shè)過程中會有新的用戶站控制器不斷接入到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，因此，工業(yè)以太網(wǎng)采用了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，便于增減工作站，并且采用光纖作為通信介質(zhì)，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率的上限。為了提高能源站約3 000個I/O（輸入/輸出）點與控制器的通信可靠性，采用Profibus-DP總線通信。為了節(jié)約通信成本，對于通信量不大且需單一管理的分布式設(shè)備采用Modbus 485通信，例如離心冷機等。按照能源互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下分布式能源站的建設(shè)要求[7-8]，需要設(shè)計能源管理層，實現(xiàn)對各個能源站的運行管理和優(yōu)化。根據(jù)層次化、模塊化和靈活性的總體架構(gòu)建設(shè)原則[9]，某分布式能源站的分層控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。分層架構(gòu)設(shè)計將分布式能源站復(fù)雜控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分成更小、更易于管理、更可靠的領(lǐng)域，采用模塊化方法對上述領(lǐng)域進行深入設(shè)計，整個分層控制系統(tǒng)在添加新服務(wù)或者擴充網(wǎng)絡(luò)時不會影響整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

圖1中的分布式能源站分層控制系統(tǒng)采用單站結(jié)構(gòu)，利用10/100 Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)將4組冗余的400-H過程控制站、3臺操作員站、2臺工程師站和1臺歷史數(shù)據(jù)服務(wù)站連接成控制系統(tǒng)的骨干網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成控制總線層。PLC直接或者通過OLM模塊與ET200PA DP從站進行Profibus-DP通信，實現(xiàn)現(xiàn)場I/O模塊與控制器之間的通信，構(gòu)成現(xiàn)場總線層。分布式能源站的現(xiàn)場總線層和控制總線層實現(xiàn)了能源站內(nèi)部的自動控制。圖1中的標(biāo)準以太網(wǎng)將分布式能源站的信息發(fā)布到能源管理層，實現(xiàn)了信息共享。結(jié)合實際運行情況，基于PCS7過程控制系統(tǒng)構(gòu)建的分層控制系統(tǒng)可以滿足分布式能源站的通信需求。

2 分布式能源站邏輯組態(tài)

圖1 單站結(jié)構(gòu)的分布式能源站分層控制系統(tǒng)

分布式能源站的控制系統(tǒng)通常涵蓋基于能源梯級利用的燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、基于可再生能源系統(tǒng)的熱泵系統(tǒng)以及水儲能系統(tǒng)，形成冷熱能、天然氣能、儲能和電能泛能互補的能源互聯(lián)網(wǎng)[10-11]。更廣義的分布式能源站還包含光能和風(fēng)能等新能源，廣義分布式能源站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在100%設(shè)計負荷工況下，兼顧峰谷電價，分布式供能設(shè)備優(yōu)先開機運行，燃機余熱進入吸收式溴化鋰機組制能，其余負荷部分依次開啟離心式機組和空氣源熱泵，蓄能部分作為高峰負荷調(diào)峰。在部分負荷工況下，分布式供能機組依然優(yōu)先開機運行，依次減少熱泵和離心式機組的運行臺數(shù)，同時蓄能優(yōu)先供應(yīng)峰電時段負荷。

圖2 廣義分布式能源站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分布式能源站控制的生產(chǎn)設(shè)備類型豐富，系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，運行方式靈活，需采用分層模塊化的方法組態(tài)分布式能源站的控制邏輯。為了提高控制邏輯的編程效率，尤其是針對復(fù)雜控制程序，PCS7在LAD（梯形圖）、FBD（功能塊圖）和STL（語句表）3種編程基本工具之外，還提供了CFC（連續(xù)功能圖）、SFC（順序功能圖）和SCL（結(jié)構(gòu)文本）3種編程工具，分別適用于能源站單體設(shè)備控制邏輯、子系統(tǒng)順序控制邏輯和全系統(tǒng)優(yōu)化控制邏輯的開發(fā)[12]。

2.1 單體設(shè)備的CFC控制

針對分布式能源站單體設(shè)備的連續(xù)過程控制需求，PCS7提供了圖形化的組態(tài)工程工具CFC。CFC以功能塊為基礎(chǔ)進行編程，PCS7在CFC標(biāo)準庫和APL（高級過程庫）中預(yù)置了驅(qū)動技術(shù)塊、控制技術(shù)塊、轉(zhuǎn)化技術(shù)塊、數(shù)學(xué)運算塊、操作技術(shù)塊和信息技術(shù)塊等多種功能塊，簡化了系統(tǒng)的組態(tài)和維護。每個CFC可以擴展為26個級，每級具有6個頁的編程空間，同一個CFC內(nèi)的功能塊之間可以直接連線。若采用S7-400的控制器，則處于不同控制器的控制塊之間也可以直接連線，能夠完成復(fù)雜的大型過程控制任務(wù)。對于重復(fù)使用的CFC，可以將其內(nèi)部細節(jié)隱藏構(gòu)建出帶有I/O的功能塊圖表，能被其他連續(xù)CFC直接調(diào)用，可進一步將該功能塊圖表編譯成FB（功能塊），以便于在LAD等語言中使用。基于PCS7的ITA（全集成自動化），CFC中還可以完成數(shù)據(jù)歸檔、報警消息組態(tài)和動態(tài)監(jiān)視畫面自動生成等。

在某分布式能源站中，水泵和閥門等常規(guī)單體設(shè)備，直接調(diào)用了PCS7 AP Library V81庫中預(yù)置的設(shè)備單體驅(qū)動程序。對于一些分布式能源站特有的設(shè)備，可以購買西門子能源行業(yè)的設(shè)備驅(qū)動庫或者基于SCL語言自定義開發(fā)。靈活改編和使用預(yù)置的通用驅(qū)動程序也可以滿足部分能源站特有設(shè)備的控制需求。在該項目中，冷卻塔風(fēng)機的控制要求包括遠程啟停機、遠方就地切換和風(fēng)機高低雙速運行，采用PCS7 AP Library V81庫中的雙速電機實現(xiàn)了對冷卻塔風(fēng)機的控制，不需要專門的冷卻塔風(fēng)機驅(qū)動塊，冷卻塔風(fēng)機的CFC控制邏輯如圖3所示。圖3所示的功能塊處于循環(huán)周期OB35之中，以默認的200 ms循環(huán)周期運行。實踐經(jīng)驗表明，PCS7可以滿足分布式能源站單體設(shè)備的控制需求。

2.2 子系統(tǒng)的SFC順序控制

分布式能源站的運行工況復(fù)雜，子系統(tǒng)順序控制開發(fā)工作量大。某分布式能源站的子系統(tǒng)順序控制涵蓋了離心冷機與空氣源熱泵的制冷啟停及其一鍵切換、由空氣源熱泵與離心熱泵構(gòu)成的復(fù)疊式制熱啟停及其一鍵切換、由大冷機與小冷機構(gòu)成的熱回收啟停及其一鍵切換和大小蓄能水槽的蓄釋冷熱等?；贗EC 61131-3標(biāo)準，PCS7提供了圖形化的順序控制系統(tǒng)組態(tài)語言SFC，大大提高了分布式能源站順序控制系統(tǒng)的開發(fā)效率，也為調(diào)試和維護帶來方便。SFC將一個控制問題分解為若干個可管理的階段，由“步”、“路徑”和“轉(zhuǎn)換條件”三要素組成，當(dāng)轉(zhuǎn)換條件滿足時結(jié)束上一階段的“步”，并按照“路徑”開始下一階段的“步”，然后等待下一個轉(zhuǎn)換條件的滿足，直至順序控制流程結(jié)束[1]。其中，順序功能圖中的“路徑”由單步、選擇、并行、循環(huán)和跳轉(zhuǎn)這5種基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成，具有高級語言的特性，適合于組態(tài)復(fù)雜的順序控制程序。如果順序控制系統(tǒng)只使用一次，并且該順序控制系統(tǒng)將控制生產(chǎn)工廠的多個子區(qū)域，則使用SFC圖表即可；如果需要多次使用順序控制系統(tǒng)，并且該順序控制系統(tǒng)具有分別控制生產(chǎn)工廠各自子區(qū)域的SFC實例，則需要使用SFC類型，對SFC類型所做的集中更改將自動傳送給所有SFC實例。

圖3 冷卻塔風(fēng)機的CFC控制邏輯

以該項目中的大冷機制冷模式切換順序控制為例，該順序控制采用了單步結(jié)構(gòu)，先關(guān)閉大冷機復(fù)疊式制熱工況下的閥門，待閥門關(guān)閉條件滿足時打開大冷機制冷模式所需的閥門，待閥門打開之后結(jié)束順序控制，如圖4所示。PCS7支持SFC在線測試，可以在運行模式下直接手動向順序控制程序發(fā)送啟動、暫停、中止和復(fù)位等指令。同時，由于SFC具有類似于CFC的外部視圖，順序控制系統(tǒng)也可以接收系統(tǒng)內(nèi)部的自動控制命令，該順序控制的外部視圖如圖5所示?；赑CS7的ITA，SFC也可以在Wincc（視窗控制中心）上自動生成動態(tài)監(jiān)視畫面，與圖4相似。

圖4 大冷機制冷模式切換SFC順序功能

圖5 大冷機制冷模式切換SFC的外部視圖

2.3 全系統(tǒng)的優(yōu)化控制

根據(jù)分布式能源站按照最佳經(jīng)濟效益方式運行的要求，需要從全系統(tǒng)角度出發(fā)，編寫多制冷機和多冷熱源系統(tǒng)調(diào)度最優(yōu)化控制程序[13-14]。在非高峰期和過渡季節(jié)，決定冷熱源類型的搭配組合和機組的運行數(shù)量，實現(xiàn)冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、制冷制熱系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)全母管制和全變頻系統(tǒng)的協(xié)同控制。具體而言，文中所研究的分布式能源站全系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計主要包括以下幾個方面：冷熱電負荷的自動預(yù)測、分配及調(diào)節(jié)；順序控制的自動投切判斷；變頻水泵的頻率自調(diào)節(jié)及一、二次泵的流量自平衡控制；根據(jù)熱點負荷自動選擇最佳的設(shè)備子系統(tǒng)及其運行參數(shù)設(shè)置等。

實踐經(jīng)驗表明，綜合使用PCS7中的SCL語言與第三方編程軟件可以完成分布式能源站子系統(tǒng)間的協(xié)同控制，從而實現(xiàn)全廠經(jīng)濟效益最優(yōu)。

2.3.1 基于SCL的全系統(tǒng)優(yōu)化控制

PCS7提供了LAD，F(xiàn)BD和STL 3種基本編程語言，其中LAD和FBD適合于數(shù)字量邏輯控制，而STL則是PCS7程序的底層語言，可以直接訪問PLC內(nèi)部的各種資源，功能強大，但是對工程師的要求很高。因此，以上3種基本語言都不適合人工編寫復(fù)雜控制任務(wù)及大型程序。為了解決該問題，PCS7提供了一種類似于Pascal的高級編程語言S7-SCL。S7-SCL為PLC做了優(yōu)化處理，具有高級語言的特性，可以使用選擇、分支、數(shù)組和高級函數(shù)等，適用于復(fù)雜數(shù)學(xué)運算、數(shù)據(jù)管理和過程優(yōu)化，能夠滿足分布式能源站簡單的全系統(tǒng)優(yōu)化控制需求。

2.3.2 基于通信的全系統(tǒng)優(yōu)化控制

S7-SCL適合于過程優(yōu)化，且易于使用，但由于PLC內(nèi)存有限，故不宜用于編寫高級智能算法。為解決該問題，采用將智能控制算法所需的數(shù)據(jù)通過通信方式傳到第三方軟件代理運算，然后再通過通信接口將運算結(jié)果重新返回給控制器的方法，從而實現(xiàn)分布式能源站全系統(tǒng)的優(yōu)化控制?？紤]到PLC的運行內(nèi)存較小，能源站的全系統(tǒng)優(yōu)化控制主要通過第三方軟件計算完成。

圖6 基于OPC通信的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)模糊PID控制流程

Matlab的數(shù)據(jù)分析處理能力強大，內(nèi)置豐富的算法工具包，適合編寫復(fù)雜控制算法；另外，開放式標(biāo)準接口OPC（用于過程控制的對象連接與嵌入技術(shù)）廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制設(shè)備，因此，通常采用Matlab與OPC的組合方式解決復(fù)雜的工業(yè)優(yōu)化控制問題[15-16]。在文中研究的分布式能源站中，以實現(xiàn)冷凍水循環(huán)的模糊PID控制為例，將分布式能源站的冷凍水循環(huán)系統(tǒng)作為控制對象。首先組態(tài)冷凍水循環(huán)系統(tǒng)中的基本控制回路，如內(nèi)燃機、溴化鋰機組以及一、二次水泵等設(shè)備的單體及其順序控制邏輯；然后，在Matlab中編寫基于改進粒子群算法優(yōu)化的模糊PID控制算法，并利用OPC通信實現(xiàn)該控制算法對冷凍水循環(huán)系統(tǒng)的實時控制，具體應(yīng)用過程如圖6所示。

3 分布式能源站監(jiān)控平臺

根據(jù)分布式能源站的監(jiān)控要求，操作員可以通過監(jiān)控平臺監(jiān)視能源站各個子系統(tǒng)的生產(chǎn)工況，并且根據(jù)實時要求手動做出相應(yīng)的操作。另一方面，監(jiān)控平臺還需自動采集和處理能源站運行所需的全部數(shù)據(jù)，并對其進行監(jiān)視、顯示、計算、報警、記錄、歷史數(shù)據(jù)存儲，以維持能源站安全經(jīng)濟運行。PCS7采用了完整的ITA架構(gòu)，實現(xiàn)了從傳感器和執(zhí)行器到控制器，再到上位機的完全無縫集成，通過PCS7的OS（操作員站）編譯可以自動生成畫面、記錄變量和記錄報警，大大提升了分布式能源站監(jiān)控平臺的搭建效率。同時，也支持直接在Wincc上位機平臺上對監(jiān)控平臺進行二次開發(fā)，可以便捷地實現(xiàn)分布式能源站歷史曲線、操作記錄、報表和Web發(fā)布等功能。

某分布式能源站整個監(jiān)控平臺由6個監(jiān)控子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為動力、給排水、輔機、電氣、暖通和用戶。每個子系統(tǒng)又由若干子界面構(gòu)成。圖7為暖通子系統(tǒng)下的離心冷機單體運行監(jiān)控子界面，監(jiān)視的數(shù)據(jù)來自于Wincc集成的Modbus TCP/IP標(biāo)準接口，監(jiān)視的數(shù)據(jù)根據(jù)需要存儲到Wincc集成的ODBC/SQL（開放數(shù)據(jù)庫連接/結(jié)構(gòu)化查詢語言）數(shù)據(jù)庫中。

4 結(jié)語

PCS7作為一種完全無縫集成的自動化解決方案，為自動化系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的技術(shù)環(huán)境，實現(xiàn)統(tǒng)一的組態(tài)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信。文中通過分層控制系統(tǒng)構(gòu)建、控制邏輯組態(tài)和監(jiān)控平臺搭建實例介紹了PCS7控制系統(tǒng)在分布式能源站中的應(yīng)用，基于PCS7構(gòu)建的分布式能源站控制系統(tǒng)為解決能源站協(xié)同控制的難題提供了有效途徑。某分布式能源站的穩(wěn)定運行表明，PCS7控制系統(tǒng)能夠滿足分布式能源站的自動控制要求，并且提高了分布式能源站自動控制系統(tǒng)的開發(fā)效率。隨著PCS7過程控制系統(tǒng)的不斷完善，其將在分布式能源站自動控制領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。

圖7 基于PCS7構(gòu)建的離心冷機運行監(jiān)控畫面

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