，，

(杭州電子科技大學(xué) 能量利用系統(tǒng)與自動(dòng)化研究所，杭州 310018)

0 引言

能源與動(dòng)力工程高效穩(wěn)定的運(yùn)行，對(duì)于提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，保障工業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行，具有重大意義。熱電廠中能源與動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用更為廣泛也更為重要，可以使得熱電廠工作穩(wěn)定，增加熱電廠總體收益[1]。因此對(duì)熱電廠中的動(dòng)力運(yùn)行系統(tǒng)研究并進(jìn)行升級(jí)，可以使其應(yīng)用水平有更大的提升。

熱電廠能源與動(dòng)力管理信息系統(tǒng)，主要用于采集與檢測(cè)熱電廠各工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)眾多數(shù)據(jù)包括壓力、設(shè)備溫度、液位、電流、視頻等。針對(duì)目前熱電廠控制室分散，許多重要數(shù)據(jù)沒有實(shí)現(xiàn)采集，管理難度大，人力成本投入大等問題，本系統(tǒng)以西門子S7-1500 系列PLC為主控器，以Wincc組態(tài)軟件為監(jiān)控畫面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱電廠動(dòng)力運(yùn)行設(shè)備溫度、壓力、電流等各項(xiàng)目標(biāo)采集點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，調(diào)整了現(xiàn)有組織結(jié)構(gòu)，建立起穩(wěn)定高效的層級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)，可有效節(jié)省人力成本，減少管理難度[2]。

1 系統(tǒng)介紹

本管理信息系統(tǒng)主要由系統(tǒng)監(jiān)控和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備(簡稱“數(shù)據(jù)采集設(shè)備”)、OPC服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、系統(tǒng)監(jiān)控軟件(Wincc)3個(gè)部分組成。目前熱電廠動(dòng)力運(yùn)行管理系統(tǒng)包含7個(gè)子系統(tǒng)，其鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)、超低排放及污水站運(yùn)行管理系統(tǒng)、原料及燃料供應(yīng)運(yùn)行管理系統(tǒng)、能源介質(zhì)供應(yīng)管理系統(tǒng)有完備的DCS系統(tǒng)。能源與動(dòng)力管理信息系統(tǒng)通過OPC服務(wù)器，可以將Wincc與DCS系統(tǒng)中不同類別的組態(tài)軟件進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)Wincc對(duì)現(xiàn)有DCS系統(tǒng)中所需數(shù)據(jù)的采集[3]。

空壓運(yùn)行管理系統(tǒng)、除氧運(yùn)行管理系統(tǒng)與配電運(yùn)行管理系統(tǒng)沒有建立相應(yīng)完備的DCS系統(tǒng)，需要在現(xiàn)場(chǎng)部署傳感器和西門子PLC(CPU 1515-2 PNCPU 1513-2 PN)來滿足對(duì)數(shù)據(jù)的采集監(jiān)控。由于各工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)之間、現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心之間分布分散，通訊距離較遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)在普通網(wǎng)線中進(jìn)行傳輸時(shí)發(fā)生衰減，不能滿足通訊要求。采用光導(dǎo)纖維進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，能夠保證數(shù)據(jù)的快速穩(wěn)定傳輸[4]。監(jiān)控中心主要是由Wincc實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、處理，包括人機(jī)界面的設(shè)計(jì)，報(bào)警功能，日志，歷史數(shù)據(jù)的查詢，如圖1所示。

圖1 管理信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 PLC的選型

熱電廠能源與動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，開關(guān)量與模擬量的的輸入輸出點(diǎn)為多達(dá)562個(gè)，廠房之間分布也比較分散。根據(jù)熱電廠系統(tǒng)點(diǎn)位多，分布廣的特點(diǎn)，采用西門子S7-1500 CPU 1515-2 PN作為主控制器，利用SIMATIC ET200SP建立分布式自動(dòng)化系統(tǒng)。

德國西門子公司S7-1500系列PLC是一種通用型PLC，適用于自動(dòng)化系統(tǒng)的各種應(yīng)用場(chǎng)合，在生產(chǎn)制造過程中更是大放異彩。西門子PLC采取模塊化，無風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，編程指令豐富，處理速度極快，可以輕松實(shí)現(xiàn)分布式配置，易于用戶操作[5]。還支持多種通訊協(xié)議，能夠在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)配置高速穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)。其特點(diǎn)明顯，優(yōu)勢(shì)突出，使得S7-1500在工控行業(yè)中應(yīng)用極其廣泛，成為既實(shí)際又經(jīng)濟(jì)的解決方案[5]。

系統(tǒng)中包括數(shù)字量的采集和模擬量的采集，選用8DI.DC 24V HF數(shù)字量輸入模塊與8AI，RTD/TC，2-wire HF模擬量輸入模塊。數(shù)字量的輸入來自于對(duì)變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)的斷路檢測(cè)，模擬量的檢測(cè)針對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、電流電壓、流量等傳感器的傳輸數(shù)據(jù)。S7-1500需要建立擴(kuò)展機(jī)架，擴(kuò)展機(jī)架接口模塊選擇IM155-6 DP高性能型，同時(shí)選擇PM1507電源模塊給從站供電。

2.2 通訊設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)通訊

本管理信息系統(tǒng)所選擇CPU型號(hào)為 1513-2PN，1515-2 PN。CPU 1500系列具有主站功能，通過擴(kuò)展西門子通訊模塊CM1542-5，可以作為PROFIBUS-DP主站。作為DP主站時(shí)，通過擴(kuò)展可利用PROFIBUS-DP總線連接500個(gè)DP從站，其強(qiáng)大的通訊能力，方便用于結(jié)構(gòu)化編程?？刂破髂M量、數(shù)字量輸入輸出的點(diǎn)位數(shù)與DP從站的數(shù)量，滿足項(xiàng)目所需[6]。

系統(tǒng)中每個(gè)廠房中建立一個(gè)從站，從站由ET200SP建立。ET200MP與ET200SP都具有擴(kuò)展從站的能力，但是各有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用場(chǎng)合。根據(jù)其特點(diǎn)，方案可以直接采用ET200SP模塊。ET200M更適合于高密度且復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)，適合與冗余系統(tǒng)一起使用。ET200SP可以擴(kuò)展數(shù)字量輸入模塊，模擬量輸入模塊，還可以擴(kuò)展CM PTP通訊模塊，CM PTP通過MODBUS協(xié)議可以連接多臺(tái)RS485設(shè)備。

CM PTP 485通訊模塊連接485設(shè)備需要注意諸多問題，一個(gè)485通訊模塊用于Modbus主站時(shí)的最大從站數(shù)量不能超過32，一個(gè)模塊用一個(gè)輪詢方式去訪問自己帶的從站[7]。建立Modbus主站去訪問一定數(shù)量的Modbus從站，肯定存在一定時(shí)間的延時(shí)。為了將時(shí)間延時(shí)將至最小，保證系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性，需要根據(jù)廠房布局圖對(duì)Modbus主站負(fù)荷從站的數(shù)量進(jìn)行合理布置分配。

圖2 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)配置圖

如圖2所示，將廠區(qū)根據(jù)廠房分布分為若干區(qū)域，如A區(qū)域，…，N區(qū)域，C區(qū)域。每個(gè)區(qū)域包括幾個(gè)廠房，并且分配一個(gè)S7-1500系列PLC作為一個(gè)主站，在每個(gè)廠房建立PROFIBUS-DP從站，通訊協(xié)議為PROFIBUS-DP協(xié)議。從站中IM155-6 DP高性能型接口模塊可支持模塊數(shù)量32個(gè)，可以連接通訊模塊和信號(hào)模塊，故可以通過通訊模塊支持RS485設(shè)備，所用協(xié)議為MODBUS協(xié)議，通過信號(hào)模塊支持現(xiàn)場(chǎng)傳感器采集數(shù)據(jù)。從站分為二種：

1)F700變頻器配置FR-A7NP通訊卡可作為DP從站。

2)ET200SP為S7 1500系列PLC的遠(yuǎn)程分布式IO，IM155-6為接口模塊，可通過掛載AI/DI模塊采集現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)，可通過掛載CMPTP RS485通訊模塊與RS485設(shè)備通訊。

IO-controller控制器為CPU 1515-2PN，作為IO-controller，負(fù)責(zé)讀取其余PLC控制器的數(shù)據(jù)。多臺(tái)PLC經(jīng)過交換機(jī)，由Wincc通過OPC讀取CPU1515-2PN傳輸來的數(shù)據(jù)。針對(duì)于通信距離過長的問題，配置DP/光纖轉(zhuǎn)換頭，網(wǎng)口/光纖轉(zhuǎn)換頭，中間經(jīng)過光纖傳輸。

PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線作為通用的國際標(biāo)準(zhǔn)總線，具備國際化、開放式、不依賴設(shè)備生產(chǎn)商等特點(diǎn)，在傳輸中小量數(shù)據(jù)方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)作為傳輸速率最快的的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，在國際上變得最為流行[8]。

PROFIBUS-DP數(shù)據(jù)傳輸所用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為參數(shù)過程數(shù)據(jù)對(duì)象PPO。根據(jù)數(shù)據(jù)有無參數(shù)通道及過程通道數(shù)據(jù)字的多少分為5種類型[8]。如圖3所示，圖中一個(gè)方格代表一個(gè)字的長度。

圖3 PPO數(shù)據(jù)模型

2.2.2 廠房具體通訊

依照整個(gè)廠房升級(jí)要求，需通過4個(gè)操控室建立起完備的監(jiān)控系統(tǒng)，分別為非熱電介質(zhì)運(yùn)行操控室，環(huán)保運(yùn)行操控室，鍋爐汽機(jī)運(yùn)行操控室，配電運(yùn)行操控室，每個(gè)操控室負(fù)責(zé)監(jiān)控不同的運(yùn)行系統(tǒng)。

根據(jù)廠房布局中各個(gè)廠房設(shè)備的分布情況與每個(gè)廠房的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)，可以規(guī)劃出詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案。西門子建立的PROFIBUS-DP分布式系統(tǒng)具有一個(gè)主站與若干從站，從站要遵循就近圍繞主站原則，達(dá)到更科學(xué)的分布情況。西門子S7-1500系列PLC理論上可以支持與32個(gè)Modbus從站設(shè)備進(jìn)行通訊，但是在工廠實(shí)際運(yùn)行中過多的Modbus設(shè)備會(huì)降低響應(yīng)速度，故需要在廠區(qū)合理規(guī)劃PLC控制器，達(dá)到PLC以最優(yōu)性能負(fù)責(zé)一批采集點(diǎn)與通訊設(shè)備的效果。

通過以上分析現(xiàn)分為6個(gè)區(qū)域，分別由六塊S7-1500系列PLC控制器來采集6個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)，裝配有PLC作為主站的廠房為第二煉膠房，104除氧站，105負(fù)七米，生活水泵房，循環(huán)水泵房，胎面水泵房，如表1所示。

表1 廠房區(qū)域劃分圖

其中氮?dú)庹就ㄓ嵲O(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 氮?dú)庹就ㄓ嵲O(shè)計(jì)圖注：西門子 CPU 1513-2 PN為主控制器，通訊模塊CM1542-5擴(kuò)展其為主站。

氮?dú)庹局械膲毫χ狄呀?jīng)采集至控制室的儀表并能夠進(jìn)行有效的顯示。管理信息系統(tǒng)對(duì)于氮?dú)庹緣毫χ档锰幚砜梢圆恢苯影惭b壓力傳感器而是采取從現(xiàn)成的儀表分信號(hào)的方式，電量信號(hào)隔離器可以實(shí)現(xiàn)從儀表中分出壓力的電信號(hào)。對(duì)于電流的采集還是通過電流互感器。以上的數(shù)據(jù)傳輸至ET200SP從站，PLC可通過PROFIBUS-DP協(xié)議讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 傳感器的選擇

熱電廠動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行車間溫度、壓力、電流檢測(cè)最為關(guān)鍵。系統(tǒng)運(yùn)行中穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，才能提供不間斷的動(dòng)力，保證產(chǎn)品的質(zhì)量與安全。本系統(tǒng)采用的模擬量輸入模塊為8AI，RTD/TC，2-wire HF，溫度傳感器為四線制熱電阻鎧裝WZP-231，精度高，熱電阻鎧裝WZP-231不需要轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)或者電壓信號(hào)，可以直接接入模擬量輸入模塊。為了保證信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，對(duì)TRD的接地信號(hào)線進(jìn)行零漂校正。在鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)中，需要保持壓力的恒定，整個(gè)工藝流程才能順利完成，選取壓力傳感器為兩種：一種為日本橫河公司的壓差式壓力變送器EJA430E，一種為美國GE公司的UNIK 5000，將壓力信號(hào)變換為4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。兩種壓力傳感器精度等級(jí)高，最高可至±0.04% FS BSL，滿足系統(tǒng)對(duì)精確度的要求。為了完成對(duì)工作電流的采集，需要在一些控制柜里面安裝電流互感器，將得到的標(biāo)準(zhǔn)電流接入DP從站擴(kuò)展的AI模塊中[8]。

3 上位機(jī)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

熱電廠能源與動(dòng)力管理信息系統(tǒng)畫面設(shè)計(jì)包括生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)異常報(bào)警子系統(tǒng)。

3.1 生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)

上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能就是對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)生產(chǎn)車間的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，在相應(yīng)的控制室中通過Wincc組態(tài)畫面可以直觀地查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)熱電廠7個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行分析并建立了組態(tài)畫面，其中鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)界面如圖5，圖6所示。

圖5 鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)—鍋爐部分

圖6 鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)—汽機(jī)部分

由圖可知，鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理子系統(tǒng)鍋爐房與汽機(jī)組的一次風(fēng)機(jī)、二次風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)、氨罐、稀釋水罐、汽輪機(jī)組等的狀態(tài)指示。水泵旁邊指示燈的顏色表示水泵工作是否異常，綠色表示工作正常，紅色表示工作異常。對(duì)每個(gè)水泵的工作電流和介質(zhì)壓力進(jìn)行顯示，由于水泵數(shù)量龐大，對(duì)其分布進(jìn)行優(yōu)化排列。畫面中還添加總報(bào)警指示燈，當(dāng)任何一個(gè)水泵與電機(jī)的電流或者介質(zhì)壓力處于非正常工作狀態(tài)時(shí)，報(bào)警指示燈會(huì)發(fā)生閃爍，提醒操作人員發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)進(jìn)行修理維護(hù)，防止工業(yè)事故產(chǎn)生。

3.2 數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

西門子Wincc組態(tài)軟件比較重要的一方面就是實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)歸檔查詢。管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)包括生產(chǎn)過程參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查詢歸檔。其中包括一些工藝參數(shù)的設(shè)置，方便管理人員對(duì)其進(jìn)行修改管理，如介質(zhì)壓力、介質(zhì)溫度、罐體液位、環(huán)境溫度、工作電流等參數(shù)。Wincc中使用變量管理器對(duì)變量進(jìn)行高效的創(chuàng)建和管理，包括內(nèi)部變量，外部變量，結(jié)構(gòu)變量等。Wincc項(xiàng)目的運(yùn)行通過通訊驅(qū)動(dòng)的方式與現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行通信，而與工廠運(yùn)行設(shè)備之間通過定義外部變量的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。對(duì)于生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的記錄，在橡膠廠輪胎制造中扮演重要的角色，對(duì)數(shù)據(jù)的有效利用可以極大優(yōu)化生產(chǎn)線與提高產(chǎn)品質(zhì)量。組態(tài)軟件采用最新型號(hào)Wincc V7.4，其集成強(qiáng)大的Microsoft SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫，同時(shí)可以支持各類工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和通信協(xié)議[9]。

管理信息系統(tǒng)中對(duì)熱電廠數(shù)據(jù)的歸檔，包括實(shí)時(shí)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)歸檔與報(bào)警記錄的歸檔。需要在Wincc新建項(xiàng)目對(duì)話框中選擇項(xiàng)目屬性的“啟動(dòng)變量運(yùn)行”與“啟動(dòng)變量記錄運(yùn)行”，相關(guān)數(shù)據(jù)會(huì)在項(xiàng)目文件目錄中以數(shù)據(jù)庫支持的.Mdf格式儲(chǔ)存于Microsoft SQL Server。同時(shí)Wincc有內(nèi)置的Wincc Online Table Control訪問變量歸檔數(shù)據(jù)，Wincc Online Trend Control來訪問報(bào)警歸檔數(shù)據(jù)，Wincc Online Archieve Control訪問用戶歸檔數(shù)據(jù)。Wincc V7.4 具有和Excel良好的交互性，可導(dǎo)出.CSV文件并直接在Excel中查看，便于用戶進(jìn)行過程數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計(jì)。

3.3 故障報(bào)警子系統(tǒng)

安全是熱電廠進(jìn)行生產(chǎn)的重中之重，各類子系統(tǒng)都有其穩(wěn)定運(yùn)行的條件，包括一定范圍的溫度、壓力、水位等，為了能及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障以及安全隱患，設(shè)計(jì)了故障報(bào)警子系統(tǒng)。鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)、原料及燃料供應(yīng)運(yùn)行管理系統(tǒng)、空壓運(yùn)行管理系統(tǒng)以及除氧運(yùn)行管理系統(tǒng)中，各類水泵的出口壓力與管道的介質(zhì)壓力過大、水泵工作電流不正常等情況都會(huì)引起嚴(yán)重的生產(chǎn)事故。故障報(bào)警子系統(tǒng)對(duì)各類子系統(tǒng)中水泵壓力、軸向位移、工作電流、軸承溫度等各類采集點(diǎn)進(jìn)行報(bào)警設(shè)置，超出預(yù)設(shè)范圍即出現(xiàn)醒目的報(bào)警提示，可添加硬件蜂鳴器產(chǎn)生報(bào)警聲，提醒工作人員及時(shí)作出反應(yīng)。報(bào)警數(shù)據(jù)在項(xiàng)目中進(jìn)行了歸檔，有利于后期維護(hù)升級(jí)系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)安全性[10]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

熱電廠管理信息系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，為測(cè)試Wincc監(jiān)控系統(tǒng)中報(bào)警的及時(shí)有效性，在系統(tǒng)中模擬出現(xiàn)場(chǎng)有可能發(fā)生的超出報(bào)警范圍的多種故障問題，如圖7 所示，包括鍋爐汽機(jī)運(yùn)行管理系統(tǒng)中一次風(fēng)機(jī)軸承溫度大于80℃，鍋爐給水平臺(tái)中2#爐給水溫度超出150～158℃的范圍，原料及燃料供應(yīng)運(yùn)行管理系統(tǒng)中中間水泵的出口壓力超出0.2～0.4 MPa的范圍等，可以看到Wincc中報(bào)警系統(tǒng)及時(shí)的反映出了系統(tǒng)的故障，顯示了詳細(xì)的紅色報(bào)警信息，并對(duì)報(bào)警記錄進(jìn)行了歸檔。當(dāng)顯示的報(bào)警故障得到解決的時(shí)候，報(bào)警記錄會(huì)標(biāo)記顯示為綠色，并劃掉之前的報(bào)警記錄。熱電廠管理信息系統(tǒng)可以準(zhǔn)確采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警響應(yīng)。

圖7 熱電廠管理信息系統(tǒng)故障報(bào)警系統(tǒng)

5 結(jié)束語

西門子系列PLC與Wincc已經(jīng)發(fā)展為工控領(lǐng)域成熟的自動(dòng)化解決方案，得益于其強(qiáng)大的處理能力與功能多樣性，應(yīng)用十分廣泛。本文介紹了熱電廠能源與動(dòng)力管理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，利用西門子1500系列PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，用Wincc實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面的監(jiān)控，數(shù)據(jù)歸檔，故障報(bào)警，實(shí)現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)的搭建。

在通信設(shè)計(jì)方面，同時(shí)用到PROFIBUS-DP總線-分布式通信協(xié)議與TCP/IP通信協(xié)議，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在總站與各分站之間的穩(wěn)定可靠傳輸，通訊線路采用光纖通訊與OPC驅(qū)動(dòng)通訊結(jié)合的方式。PROFIBUS-DP通訊在系統(tǒng)的應(yīng)用中穩(wěn)定高效，在分布式自動(dòng)化系統(tǒng)中發(fā)展前景良好。