熱電廠能源與動力管理信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

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

0 引言

能源與動力工程高效穩(wěn)定的運行，對于提高工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率，保障工業(yè)生產(chǎn)的順利進行，具有重大意義。熱電廠中能源與動力系統(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]。因此對熱電廠中的動力運行系統(tǒng)研究并進行升級，可以使其應(yīng)用水平有更大的提升。

熱電廠能源與動力管理信息系統(tǒng)，主要用于采集與檢測熱電廠各工業(yè)現(xiàn)場眾多數(shù)據(jù)包括壓力、設(shè)備溫度、液位、電流、視頻等。針對目前熱電廠控制室分散，許多重要數(shù)據(jù)沒有實現(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，實現(xiàn)了對熱電廠動力運行設(shè)備溫度、壓力、電流等各項目標采集點的遠程監(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個部分組成。目前熱電廠動力運行管理系統(tǒng)包含7個子系統(tǒng)，其鍋爐汽機運行管理系統(tǒng)、超低排放及污水站運行管理系統(tǒng)、原料及燃料供應(yīng)運行管理系統(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)軟件進行通訊，實現(xiàn)Wincc對現(xiàn)有DCS系統(tǒng)中所需數(shù)據(jù)的采集[3]。

空壓運行管理系統(tǒng)、除氧運行管理系統(tǒng)與配電運行管理系統(tǒng)沒有建立相應(yīng)完備的DCS系統(tǒng)，需要在現(xiàn)場部署傳感器和西門子PLC(CPU 1515-2 PNCPU 1513-2 PN)來滿足對數(shù)據(jù)的采集監(jiān)控。由于各工業(yè)控制現(xiàn)場之間、現(xiàn)場與監(jiān)控中心之間分布分散，通訊距離較遠，數(shù)據(jù)在普通網(wǎng)線中進行傳輸時發(fā)生衰減，不能滿足通訊要求。采用光導(dǎo)纖維進行網(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實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、處理，包括人機界面的設(shè)計，報警功能，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)拓撲圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 PLC的選型

熱電廠能源與動力系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，開關(guān)量與模擬量的的輸入輸出點為多達562個，廠房之間分布也比較分散。根據(jù)熱電廠系統(tǒng)點位多，分布廣的特點，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，適用于自動化系統(tǒng)的各種應(yīng)用場合，在生產(chǎn)制造過程中更是大放異彩。西門子PLC采取模塊化，無風扇結(jié)構(gòu)，編程指令豐富，處理速度極快，可以輕松實現(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)場配置高速穩(wěn)定的通訊網(wǎng)絡(luò)。其特點明顯，優(yōu)勢突出，使得S7-1500在工控行業(yè)中應(yīng)用極其廣泛，成為既實際又經(jīng)濟的解決方案[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變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)的斷路檢測，模擬量的檢測針對于現(xiàn)場溫度、壓力、電流電壓、流量等傳感器的傳輸數(shù)據(jù)。S7-1500需要建立擴展機架，擴展機架接口模塊選擇IM155-6 DP高性能型，同時選擇PM1507電源模塊給從站供電。

2.2 通訊設(shè)計

2.2.1 系統(tǒng)通訊

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

系統(tǒng)中每個廠房中建立一個從站，從站由ET200SP建立。ET200MP與ET200SP都具有擴展從站的能力，但是各有其獨特的優(yōu)勢和適用場合。根據(jù)其特點，方案可以直接采用ET200SP模塊。ET200M更適合于高密度且復(fù)雜的自動化系統(tǒng)，適合與冗余系統(tǒng)一起使用。ET200SP可以擴展數(shù)字量輸入模塊，模擬量輸入模塊，還可以擴展CM PTP通訊模塊，CM PTP通過MODBUS協(xié)議可以連接多臺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485通訊模塊用于Modbus主站時的最大從站數(shù)量不能超過32，一個模塊用一個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，肯定存在一定時間的延時。為了將時間延時將至最小，保證系統(tǒng)通信的實時性，需要根據(jù)廠房布局圖對Modbus主站負荷從站的數(shù)量進行合理布置分配。

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。每個區(qū)域包括幾個廠房，并且分配一個S7-1500系列PLC作為一個主站，在每個廠房建立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，可以連接通訊模塊和信號模塊，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，通過信號模塊支持現(xiàn)場傳感器采集數(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，負責讀取其余PLC控制器的數(shù)據(jù)。多臺PLC經(jīng)過交換機，由Wincc通過OPC讀取CPU1515-2PN傳輸來的數(shù)據(jù)。針對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)場總線作為通用的國際標準總線，具備國際化、開放式、不依賴設(shè)備生產(chǎn)商等特點，在傳輸中小量數(shù)據(jù)方面具有獨到的優(yōu)勢。同時作為傳輸速率最快的的一種現(xiàn)場總線，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，圖中一個方格代表一個字的長度。

圖3 PPO數(shù)據(jù)模型

2.2.2 廠房具體通訊

依照整個廠房升級要求，需通過4個操控室建立起完備的監(jiān)控系統(tǒng)，分別為非熱電介質(zhì)運行操控室，環(huán)保運行操控室，鍋爐汽機運行操控室，配電運行操控室，每個操控室負責監(jiān)控不同的運行系統(tǒng)。

根據(jù)廠房布局中各個廠房設(shè)備的分布情況與每個廠房的監(jiān)測點位統(tǒng)計，可以規(guī)劃出詳細的設(shè)計方案。西門子建立的PROFIBUS-DP分布式系統(tǒng)具有一個主站與若干從站，從站要遵循就近圍繞主站原則，達到更科學的分布情況。西門子S7-1500系列PLC理論上可以支持與32個Modbus從站設(shè)備進行通訊，但是在工廠實際運行中過多的Modbus設(shè)備會降低響應(yīng)速度，故需要在廠區(qū)合理規(guī)劃PLC控制器，達到PLC以最優(yōu)性能負責一批采集點與通訊設(shè)備的效果。

通過以上分析現(xiàn)分為6個區(qū)域，分別由六塊S7-1500系列PLC控制器來采集6個區(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

其中氮氣站通訊設(shè)計如圖4所示。

圖4 氮氣站通訊設(shè)計圖注：西門子 CPU 1513-2 PN為主控制器，通訊模塊CM1542-5擴展其為主站。

氮氣站中的壓力值已經(jīng)采集至控制室的儀表并能夠進行有效的顯示。管理信息系統(tǒng)對于氮氣站壓力值得處理可以不直接安裝壓力傳感器而是采取從現(xiàn)成的儀表分信號的方式，電量信號隔離器可以實現(xiàn)從儀表中分出壓力的電信號。對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

熱電廠動力設(shè)備運行車間溫度、壓力、電流檢測最為關(guān)鍵。系統(tǒng)運行中穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，才能提供不間斷的動力，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)化成標準電流信號或者電壓信號，可以直接接入模擬量輸入模塊。為了保證信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力，對TRD的接地信號線進行零漂校正。在鍋爐汽機運行管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)中，需要保持壓力的恒定，整個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，將壓力信號變換為4～20 mA標準電流信號。兩種壓力傳感器精度等級高，最高可至±0.04% FS BSL，滿足系統(tǒng)對精確度的要求。為了完成對工作電流的采集，需要在一些控制柜里面安裝電流互感器，將得到的標準電流接入DP從站擴展的AI模塊中[8]。

3 上位機組態(tài)軟件設(shè)計

熱電廠能源與動力管理信息系統(tǒng)畫面設(shè)計包括生產(chǎn)過程實時監(jiān)控子系統(tǒng)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)異常報警子系統(tǒng)。

3.1 生產(chǎn)過程實時監(jiān)控子系統(tǒng)

上位機監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能就是對每個子系統(tǒng)生產(chǎn)車間的設(shè)備進行監(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)運行狀態(tài)。對熱電廠7個子系統(tǒng)進行分析并建立了組態(tài)畫面，其中鍋爐汽機運行管理系統(tǒng)界面如圖5，圖6所示。

圖5 鍋爐汽機運行管理系統(tǒng)—鍋爐部分

圖6 鍋爐汽機運行管理系統(tǒng)—汽機部分

由圖可知，鍋爐汽機運行管理子系統(tǒng)鍋爐房與汽機組的一次風機、二次風機、引風機、氨罐、稀釋水罐、汽輪機組等的狀態(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。對每個水泵的工作電流和介質(zhì)壓力進行顯示，由于水泵數(shù)量龐大，對其分布進行優(yōu)化排列。畫面中還添加總報警指示燈，當任何一個水泵與電機的電流或者介質(zhì)壓力處于非正常工作狀態(tài)時，報警指示燈會發(fā)生閃爍，提醒操作人員發(fā)現(xiàn)問題，及時進行修理維護，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，方便管理人員對其進行修改管理，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變量進行高效的創(chuàng)建和管理，包括內(nèi)部變量，外部變量，結(jié)構(gòu)變量等。Wincc項目的運行通過通訊驅(qū)動的方式與現(xiàn)場自動化系統(tǒng)進行通信，而與工廠運行設(shè)備之間通過定義外部變量的方式進行數(shù)據(jù)傳輸。對于生產(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Wincc V7.4，其集成強大的Microsoft SQL Server 2014數(shù)據(jù)庫，同時可以支持各類工業(yè)標準和通信協(xié)議[9]。

管理信息系統(tǒng)中對熱電廠數(shù)據(jù)的歸檔，包括實時生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)歸檔與報警記錄的歸檔。需要在Wincc新建項目對話框中選擇項目屬性的“啟動變量運行”與“啟動變量記錄運行”，相關(guān)數(shù)據(jù)會在項目文件目錄中以數(shù)據(jù)庫支持的.Mdf格式儲存于Microsoft SQL Server。同時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，便于用戶進行過程數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計。

3.3 故障報警子系統(tǒng)

安全是熱電廠進行生產(chǎn)的重中之重，各類子系統(tǒng)都有其穩(wěn)定運行的條件，包括一定范圍的溫度、壓力、水位等，為了能及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)故障以及安全隱患，設(shè)計了故障報警子系統(tǒng)。鍋爐汽機運行管理系統(tǒng)、原料及燃料供應(yīng)運行管理系統(tǒng)、空壓運行管理系統(tǒng)以及除氧運行管理系統(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引起嚴重的生產(chǎn)事故。故障報警子系統(tǒng)對各類子系統(tǒng)中水泵壓力、軸向位移、工作電流、軸承溫度等各類采集點進行報警設(shè)置，超出預(yù)設(shè)范圍即出現(xiàn)醒目的報警提示，可添加硬件蜂鳴器產(chǎn)生報警聲，提醒工作人員及時作出反應(yīng)。報警數(shù)據(jù)在項目中進行了歸檔，有利于后期維護升級系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)安全性[10]。

4 實驗結(jié)果與分析

熱電廠管理信息系統(tǒng)運行穩(wěn)定，為測試Wincc監(jiān)控系統(tǒng)中報警的及時有效性，在系統(tǒng)中模擬出現(xiàn)場有可能發(fā)生的超出報警范圍的多種故障問題，如圖7 所示，包括鍋爐汽機運行管理系統(tǒng)中一次風機軸承溫度大于80℃，鍋爐給水平臺中2#爐給水溫度超出150～158℃的范圍，原料及燃料供應(yīng)運行管理系統(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中報警系統(tǒng)及時的反映出了系統(tǒng)的故障，顯示了詳細的紅色報警信息，并對報警記錄進行了歸檔。當顯示的報警故障得到解決的時候，報警記錄會標記顯示為綠色，并劃掉之前的報警記錄。熱電廠管理信息系統(tǒng)可以準確采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)實時報警響應(yīng)。

圖7 熱電廠管理信息系統(tǒng)故障報警系統(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)域成熟的自動化解決方案，得益于其強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力管理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，利用西門子1500系列PLC實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，用Wincc實現(xiàn)上位機界面的監(jiān)控，數(shù)據(jù)歸檔，故障報警，實現(xiàn)了管理信息系統(tǒng)的搭建。

在通信設(shè)計方面，同時用到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，在分布式自動化系統(tǒng)中發(fā)展前景良好。