摘要：本文介绍了西门子自动化产品在电站暖通自控系统中的应用与研究。可编程控制器不仅用于对现场仪表的数据采集和处理，还用来完成对现场自动化设备的控制。此外，工控组态软件作为一种标准的人机界面被应用于监控工业生产的动态过程。关于本系统中软硬件及网络通讯的执行情况将在文中作进一步的详细阐述。
关键词：暖通 可编程控制器 组态 通讯 西门子
The Application and Research of SIEMENS Automation Products
in the Automatic Control System for HVAC of Power Station
Zhou Hongbo
(Huadian Qingdao Power Corporation,Qingdao)
Abstract: In this paper, we discuss the application and research of SIEMENS automation products in the automatic control system for HVAC of power station. The PLC can not only collect and deal with the data of the local instrument, but also complete the function of controlling the local automation devices. In addition, the industrial configuration software with a standard Human man-Machine Interface is used to monitor the dynamical industrial process. The software and hardware in this system and the network communication working condition will be further explained in this article.
Key Words: HVAC PLC Configuration Communication SIEMENS
一、项目简介
华电青岛发电有限公司充分利用自身作为青岛市电源和热源支撑点的优势，实施“热电联产，二元推进”战略，积极开展了2×300MW热电联产项目建设工作。作为山东地区装机容量最大的热电联产机组，日前顺利投产发电。
作为电站机组辅助控制系统的重要组成部分──暖通控制系统，是涉及机组各区域供热、制冷、通风以及消防的主要控制中枢，也是机组安全稳定运行的重要保障。该系统的提前投运，为机组的按时投产奠定了坚实的基础。
二、暖通自动控制系统介绍
1.工艺设计要求
该暖通自控系统是两台发电机组的公用系统，主要包括集控楼、主厂房各区域的HVAC(Heat Ventilation Air Conditioner)系统。集控楼HVAC系统由集控楼12.6m、8.0m、0.0m层通风空调系统构成，主厂房HVAC系统由汽机房通风系统、发电机励磁机柜小室降温通风系统、蓄电池室降温通风系统、380V配电装置室及直流配电间通风系统、6kV配电装置室通风系统、热控电气室通风系统及采暖加热系统构成。整个通风、空调系统通过布置在集控楼12.6m层内的暖通控制室进行集中监控。主要现场设备有风冷屋顶式空调机组、风冷式冷水机组、柜式空调机组、采暖加热装置、消防控制中心及各类阀门、风机、温湿度元件等。
暖通自动监控是采用以可编程控制器(PLC)技术为基础的控制系统，由中央控制站、数据通讯网络、设备级控制器及就地传感器组成。自动控制系统具有监控、编程和数据处理等功能，其设计原则是使通风空调系统运行安全、节能和方便。根据生产工艺设计要求，暖通自控系统采用典型的两级监控方式。上位机以标准的工业控制计算机(IPC)作为主要的人机界面(HMI)，为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程控制器(PLC)构成，为基础测控级，完成生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。
（1）暖通的自动控制，即实现整个制冷/供热、通风过程的全自动控制，可进行故障诊断，并在监控画面上显示各工况参数、控制设备运行状态及故障报警。同时，应具备手动控制功能，可在调试、检修、运行期间对各系统分别进行控制，且备用设备能手动/自动投入运行。
（2）在生产过程中，存在大量的物理量，如温度、湿度、压力、流量等模拟量参数。需要通过PLC对这些参数进行实时采集和处理，对系统所有监控点进行集中监控。
（3）根据室内外参数变化及室内热湿负荷的变化自动调整通风、空调（制冷）系统设备运行状态和有关阀门的调节与开关。
（4）对调节系统可采用操作器控制，确保系统送风和回风的温湿度准确稳定，使各区域温湿度达到设计要求，并对其故障实现实时报警和联锁启停切换控制。
（5）自控系统与消防系统具有硬接线接口，当分系统任一区域发生火灾信号时，控制系统将停止该分系统运行。当消防系统发出事故排风指令时，控制系统将控制相应区域的事故通风机投入运行。
（6）控制系统具备双路电源切换功能，当一路电源故障时能可靠的自动切换到另一路，以保证任何一路电源的故障均不会导致系统的任一部分失电。
2.控制系统选型及特点
为了满足上面提到的暖通自控系统工艺设计要求，对于控制中心我们选用了西门子公司SIMATIC S7-300可编程控制器(PLC)和研华公司IPC-610工控机(IPC)构成的自控系统；对于屋顶式空调机、风冷柜式空调机、采暖加热系统等设备控制均采用了西门子可编程控制系列产品，如SIMATIC S7-200、SICLIMAT SAPHIR ACX32.000。这样使整个系统的所有硬件都基于了统一的硬件平台。同时，由STEP 7、STEP 7-Mirco/ WIN32、WinCC、SIMATIC NET PC-Software、PC ACCESS等编程、组态及通讯软件构成统一的软件平台。通过构建上述统一的软硬件平台最终实现暖通自控系统的各项功能。
可编程控制器(PLC)是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计，已经成为电气控制系统中应用最为广泛的核心装置，它将计算机技术、自动化技术和通信技术融为一体不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成各种顺序或定时的闭环控制功能，具有可靠性高、抗干扰能力强、稳定性好、体积小，能在恶劣环境下长时间、不间断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与模块处理，可方便各级连接的特点。随着总线控制和网络技术的广泛应用，使可编程控制器如虎添翼，成为了现代工业实现自动化的重要设备。
作为自动化和驱动领域的世界先驱西门子自动化与驱动集团(A&D)，凭借其对自动化领域的充分理解和前瞻性的思路，为各行业提供了创新与高效的产品及解决方案。在当前先进的控制系统产品中，西门子自动化的可编程控制器技术已相当成熟，而且从硬件的可靠性、稳定性及软件的易操作性等各方面综合评定，也符合暖通自控系统的各项要求。SIMATIC S7系列控制器采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间可进行广泛组合以用于扩展。在一块机架底板上可安装电源、CPU、I/O模板、通信处理器等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。更为我们所需要的是SIMATIC S7系列控制器内置或可扩展不同通讯接口，提供多种通讯方式选择，可构成不同要求的工业通讯网络。通过计算处理、网络数据共享等技术手段的运用，最终使控制系统将参数监测、程序控制、显示报警、监控管理等融为一体，实现系统的集中管理，以满足系统运行现代化的要求。
3.控制系统硬件配置
根据要求本系统控制中心所选用的硬件产品，如下所示：
（1）工业控制计算机 (IPC)
ADVANTECH IPC-610，Pentium Ⅳ 2.8GHz处理器，512Mb内存，80Gb硬盘，2台；
（2）电源模块 (PS)
PS 307，电源模块1块；
（3）中央处理单元 (CPU)
CPU 314，24V供电，64KB工作内存，DI/DO最大1024点，AI/AO最大256点；
（4）通讯处理器 (CP)
CP343-1, 工业以太网通讯处理器1块；
（5）接口模块 (IM)
IM 360，（主机架）接口模块1块；
IM 361，（扩展机架）接口模块3块；
（6）信号模块 (SM)
SM 321，数字量输入模块7块；
SM 322，数字量输出模块4块；
SM 331，模拟量输入模块16块；
SM 332，模拟量输出模块1块；
（7）PCI通讯处理器 (CP)
CP5611，PROFIBUS/MPI通讯处理器1块；
CP1613，工业以太网通讯处理器1块。
控制中心SIMATIC S7-300可编程控制器硬件配置图，如下：
4.控制系统网络结构
三、控制系统软件组态与网络通讯
1.软件组态过程与效果
工控组态软件WinCC(Windows Control Center)是一个集成的人机界面(HMI)和监控管理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能相结合的产物，是世界上第一个集成的人机界面(HMI)软件系统。它真实的将工厂控制软件集成到自动化过程中。HMI人机界面系统作为基础自动化系统的重要组成部分，用于控制系统的各种数据设定、显示、故障报警，以及相应操作和设备的在线调试及维护，发挥着越来越重要的作用。暖通控制HMI系统信息以友好方式与用户交互。通过自动化控制系统接收过程计算机(PCS)和操作人员通过HMI输入的数据进行处理，处理后再将过程数据信息、机组状态信息和各种测量值以符号、数值、曲线、图表及历史记录的形式在HMI画面上显示。最终实现了在HMI操作站（上位机）上以最少的设备数量提供最大可能的信息，帮助操作人员和设备维护人员快速准确的了解系统当前状态及其相关信息的设计目标。
在上位机上用WinCC组态软件设计了标准的人机界面，主要包括以下几个方面的内容：
（1）工艺流程模拟图：以工艺流程模拟图为基础监视手段，在画面中模拟显示整个暖通现场送风回风的全过程，并实时显示各区域室内温湿度、防火阀状态及设备运行状态等参数信息，以便于操作者能及时准确的掌握整个暖通系统的运行情况，并能够对现场设备的故障进行实时诊断。
（2）控制方式选择：在工艺流程模拟画面中可对控制设备进行单操、成组、手动、自动等方式的切换。
（3）设备级驱动：通过点击模拟图上相应设备，即弹出该设备操作器。从操作器上对单体设备进行控制方式切换及启停操作，同时显示设备状态、故障等信息。操作器有手动和自动两种工作方式，在设备安装调试阶段一般用手动操作方式，进入正常运行时常用自动方式，以实现对一些重要的模拟量数据的精确控制，自动调节程序由PID闭环控制回路完成。
（4）报警记录：对于如温度、湿度、压力、流量等一些重要的模拟量输入参数进行实时报警，当处于监控下的任何一个变量超出预先设定的安全值时，报警音就会立即响起，同时通过报警一览表对话框可以检查报警超出的范围以及报警的出处，并对此采取相应的措施。此外，防火阀关状态、排烟阀开状态等各类开关量参数以及各区域消防和排烟的实时报警、确认、查询等功能也在此实现。
（5）实时与历史趋势：在此画面中除了实时显示相关变量的变化趋势，操作员还可成组查询其历史趋势，通过趋势显示可有效的获得相关信号动作顺序过程信息，以便分析事故状态下信号的动作过程，从而进一步提高了事故分析的准确性与效率性。
（6）历史数据存储与检索：系统设置一台工作站兼作历史数据站，利用WinCC的变量存档、报表系统模块记录和打印运行参数的历史数据。将各变量历史数据存储于大容量存储设备中，以随时记录其状态及参数变化，为相关人员进行数据检索与分析提供真实有效依据。
2.网络通讯方式
为了满足单元层、现场层及其它方面的不同通讯要求，目前有多种通信网络及国际标准可供我们选择，主要有Industrial Ethernet(IEEE 802-3 802.3u)、PROFIBUS (IEC 61158/ EN50170)、AS-i(EN 50295)、EIB(EN50090，ANSI EIA 776)、MPI及Point-to-point connections等。本系统中控制中心、风冷屋顶式空调机、风冷柜式空调机及采暖加热系统均采用了西门子可编程控制系列产品，并通过数据通讯接口输出/输入数据。根据系统网络通讯接口特点和网络通讯距离要求，我们采用了Industrial Ethernet（工业以太网）和PROFIBUS（现场总线）两种通讯方式。
系统网络拓扑结构，如下：
工业以太网现已成为工控界最为流行的局域网技术，被广泛的应用于工厂控制级通讯，它可以实现PLC与PLC之间、PLC与上位机之间的通讯。在本系统中我们分别用SIMATIC S7-300 PLC工业以太网通讯处理器模块CP343-1、PC机工业以太网通讯处理器CP1613与工业以太网连接，同时将SICLIMAT SAPHIR ACX32.000控制器通过其以太网接口与工业以太网连接，构成了以光纤为主要通讯介质、以TCP/IP为数据通讯协议的工业以太网络。
PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一，它以独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。同时，它又具有较高的通信速率和可靠的通信质量以及灵活的拓扑结构。在系统中我们分别将6台SIMATIC S7-200 PLC的PROFIBUS DP模块EM277连接于PROFIBUS 网络中，同时将用于工控机的通讯处理器CP5611与PROFIBUS总线连接，构成以PROFIBUS总线电缆为通讯介质，以PROFIBUS总线接头为连接器、以PROFIBUS DP为数据通讯协议的PROFIBUS网络。
当前控制系统的趋势之一就是网络化，控制系统内部采用网络技术，控制系统与控制系统之间也通过网络连接，组成更大的系统，在实现这一过程中OPC技术发挥重要作用。在暖通自控系统中，我们积极运用OPC技术为系统通讯提供服务，通过以OPC Client、WinCC为客户端，以OPC Server、SIMATIC NET、PC ACCESS为服务器端的方式构成通讯接口，实现各控制器之间的数据通讯，同时为系统接入SIS奠定基础。
四、系统功能
1.控制中心数据采集功能：上位机将各可编程控制器中传出的数据信息直接采集，通过软件功能将信号以文字、图像、报表等方式形成人机界面。使操作人员通过此界面进行监控操作。
2.控制中心控制信号发送功能：控制信号由上位机经通讯模块送入各控制器，由控制器来实现各控制指令，完成对现场设备的各种操作。
3.控制中心监控及集中管理功能：在上位机的监控画面上点击相关控制设备均可对其进行控制，对相关参数及设备运行状态实现实时显示和历史记录并形成报表。
4.系统调节控制功能：根据夏季、冬季工况对送、回风温湿度的不同要求对送、回风调节阀进行调节控制。
5.系统联锁控制功能：互为备用屋顶式空调机组根据机组累计运行时间进行联锁切换控制；汽机房各屋顶风机根据B排柱区域室内温度（在汽机房运转层B排柱区域设置7个温度监测点，取其平均值）进行联锁启停控制；当消防控制系统发出火灾信号时，控制系统将停止该通风空调系统运行；室内排烟控制中事故排风机设有与排烟挡板联动控制功能，当消防控制系统发出某房间事故排风指令时，控制系统将打开相应房间排烟（排风）管上的全自动防火阀，相应房间事故排风机投入运行（其他系统设备均停止运行）。通过上述控制功能的实现，最终完成对整个系统的顺序、调节及联锁保护等控制。
五、项目运行效果
2006年5月该系统全面投入试运，7月与机组一起正式投入运行。在实际应用中,该系统运行效果良好，具有较高的自动化水平，实现了设计目标与要求，为机组的安全稳定运行提供了可靠保障，为2006年青岛大热网的建设奠定了良好基础。同时，该项目也获得了行业专家及用户的一致好评，认为值得进一步推广应用。
六、应用体会
本文讨论了基于西门子自动化系列产品的暖通自控系统的设计与实现，充分发挥了该系列产品配置灵活、控制可靠、编程方便及可现场调试的优点，为进一步提高整个系统可靠性我们选用了西门子相应的传感器及电动执行机构等现场设备，从而全面解决了相关系统接口及现场通讯问题。该系统在同类工业自动化控制系统中具有一定代表性，系统中多种通讯方式的综合应用对于进一步推广实践也具有一定参考价值。
