冗余系統(tǒng)在選礦集散控制中的應(yīng)用

張文剛

魯中礦業(yè)有限公司選礦廠，山東 萊蕪 271113

冗余系統(tǒng)在選礦集散控制中的應(yīng)用

張文剛

魯中礦業(yè)有限公司選礦廠，山東 萊蕪 271113

目前選礦廠自動(dòng)化控制多采用集散控制系統(tǒng)，利用S7-400H系統(tǒng)，組成工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的雙環(huán)以太網(wǎng)，上位機(jī)采用主/從結(jié)構(gòu)，CPU容錯(cuò)熱備，數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)采用熱備份，采用ET200M分布式I/O站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這個(gè)系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)，具有很高的安全可靠性。

冗余系統(tǒng)；Ethernet；PROFIBUS-DP；ET200M；IM153；Wincc

1、冗余系統(tǒng)的硬件

1.1 總體硬件配置

從圖1中可以看出，冗余系統(tǒng)所需硬件包括：

（1）2套S7-400HPLC控制器。

（2）3條通訊鏈路：主系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS 1）、備用系統(tǒng)與從站通訊鏈路（PROFIBUS 2）、主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步通訊鏈路（Ethernet）；

（3）若干個(gè)ET200M從站，每個(gè)從站包括2個(gè)IM153-2接口模塊和若干個(gè)I/O模塊。

（4）除此之外，還需要一些相關(guān)的附件，用于編程和上位機(jī)監(jiān)控的PC-Adapter（連接在計(jì)算機(jī)串口）或CP5611（插在主板上的PCI槽上）或CP5511（插在筆記本的PCMIA槽里）、PROFIBUS電纜、PROFIBUS總線鏈接器以及工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)等。

圖2 S7-400H基本硬件配置圖

圖3 CPU400H硬件組態(tài)圖

系統(tǒng)是由兩套獨(dú)立S7-400H PLC系統(tǒng)組成，冗余系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)：主機(jī)架電源、背板總線等冗余、PLC處理器冗余；PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)冗余（包括通訊接口、總線接頭、總線電纜的冗余）；ET200M站的通訊接口模塊IM153-2冗余。冗余系統(tǒng)由A和B兩套PLC控制系統(tǒng)組成。開始時(shí)，A系統(tǒng)為主，B系統(tǒng)為備用，當(dāng)主系統(tǒng)A中的任何一個(gè)組件出錯(cuò)，控制任務(wù)會(huì)自動(dòng)切換到備用系統(tǒng)B當(dāng)中執(zhí)行，這時(shí)，B系統(tǒng)為主，A系統(tǒng)為備用，這種切換過(guò)程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。通過(guò)軟件冗余，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，即使沒有任何組件出錯(cuò)，操作人員也可以通過(guò)設(shè)定控制字，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)的主備系統(tǒng)切換，這種手動(dòng)切換過(guò)程，對(duì)于控制系統(tǒng)的軟硬件調(diào)整，更換，擴(kuò)容非常有用。

1.2 主站（S7-400H）基本硬件配置（圖2）

核心是2塊CPU,安裝在UR2H機(jī)架中，構(gòu)成2個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)含有9個(gè)槽。電源模板的額定輸入電壓可以是24V DC 也可以是120/230V AC 輸出電流為10A ，若要加強(qiáng)供電能力每個(gè)子系統(tǒng)也可以采用冗余供電方式在這種情況下需使用PS 40710AR 電源模板其額定電壓為120/230V AC 輸出功率的電流為10A。用4個(gè)同步化子模板連接兩個(gè)中央處理器，它們已放置在中央處理器內(nèi)部（每個(gè)CPU 內(nèi)需配置2塊同步子模板）并由光纜完成互連任務(wù)。光纜用在同步子模板內(nèi)，用它完成2個(gè)中央處理器之間的物理連接（冗余鏈接方式）。

1.3 通訊鏈路

通訊鏈路由Ethernet、MPI、PROFIBUS組成。Ethernet實(shí)現(xiàn)主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，MPI實(shí)現(xiàn)多臺(tái)PLC之間通訊，PROFIBUS實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程I/O之間的通訊。

從圖3中可以看出UR2H有2套獨(dú)立的CPU,有2條PROFIBUS總線與ET200M連接，構(gòu)成冗余。下面圖4為網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖。

圖4 CPU400H冗余網(wǎng)絡(luò)組態(tài)圖

1.4 ET200M從站

圖5 單通道切換式I/□工作原理圖

現(xiàn)場(chǎng)控制站的ET200M分布式I/O站通過(guò)Profbus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線與S7-400H中央控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，它主要功能是:采集現(xiàn)場(chǎng)I/O信號(hào)，通過(guò)ET200M的I/O信號(hào)接口模塊將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量或模擬量信號(hào)傳送到中央控制站，同時(shí)將中央控制器發(fā)送來(lái)的控制信號(hào)送至現(xiàn)場(chǎng)。I/O采用單通道切換式，其原理圖見圖5。污水源熱泵和土壤（巖土層）源熱泵等多種，本文所討論的是最后一種，它與前面幾種不同點(diǎn)在于前面幾種均為“一端利用”，另“一端排空”，而只有本文闡述的熱泵是“兩端利用”的，空調(diào)季供冷，將空調(diào)區(qū)域余熱通過(guò)埋管換熱器儲(chǔ)于埋管區(qū)域巖土層中，冬季供熱，則將埋管區(qū)域巖土層內(nèi)蓄積的熱量抽吸出，以滿足供熱區(qū)域要求，這種方式與前幾種相比，不會(huì)產(chǎn)生“熱島效應(yīng)”、環(huán)境水體生態(tài)影響和地下水開采地質(zhì)影響等后果，不良環(huán)境影響很小，同時(shí)又是一種可再生能源開發(fā)利用的好方式。

2.2 節(jié)能效果評(píng)價(jià)

在供冷工況下，在由電能為動(dòng)力的壓縮機(jī)性能相當(dāng)條件下，豎直埋管地源熱泵與水冷冷水機(jī)組供冷相比，其能耗相當(dāng)，甚至相對(duì)較低，比風(fēng)冷冷水機(jī)組明顯節(jié)能。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料分析，在供熱工況下，其節(jié)能效果明顯。

當(dāng)前我國(guó)電力仍以燃煤火力發(fā)電為主，電站效率只有30%～38%，考慮輸配電損失，效率更低。考察供熱方案的能源利用率，可以采用一次能利用率（PER: Primary Energy Rate）作為指標(biāo)，即所得熱能與一次能源消耗之比，即PER等于熱泵性能系數(shù)coph與供電效率的乘積，見表1。

表1 各種供熱方式一次能源利用率

高效發(fā)電指天津?yàn)I海新區(qū)在建的北疆電廠，其發(fā)電煤耗為269g/kwh，供電煤耗288g/kwh，發(fā)電效率45.6%，且全年熱電聯(lián)產(chǎn)，年產(chǎn)淡水6570萬(wàn)噸，副產(chǎn)原鹽50萬(wàn)噸，節(jié)約鹽場(chǎng)用地22(km）2,利用粉煤灰加廢電石灰制150×104m3/a墻體材料。

2.3 進(jìn)一步提高能效的措施與展望

如在地埋管換熱器系統(tǒng)與建筑物內(nèi)系統(tǒng)間設(shè)一條連通管，在進(jìn)入空調(diào)季初始階段，不開啟壓縮機(jī)，利用地源換熱器儲(chǔ)存的冷量，補(bǔ)償室內(nèi)空調(diào)冷負(fù)荷；在進(jìn)入采暖季初始階段，不開壓縮機(jī)，利用地源儲(chǔ)存的熱量，補(bǔ)償室內(nèi)采暖熱負(fù)荷，有利降低能耗。

選擇性能適宜且變頻性能良好的壓縮機(jī)，不但保障系統(tǒng)平穩(wěn)可靠運(yùn)行，且會(huì)獲得明顯節(jié)能效果。

完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置非常必要。為積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，有利及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行性能，應(yīng)考慮在自控系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置完善的數(shù)據(jù)記錄裝置。

現(xiàn)有資料表明，進(jìn)一步改善和提高包括工質(zhì)在內(nèi)的先進(jìn)熱泵機(jī)組研發(fā)備受關(guān)注，今后還會(huì)有更為高效節(jié)能的熱泵機(jī)組進(jìn)入市場(chǎng)。這將會(huì)推動(dòng)地源熱泵發(fā)展，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“節(jié)能減排”發(fā)揮重要的作用。

3.建筑物內(nèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在高大的工業(yè)廠房?jī)?nèi)，應(yīng)用地埋管地源熱泵，實(shí)踐說(shuō)明是適宜的，這是因?yàn)椋?/p>

（1）由于豎直埋管換熱器通常埋深為地下2.5m以下，其占地面積僅為供冷（熱）面積的15%左右，在廠區(qū)內(nèi)除重載（＞10t）車道以外的區(qū)域內(nèi)，選擇適宜位置通常并不困難。因埋管較深，對(duì)其上開辟?gòu)S區(qū)綠地，輕載道路，以及露天或半露天庫(kù)房等，通常沒有妨礙。

（2）經(jīng)多年探索研究，我院提出的“高大工業(yè)廠房集中送風(fēng)空調(diào)”技術(shù)，經(jīng)工程實(shí)踐證明是成功的。這項(xiàng)技術(shù)的核心概念為：鑒于空氣為含熱量很低的物質(zhì)，為節(jié)能不宜處理后遠(yuǎn)距離輸送，宜在空調(diào)空間現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其冷卻或加熱，以補(bǔ)償相應(yīng)負(fù)荷量；在工業(yè)廠房高大空間內(nèi)，以較少空氣流量和較小能耗，在工作地帶形成一個(gè)均勻而穩(wěn)定的空氣流場(chǎng)是達(dá)到空調(diào)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵。

高大工業(yè)廠房集中送風(fēng)空調(diào)的關(guān)鍵設(shè)備為已研發(fā)推向市場(chǎng)多年的“集中送風(fēng)空調(diào)冷暖機(jī)組”，該機(jī)組空調(diào)季冷媒溫度為7～12℃，采暖季熱媒溫度為60～40℃，實(shí)踐說(shuō)明，這樣的溫度要求與豎直埋管地源熱泵在其性能系數(shù)cop≥4.0的條件下，是完全可以滿足的，因此，高大工業(yè)廠房集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，選擇豎直埋管熱泵系統(tǒng)供冷或供熱是適宜的，也是有廣泛應(yīng)用前景的。

4.工程實(shí)例

約翰·克蘭科技（天津）有限公司是

一家生產(chǎn)高壓密封件的外資企業(yè)，地處本市華苑產(chǎn)業(yè)園區(qū)，2008年新建廠房和辦公樓等共4200m2，空調(diào)冷負(fù)荷717kw，熱負(fù)荷503kw，另有部分熱水供應(yīng)熱負(fù)荷，空調(diào)冷媒溫度7～12℃，熱媒溫度50～40℃，采用豎直埋管地源熱泵系統(tǒng)供冷、供熱。設(shè)計(jì)方案和數(shù)據(jù)如下：

埋管豎井130口，井深100m，選擇雙U型PE32管；

熱泵機(jī)組采用2臺(tái)430kw螺桿熱泵機(jī)組和1臺(tái)50kw模塊熱泵機(jī)組；車間采用集中送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，辦公樓為帶熱回收裝置新風(fēng)機(jī)加風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，且按劃分內(nèi)外區(qū)方式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以保障空調(diào)環(huán)境的舒適性。

該工程地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)經(jīng)三年運(yùn)行證明，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，廠房及辦公樓夏季室內(nèi)溫度為26℃，冬季20℃，更衣室、淋浴室冬季溫度≥25℃，生產(chǎn)廠房?jī)?nèi)質(zhì)量控制室全年溫度16～24℃。

[1]趙軍 戴傳山主編.地源熱泵技術(shù)與建筑節(jié)能應(yīng)用.中國(guó)建筑工業(yè)出版社 ,2007年9月第一版

[2]陸耀慶主編.《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)》第二版 .中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008年5月出版

[3]劉俊松, 沈禹, 劉炳南, 康建華 ,張宗義.高大廠房的集中送風(fēng)空調(diào).工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究機(jī)械工業(yè)第五設(shè)計(jì)研究院出版, 2006年第二期

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.071