大型車用燃?xì)庹託夤こ套詣踊瘧?yīng)用案例研究

摘要：文章以某大型車用燃?xì)庹託夤こ痰淖詣踊到y(tǒng)為例進(jìn)行研究，詳細(xì)闡述了西門子PLC控制系統(tǒng)S7-300在沼氣工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對系統(tǒng)概況作了簡要分析。

關(guān)鍵詞：沼氣工程；PLC；西門子S7-300；大型車用燃?xì)庹託猓籔ID控制

中圖分類號：U464 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）16-0040-03

1 概述

當(dāng)前，國內(nèi)大中型沼氣工程的自動化應(yīng)用水平仍比較低，依舊采用傳統(tǒng)繼電器方式控制，在工業(yè)計算機(jī)普遍應(yīng)用的今天看，這類控制方式顯得比較落伍，其自動化水平也較低，仍有大量工作需人工干預(yù)處理，而且系統(tǒng)時效性很差，已不符合時代發(fā)展要求。

為解決上述問題，某公司設(shè)計的大型車用燃?xì)庹託夤こ汤梦鏖T子S7-300可編程控制器實(shí)現(xiàn)各工藝單元的自動化控制，如在進(jìn)料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)等工藝單元分別設(shè)立了PLC控制主站，所有控制主站以工業(yè)以太網(wǎng)方式組成冗余環(huán)網(wǎng)連接，通過中心控制室上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)的統(tǒng)一管理。

2 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測，分散控制”的設(shè)計原則，在進(jìn)料系統(tǒng)、發(fā)酵系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)各設(shè)立了一個西門子S7-300控制主站。另外，在消防單元、壓縮單元又分別設(shè)立了一個西門子S7-200控制從站，通過Profibus總線與S7-300控制主站建立通訊連接。所有控制主站以工業(yè)以太網(wǎng)方式組成冗余環(huán)網(wǎng)連接，在中心控制室設(shè)立上位監(jiān)控機(jī)，通過它可以對各控制站點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一操作和管理，實(shí)現(xiàn)對沼氣工程的工藝參數(shù)、電氣參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)等實(shí)時監(jiān)測和設(shè)備操作控制，各控制主站之間相互獨(dú)立運(yùn)行，彼此互不影響。

在上位機(jī)建立Web站點(diǎn)，通過WebNavigator軟件實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控畫面的遠(yuǎn)程發(fā)布功能，系統(tǒng)授權(quán)后的相關(guān)人員可以通過互聯(lián)網(wǎng)在工廠之外的其它地方實(shí)時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備，同時該系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了手機(jī)短信提示功能。

系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示：

2.2 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)包括2個操作員站，其中1個作為工程師站，4個控制主站及2個從站。操作員站設(shè)立在中控室，4個控制主站和2個從站分布在現(xiàn)場。各控制主站之間關(guān)系對等，主戰(zhàn)和從站之間遵循主從通信結(jié)構(gòu)模式。

2.3 系統(tǒng)通訊

控制主站與操作員站之間采用冗余的雙重化總線連接，即采用10/100Mbps自適應(yīng)的工業(yè)以太網(wǎng)連接，通訊介質(zhì)為單膜光纖，各站點(diǎn)間的通信接口均采用了西門子的以太網(wǎng)光纖收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳輸遵循TCP/IP和UDP/CP協(xié)議。

控制主站與從站之間采用Profibus總線連接，主從站間通過DP200-J01/232轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議為Profibus－DP。

3 系統(tǒng)實(shí)施

3.1 系統(tǒng)編程

西門子PLC控制系統(tǒng)S7－300由step7 V5.5、WINCC6.2及WebNavigator 6.2三部分組成，它是硬件、程序軟件和監(jiān)控軟件的有機(jī)結(jié)合體。系統(tǒng)具有豐富的控制、顯示、操作、記錄存儲、報表打印等功能。程序文件包括畫面組態(tài)、I/O點(diǎn)配置、控制程序編程等。西門子step7 V5.5支持LAD（梯形圖）編程，用戶可以能夠使用程序流程控制元素靈活地編寫梯形圖程序。

3.2 控制方式

分布在現(xiàn)場的PLC控制主站和從站直接采集現(xiàn)場設(shè)備信號，然后通過工業(yè)以太網(wǎng)與中控室上位監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)可劃分為三層管理：管理層（中控室）、控制層（PLC主從站）、現(xiàn)場設(shè)備層。

3.2.1 管理層（中控室）

管理層位于系統(tǒng)鏈路的最頂部，主要是對沼氣工程各工藝單元的控制站進(jìn)行統(tǒng)一管理和操作，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，管理層是整個控制系統(tǒng)對外信息交換的窗口。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，采用了客戶端/服務(wù)器（Client/Server）的C/S架構(gòu)模式。客戶端通過互聯(lián)網(wǎng)可以遠(yuǎn)程訪問到中控室的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)在控制室同樣的各種監(jiān)視和操作功能。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，生產(chǎn)管理人員可在辦公室或其它地方實(shí)時監(jiān)視工廠的設(shè)備運(yùn)行狀況。

中控室設(shè)操作平臺，包括兩臺上位機(jī)，其中一臺作為工程師站，用于系統(tǒng)編程、畫面編輯、數(shù)據(jù)存儲等。

3.2.2 控制層（PLC主從站）

控制層位于系統(tǒng)鏈路的中間位置，實(shí)現(xiàn)管理層與現(xiàn)場設(shè)備層之間的數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換，并對沼氣生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時控制，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)。因此，控制層采用西門子公司PLC控制系統(tǒng)的S7-300和S7-200，其主要功能是接受管理層設(shè)置的參數(shù)或命令，實(shí)時控制整個沼氣生產(chǎn)過程，同時將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾韺印?/p>

控制層要求具有高穩(wěn)定性和可靠性，因此，本系統(tǒng)4個控制主站均選用了S7-315 CPU模塊，從站選用了S7-224 CPU模塊。各主站點(diǎn)間通過高速工業(yè)以太網(wǎng)與管理層上位機(jī)進(jìn)行通信。另外，S7-315 CPU模塊作為S7-224的控制主站，與從站間通過PROFIBUS-DP總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

控制層接受管理層的命令，但并不依賴于管理層而運(yùn)行，若管理層上位機(jī)出現(xiàn)故障或未投入使用，現(xiàn)場各控制主站和從站仍可獨(dú)立運(yùn)行，對整個工廠生產(chǎn)環(huán)節(jié)不產(chǎn)生影響。

3.2.3 現(xiàn)場設(shè)備層

現(xiàn)場設(shè)備層位于系統(tǒng)鏈路的最下面，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)。現(xiàn)場設(shè)備層主要由檢測儀表（如液位計、壓力計、流量計等）、分析儀表（沼氣分析儀、調(diào)配池濃度計）、電氣設(shè)備及控制裝置等組成。其功能主要是對沼氣工程的工藝參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并把采集到的數(shù)據(jù)上傳到控制層，同時接受來自控制層的指令，并按指令要求對電氣設(shè)備和控制裝置進(jìn)行控制。

現(xiàn)場設(shè)有就地控制箱，可以實(shí)現(xiàn)就地設(shè)備的硬手動操作控制，方便檢修人員維護(hù)設(shè)備，處理應(yīng)急情況。

4 控制策略

車用燃?xì)庹託夤こ炭刂七^程較為復(fù)雜，大體歸類以下，主要有以下控制策略：

4.1 PID控制

厭氧發(fā)酵需要在恒定的溫度下進(jìn)行，工藝要求CSTR反應(yīng)罐的溫度（35℃）恒定。現(xiàn)通過PID調(diào)節(jié)控制，保持其溫度恒定。

PID原理圖如圖2所示：

4.2 聯(lián)鎖保護(hù)控制

系統(tǒng)在故障報警（如泵、攪拌機(jī)、壓縮機(jī)等設(shè)備）或超限報警時（如預(yù)處理池液位、高壓貯氣柜壓力和CSTR反應(yīng)罐溫度等），聯(lián)鎖啟停相關(guān)設(shè)備，自動保護(hù)相關(guān)裝置的安全運(yùn)行。

4.3 常規(guī)控制

手動方式：手動控制設(shè)備的啟停；自動方式：遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟停，故障時自動切換。

5 系統(tǒng)功能

5.1 顯示功能

系統(tǒng)具有多窗口的總貌圖、分單元圖、光字牌、報警記錄、實(shí)時趨勢、歷史趨勢、數(shù)據(jù)報表、系統(tǒng)簡介等各種監(jiān)視畫面，所有工藝參數(shù)值和設(shè)備狀態(tài)均可在相關(guān)畫面上顯示。畫面之間相互切換2秒內(nèi)完成，任何人工操作指令均可在1秒或更短的時間內(nèi)被執(zhí)行。

5.2 保護(hù)功能

按安全等級劃分，系統(tǒng)可設(shè)定操作員和系統(tǒng)員口令，以實(shí)現(xiàn)不同的控制功能要求。在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，屏蔽所有Windows快捷鍵，鎖定系統(tǒng)防止其自由進(jìn)退，系統(tǒng)重新上電后可自動恢復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。控制室內(nèi)有2臺上位機(jī)，對此設(shè)定不同的優(yōu)先級以保證控制室內(nèi)操作站與現(xiàn)場同時操作的安全性。

5.3 數(shù)據(jù)存儲

對所有采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)按客戶需求設(shè)定存取間隙和存取方式，方便用戶查看設(shè)備當(dāng)前或歷史狀態(tài)。

5.4 事件記錄及打印

數(shù)據(jù)記錄包括交接班記錄、日報和月報。對交接班記錄和日報，系統(tǒng)按小時間隔記錄，可提供150個預(yù)選參變量的記錄。月報，系統(tǒng)按天間隔記錄，可提供150個預(yù)選參變量的記錄。所有記錄可以按天、月設(shè)置為自動打印，也可以根據(jù)操作人員指令即時打印。所有報表格均可以EXCEL方式導(dǎo)出，方便非系統(tǒng)用戶查看和打印。

系統(tǒng)記錄操作人員在中控室進(jìn)行的所有操作指令和精確時間，通過查看操作記錄可便于分析操作人員的操作目的，分析事故原因。

5.5 數(shù)據(jù)傳輸與通訊

在其中一臺操作員站上生成的監(jiān)控畫面、控制程序等，均可通過網(wǎng)絡(luò)加載到另一臺操作員站。PLC控制程序的組態(tài)和修改可在上位機(jī)上進(jìn)行，并通過網(wǎng)絡(luò)下載到各PLC控制主站，也可以在任何一臺操作員站上上載系統(tǒng)內(nèi)任一PLC控制站的用戶程序。此外，當(dāng)新用戶程序被CPU確認(rèn)后，系統(tǒng)能自動地刷新其寄存器，并同步保存到EEPROM存儲

卡中。

5.6 操作功能

系統(tǒng)采用自控、遠(yuǎn)方、就地相結(jié)合的組合控制方式。對于電動閥、攪拌機(jī)、泵、風(fēng)機(jī)等電氣設(shè)備，既可以選擇在控制室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)方操作模式外，也可以選擇通過現(xiàn)場控制箱或防暴接線柱（防爆按鈕盒）就地操作模式。

系統(tǒng)控制可劃分為手/自動、禁操、鍵操及就地硬手動5種操作方式。在硬手動方式下啟停電動機(jī)、開關(guān)閥門及其它設(shè)備時，中控室應(yīng)提供操作指導(dǎo)，如當(dāng)前處于自動模式，應(yīng)先切除自動，以確保設(shè)備安全操作。

6 結(jié)語

該車用燃?xì)庹託夤こ踢x用了西門子PLC可編程控制器設(shè)計方式，解決了常規(guī)繼電器控制下產(chǎn)生的一系列問題，大大提高了沼氣工程的自動化水平，同時降低了運(yùn)行成本，提高了生產(chǎn)效率，還可有效預(yù)防安全事故的發(fā)生，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

[1] 吳云峰．LK在沼氣發(fā)電控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．可編程控制器與工廠自動化，2009，（10）．

[2] 顧站松．可編程控制器原理與應(yīng)用[M]．國防工業(yè)出版

社，1996．

[3] 田苗，王海闊．沼氣工程的自動化應(yīng)用——昌平區(qū)東新城村沼氣集中供氣工程PLC模式[J]．中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2008，（9）．

[4] S7-300 可編程控制器系統(tǒng)手冊．SIMENS Co，Ltd，2000．

作者簡介：尹傳斌（1978-），男，山東臨朐人，青島天人環(huán)境股份有限公司工程師，研究方向：新能源智能控制。

（責(zé)任編輯：劉艷）