熱電廠能源與動力管理信息系統開發與應用

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(杭州電子科技大學 能量利用系統與自動化研究所，杭州 310018)

0 引言

能源與動力工程高效穩定的運行，對于提高工業生產的質量和效率，保障工業生產的順利進行，具有重大意義。熱電廠中能源與動力系統的應用更為廣泛也更為重要，可以使得熱電廠工作穩定，增加熱電廠總體收益[1]。因此對熱電廠中的動力運行系統研究并進行升級，可以使其應用水平有更大的提升。

熱電廠能源與動力管理信息系統，主要用于采集與檢測熱電廠各工業現場眾多數據包括壓力、設備溫度、液位、電流、視頻等。針對目前熱電廠控制室分散，許多重要數據沒有實現采集，管理難度大，人力成本投入大等問題，本系統以西門子S7-1500 系列PLC為主控器，以Wincc組態軟件為監控畫面，實現了對熱電廠動力運行設備溫度、壓力、電流等各項目標采集點的遠程監控，調整了現有組織結構，建立起穩定高效的層級監控系統，可有效節省人力成本，減少管理難度[2]。

1 系統介紹

本管理信息系統主要由系統監控和現場數據采集設備(簡稱“數據采集設備”)、OPC服務器和數據庫服務器、系統監控軟件(Wincc)3個部分組成。目前熱電廠動力運行管理系統包含7個子系統，其鍋爐汽機運行管理系統、超低排放及污水站運行管理系統、原料及燃料供應運行管理系統、能源介質供應管理系統有完備的DCS系統。能源與動力管理信息系統通過OPC服務器，可以將Wincc與DCS系統中不同類別的組態軟件進行通訊，實現Wincc對現有DCS系統中所需數據的采集[3]。

空壓運行管理系統、除氧運行管理系統與配電運行管理系統沒有建立相應完備的DCS系統，需要在現場部署傳感器和西門子PLC(CPU 1515-2 PNCPU 1513-2 PN)來滿足對數據的采集監控。由于各工業控制現場之間、現場與監控中心之間分布分散，通訊距離較遠，數據在普通網線中進行傳輸時發生衰減，不能滿足通訊要求。采用光導纖維進行網絡的構建，能夠保證數據的快速穩定傳輸[4]。監控中心主要是由Wincc實現對數據的接收、處理，包括人機界面的設計，報警功能，日志，歷史數據的查詢，如圖1所示。

圖1 管理信息系統網絡拓撲圖

2 系統的硬件設計

2.1 PLC的選型

熱電廠能源與動力系統設備復雜，開關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。根據熱電廠系統點位多，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。

德國西門子公司S7-1500系列PLC是一種通用型PLC，適用于自動化系統的各種應用場合，在生產制造過程中更是大放異彩。西門子PLC采取模塊化，無風扇結構，編程指令豐富，處理速度極快，可以輕松實現分布式配置，易于用戶操作[5]。還支持多種通訊協議，能夠在工業現場配置高速穩定的通訊網絡。其特點明顯，優勢突出，使得S7-1500在工控行業中應用極其廣泛，成為既實際又經濟的解決方案[5]。

系統中包括數字量的采集和模擬量的采集，選用8DI.DC 24V HF數字量輸入模塊與8AI，RTD/TC，2-wire HF模擬量輸入模塊。數字量的輸入來自于對變壓器高壓側與低壓側的斷路檢測，模擬量的檢測針對于現場溫度、壓力、電流電壓、流量等傳感器的傳輸數據。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 通訊設計

2.2.1 系統通訊

本管理信息系統所選擇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，方便用于結構化編程。控制器模擬量、數字量輸入輸出的點位數與DP從站的數量，滿足項目所需[6]。

系統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勢和適用場合。根據其特點，方案可以直接采用ET200SP模塊。ET200M更適合于高密度且復雜的自動化系統，適合與冗余系統一起使用。ET200SP可以擴展數字量輸入模塊，模擬量輸入模塊，還可以擴展CM PTP通訊模塊，CM PTP通過MODBUS協議可以連接多臺RS485設備。

CM PTP 485通訊模塊連接485設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，保證系統通信的實時性，需要根據廠房布局圖對Modbus主站負荷從站的數量進行合理布置分配。

圖2 系統通信網絡配置圖

如圖2所示，將廠區根據廠房分布分為若干區域，如A區域，…，N區域，C區域。每個區域包括幾個廠房，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，通訊協議為PROFIBUS-DP協議。從站中IM155-6 DP高性能型接口模塊可支持模塊數量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設備，所用協議為MODBUS協議，通過信號模塊支持現場傳感器采集數據。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模塊采集現場傳感器數據，可通過掛載CMPTP RS485通訊模塊與RS485設備通訊。

IO-controller控制器為CPU 1515-2PN，作為IO-controller，負責讀取其余PLC控制器的數據。多臺PLC經過交換機，由Wincc通過OPC讀取CPU1515-2PN傳輸來的數據。針對于通信距離過長的問題，配置DP/光纖轉換頭，網口/光纖轉換頭，中間經過光纖傳輸。

PROFIBUS-DP現場總線作為通用的國際標準總線，具備國際化、開放式、不依賴設備生產商等特點，在傳輸中小量數據方面具有獨到的優勢。同時作為傳輸速率最快的的一種現場總線，在國際上變得最為流行[8]。

PROFIBUS-DP數據傳輸所用的數據結構為參數過程數據對象PPO。根據數據有無參數通道及過程通道數據字的多少分為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數據模型

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控系統，分別為非熱電介質運行操控室，環保運行操控室，鍋爐汽機運行操控室，配電運行操控室，每個操控室負責監控不同的運行系統。

根據廠房布局中各個廠房設備的分布情況與每個廠房的監測點位統計，可以規劃出詳細的設計方案。西門子建立的PROFIBUS-DP分布式系統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從站設備進行通訊，但是在工廠實際運行中過多的Modbus設備會降低響應速度，故需要在廠區合理規劃PLC控制器，達到PLC以最優性能負責一批采集點與通訊設備的效果。

通過以上分析現分為6個區域，分別由六塊S7-1500系列PLC控制器來采集6個區域的數據，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，循環水泵房，胎面水泵房，如表1所示。

表1 廠房區域劃分圖

其中氮氣站通訊設計如圖4所示。

圖4 氮氣站通訊設計圖注：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成的儀表分信號的方式，電量信號隔離器可以實現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。以上的數據傳輸至ET200SP從站，PLC可通過PROFIBUS-DP協議讀取相關數據。

2.3 傳感器的選擇

熱電廠動力設備運行車間溫度、壓力、電流檢測最為關鍵。系統運行中穩定的數據，才能提供不間斷的動力，保證產品的質量與安全。本系統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等子系統中，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 上位機組態軟件設計

熱電廠能源與動力管理信息系統畫面設計包括生產過程實時監控子系統、生產數據處理子系統、數據異常報警子系統。

3.1 生產過程實時監控子系統

上位機監控系統的主要功能就是對每個子系統生產車間的設備進行監控，在相應的控制室中通過Wincc組態畫面可以直觀地查看系統運行狀態。對熱電廠7個子系統進行分析并建立了組態畫面，其中鍋爐汽機運行管理系統界面如圖5，圖6所示。

圖5 鍋爐汽機運行管理系統—鍋爐部分

圖6 鍋爐汽機運行管理系統—汽機部分

由圖可知，鍋爐汽機運行管理子系統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壓力進行顯示，由于水泵數量龐大，對其分布進行優化排列。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壓力處于非正常工作狀態時，報警指示燈會發生閃爍，提醒操作人員發現問題，及時進行修理維護，防止工業事故產生。

3.2 數據處理子系統

西門子Wincc組態軟件比較重要的一方面就是實現了數據采集和數據歸檔查詢。管理信息系統數據處理子系統包括生產過程參數設置和數據查詢歸檔。其中包括一些工藝參數的設置，方便管理人員對其進行修改管理，如介質壓力、介質溫度、罐體液位、環境溫度、工作電流等參數。Wincc中使用變量管理器對變量進行高效的創建和管理，包括內部變量，外部變量，結構變量等。Wincc項目的運行通過通訊驅動的方式與現場自動化系統進行通信，而與工廠運行設備之間通過定義外部變量的方式進行數據傳輸。對于生產過程中工藝參數的記錄，在橡膠廠輪胎制造中扮演重要的角色，對數據的有效利用可以極大優化生產線與提高產品質量。組態軟件采用最新型號Wincc V7.4，其集成強大的Microsoft SQL Server 2014數據庫，同時可以支持各類工業標準和通信協議[9]。

管理信息系統中對熱電廠數據的歸檔，包括實時生產過程數據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”，相關數據會在項目文件目錄中以數據庫支持的.Mdf格式儲存于Microsoft SQL Server。同時Wincc有內置的Wincc Online Table Control訪問變量歸檔數據，Wincc Online Trend Control來訪問報警歸檔數據，Wincc Online Archieve Control訪問用戶歸檔數據。Wincc V7.4 具有和Excel良好的交互性，可導出.CSV文件并直接在Excel中查看，便于用戶進行過程數據查詢與統計。

3.3 故障報警子系統

安全是熱電廠進行生產的重中之重，各類子系統都有其穩定運行的條件，包括一定范圍的溫度、壓力、水位等，為了能及時發現生產故障以及安全隱患，設計了故障報警子系統。鍋爐汽機運行管理系統、原料及燃料供應運行管理系統、空壓運行管理系統以及除氧運行管理系統中，各類水泵的出口壓力與管道的介質壓力過大、水泵工作電流不正常等情況都會引起嚴重的生產事故。故障報警子系統對各類子系統中水泵壓力、軸向位移、工作電流、軸承溫度等各類采集點進行報警設置，超出預設范圍即出現醒目的報警提示，可添加硬件蜂鳴器產生報警聲，提醒工作人員及時作出反應。報警數據在項目中進行了歸檔，有利于后期維護升級系統，提高了系統安全性[10]。

4 實驗結果與分析

熱電廠管理信息系統運行穩定，為測試Wincc監控系統中報警的及時有效性，在系統中模擬出現場有可能發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，原料及燃料供應運行管理系統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中報警系統及時的反映出了系統的故障，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可以準確采集現場數據，并且能夠實現實時報警響應。

圖7 熱電廠管理信息系統故障報警系統

5 結束語

西門子系列PLC與Wincc已經發展為工控領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，應用十分廣泛。本文介紹了熱電廠能源與動力管理信息系統的實現方法，利用西門子1500系列PLC實現數據的采集與傳輸，用Wincc實現上位機界面的監控，數據歸檔，故障報警，實現了管理信息系統的搭建。

在通信設計方面，同時用到PROFIBUS-DP總線-分布式通信協議與TCP/IP通信協議，為了實現數據在總站與各分站之間的穩定可靠傳輸，通訊線路采用光纖通訊與OPC驅動通訊結合的方式。PROFIBUS-DP通訊在系統的應用中穩定高效，在分布式自動化系統中發展前景良好。