热电厂能源与动力管理信息系统开发与应用

2019-01-07，，

计算机测量与控制 2018年12期

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(杭州电子科技大学能量利用系统与自动化研究所，杭州 310018)

0 引言

能源与动力工程高效稳定的运行，对于提高工业生产的质量和效率，保障工业生产的顺利进行，具有重大意义。热电厂中能源与动力系统的应用更为广泛也更为重要，可以使得热电厂工作稳定，增加热电厂总体收益[1]。因此对热电厂中的动力运行系统研究并进行升级，可以使其应用水平有更大的提升。

热电厂能源与动力管理信息系统，主要用于采集与检测热电厂各工业现场众多数据包括压力、设备温度、液位、电流、视频等。针对目前热电厂控制室分散，许多重要数据没有实现采集，管理难度大，人力成本投入大等问题，本系统以西门子S7-1500 系列PLC为主控器，以Wincc组态软件为监控画面，实现了对热电厂动力运行设备温度、压力、电流等各项目标采集点的远程监控，调整了现有组织结构，建立起稳定高效的层级监控系统，可有效节省人力成本，减少管理难度[2]。

1 系统介绍

本管理信息系统主要由系统监控和现场数据采集设备(简称“数据采集设备”)、OPC服务器和数据库服务器、系统监控软件(Wincc)3个部分组成。目前热电厂动力运行管理系统包含7个子系统，其锅炉汽机运行管理系统、超低排放及污水站运行管理系统、原料及燃料供应运行管理系统、能源介质供应管理系统有完备的DCS系统。能源与动力管理信息系统通过OPC服务器，可以将Wincc与DCS系统中不同类别的组态软件进行通讯，实现Wincc对现有DCS系统中所需数据的采集[3]。

空压运行管理系统、除氧运行管理系统与配电运行管理系统没有建立相应完备的DCS系统，需要在现场部署传感器和西门子PLC(CPU 1515-2 PNCPU 1513-2 PN)来满足对数据的采集监控。由于各工业控制现场之间、现场与监控中心之间分布分散，通讯距离较远，数据在普通网线中进行传输时发生衰减，不能满足通讯要求。采用光导纤维进行网络的构建，能够保证数据的快速稳定传输[4]。监控中心主要是由Wincc实现对数据的接收、处理，包括人机界面的设计，报警功能，日志，历史数据的查询，如图1所示。

图1 管理信息系统网络拓扑图

2 系统的硬件设计

2.1 PLC的选型

热电厂能源与动力系统设备复杂，开关量与模拟量的的输入输出点为多达562个，厂房之间分布也比较分散。根据热电厂系统点位多，分布广的特点，采用西门子S7-1500 CPU 1515-2 PN作为主控制器，利用SIMATIC ET200SP建立分布式自动化系统。

德国西门子公司S7-1500系列PLC是一种通用型PLC，适用于自动化系统的各种应用场合，在生产制造过程中更是大放异彩。西门子PLC采取模块化，无风扇结构，编程指令丰富，处理速度极快，可以轻松实现分布式配置，易于用户操作[5]。还支持多种通讯协议，能够在工业现场配置高速稳定的通讯网络。其特点明显，优势突出，使得S7-1500在工控行业中应用极其广泛，成为既实际又经济的解决方案[5]。

系统中包括数字量的采集和模拟量的采集，选用8DI.DC 24V HF数字量输入模块与8AI，RTD/TC，2-wire HF模拟量输入模块。数字量的输入来自于对变压器高压侧与低压侧的断路检测，模拟量的检测针对于现场温度、压力、电流电压、流量等传感器的传输数据。S7-1500需要建立扩展机架，扩展机架接口模块选择IM155-6 DP高性能型，同时选择PM1507电源模块给从站供电。

2.2 通讯设计

2.2.1 系统通讯

本管理信息系统所选择CPU型号为 1513-2PN，1515-2 PN。CPU 1500系列具有主站功能，通过扩展西门子通讯模块CM1542-5，可以作为PROFIBUS-DP主站。作为DP主站时，通过扩展可利用PROFIBUS-DP总线连接500个DP从站，其强大的通讯能力，方便用于结构化编程。控制器模拟量、数字量输入输出的点位数与DP从站的数量，满足项目所需[6]。

系统中每个厂房中建立一个从站，从站由ET200SP建立。ET200MP与ET200SP都具有扩展从站的能力，但是各有其独特的优势和适用场合。根据其特点，方案可以直接采用ET200SP模块。ET200M更适合于高密度且复杂的自动化系统，适合与冗余系统一起使用。ET200SP可以扩展数字量输入模块，模拟量输入模块，还可以扩展CM PTP通讯模块，CM PTP通过MODBUS协议可以连接多台RS485设备。

CM PTP 485通讯模块连接485设备需要注意诸多问题，一个485通讯模块用于Modbus主站时的最大从站数量不能超过32，一个模块用一个轮询方式去访问自己带的从站[7]。建立Modbus主站去访问一定数量的Modbus从站，肯定存在一定时间的延时。为了将时间延时将至最小，保证系统通信的实时性，需要根据厂房布局图对Modbus主站负荷从站的数量进行合理布置分配。

图2 系统通信网络配置图

如图2所示，将厂区根据厂房分布分为若干区域，如A区域，…，N区域，C区域。每个区域包括几个厂房，并且分配一个S7-1500系列PLC作为一个主站，在每个厂房建立PROFIBUS-DP从站，通讯协议为PROFIBUS-DP协议。从站中IM155-6 DP高性能型接口模块可支持模块数量32个，可以连接通讯模块和信号模块，故可以通过通讯模块支持RS485设备，所用协议为MODBUS协议，通过信号模块支持现场传感器采集数据。从站分为二种：

1)F700变频器配置FR-A7NP通讯卡可作为DP从站。

2)ET200SP为S7 1500系列PLC的远程分布式IO，IM155-6为接口模块，可通过挂载AI/DI模块采集现场传感器数据，可通过挂载CMPTP RS485通讯模块与RS485设备通讯。

IO-controller控制器为CPU 1515-2PN，作为IO-controller，负责读取其余PLC控制器的数据。多台PLC经过交换机，由Wincc通过OPC读取CPU1515-2PN传输来的数据。针对于通信距离过长的问题，配置DP/光纤转换头，网口/光纤转换头，中间经过光纤传输。

PROFIBUS-DP现场总线作为通用的国际标准总线，具备国际化、开放式、不依赖设备生产商等特点，在传输中小量数据方面具有独到的优势。同时作为传输速率最快的的一种现场总线，在国际上变得最为流行[8]。

PROFIBUS-DP数据传输所用的数据结构为参数过程数据对象PPO。根据数据有无参数通道及过程通道数据字的多少分为5种类型[8]。如图3所示，图中一个方格代表一个字的长度。

图3 PPO数据模型

2.2.2 厂房具体通讯

依照整个厂房升级要求，需通过4个操控室建立起完备的监控系统，分别为非热电介质运行操控室，环保运行操控室，锅炉汽机运行操控室，配电运行操控室，每个操控室负责监控不同的运行系统。

根据厂房布局中各个厂房设备的分布情况与每个厂房的监测点位统计，可以规划出详细的设计方案。西门子建立的PROFIBUS-DP分布式系统具有一个主站与若干从站，从站要遵循就近围绕主站原则，达到更科学的分布情况。西门子S7-1500系列PLC理论上可以支持与32个Modbus从站设备进行通讯，但是在工厂实际运行中过多的Modbus设备会降低响应速度，故需要在厂区合理规划PLC控制器，达到PLC以最优性能负责一批采集点与通讯设备的效果。

通过以上分析现分为6个区域，分别由六块S7-1500系列PLC控制器来采集6个区域的数据，装配有PLC作为主站的厂房为第二炼胶房，104除氧站，105负七米，生活水泵房，循环水泵房，胎面水泵房，如表1所示。

表1 厂房区域划分图

其中氮气站通讯设计如图4所示。

图4 氮气站通讯设计图注：西门子 CPU 1513-2 PN为主控制器，通讯模块CM1542-5扩展其为主站。

氮气站中的压力值已经采集至控制室的仪表并能够进行有效的显示。管理信息系统对于氮气站压力值得处理可以不直接安装压力传感器而是采取从现成的仪表分信号的方式，电量信号隔离器可以实现从仪表中分出压力的电信号。对于电流的采集还是通过电流互感器。以上的数据传输至ET200SP从站，PLC可通过PROFIBUS-DP协议读取相关数据。

2.3 传感器的选择

热电厂动力设备运行车间温度、压力、电流检测最为关键。系统运行中稳定的数据，才能提供不间断的动力，保证产品的质量与安全。本系统采用的模拟量输入模块为8AI，RTD/TC，2-wire HF，温度传感器为四线制热电阻铠装WZP-231，精度高，热电阻铠装WZP-231不需要转化成标准电流信号或者电压信号，可以直接接入模拟量输入模块。为了保证信号的稳定性和抗干扰能力，对TRD的接地信号线进行零漂校正。在锅炉汽机运行管理系统等子系统中，需要保持压力的恒定，整个工艺流程才能顺利完成，选取压力传感器为两种：一种为日本横河公司的压差式压力变送器EJA430E，一种为美国GE公司的UNIK 5000，将压力信号变换为4～20 mA标准电流信号。两种压力传感器精度等级高，最高可至±0.04% FS BSL，满足系统对精确度的要求。为了完成对工作电流的采集，需要在一些控制柜里面安装电流互感器，将得到的标准电流接入DP从站扩展的AI模块中[8]。

3 上位机组态软件设计

热电厂能源与动力管理信息系统画面设计包括生产过程实时监控子系统、生产数据处理子系统、数据异常报警子系统。

3.1 生产过程实时监控子系统

上位机监控系统的主要功能就是对每个子系统生产车间的设备进行监控，在相应的控制室中通过Wincc组态画面可以直观地查看系统运行状态。对热电厂7个子系统进行分析并建立了组态画面，其中锅炉汽机运行管理系统界面如图5，图6所示。

图5 锅炉汽机运行管理系统—锅炉部分

图6 锅炉汽机运行管理系统—汽机部分

由图可知，锅炉汽机运行管理子系统锅炉房与汽机组的一次风机、二次风机、引风机、氨罐、稀释水罐、汽轮机组等的状态指示。水泵旁边指示灯的颜色表示水泵工作是否异常，绿色表示工作正常，红色表示工作异常。对每个水泵的工作电流和介质压力进行显示，由于水泵数量庞大，对其分布进行优化排列。画面中还添加总报警指示灯，当任何一个水泵与电机的电流或者介质压力处于非正常工作状态时，报警指示灯会发生闪烁，提醒操作人员发现问题，及时进行修理维护，防止工业事故产生。

3.2 数据处理子系统

西门子Wincc组态软件比较重要的一方面就是实现了数据采集和数据归档查询。管理信息系统数据处理子系统包括生产过程参数设置和数据查询归档。其中包括一些工艺参数的设置，方便管理人员对其进行修改管理，如介质压力、介质温度、罐体液位、环境温度、工作电流等参数。Wincc中使用变量管理器对变量进行高效的创建和管理，包括内部变量，外部变量，结构变量等。Wincc项目的运行通过通讯驱动的方式与现场自动化系统进行通信，而与工厂运行设备之间通过定义外部变量的方式进行数据传输。对于生产过程中工艺参数的记录，在橡胶厂轮胎制造中扮演重要的角色，对数据的有效利用可以极大优化生产线与提高产品质量。组态软件采用最新型号Wincc V7.4，其集成强大的Microsoft SQL Server 2014数据库，同时可以支持各类工业标准和通信协议[9]。

管理信息系统中对热电厂数据的归档，包括实时生产过程数据归档与报警记录的归档。需要在Wincc新建项目对话框中选择项目属性的“启动变量运行”与“启动变量记录运行”，相关数据会在项目文件目录中以数据库支持的.Mdf格式储存于Microsoft SQL Server。同时Wincc有内置的Wincc Online Table Control访问变量归档数据，Wincc Online Trend Control来访问报警归档数据，Wincc Online Archieve Control访问用户归档数据。Wincc V7.4 具有和Excel良好的交互性，可导出.CSV文件并直接在Excel中查看，便于用户进行过程数据查询与统计。

3.3 故障报警子系统

安全是热电厂进行生产的重中之重，各类子系统都有其稳定运行的条件，包括一定范围的温度、压力、水位等，为了能及时发现生产故障以及安全隐患，设计了故障报警子系统。锅炉汽机运行管理系统、原料及燃料供应运行管理系统、空压运行管理系统以及除氧运行管理系统中，各类水泵的出口压力与管道的介质压力过大、水泵工作电流不正常等情况都会引起严重的生产事故。故障报警子系统对各类子系统中水泵压力、轴向位移、工作电流、轴承温度等各类采集点进行报警设置，超出预设范围即出现醒目的报警提示，可添加硬件蜂鸣器产生报警声，提醒工作人员及时作出反应。报警数据在项目中进行了归档，有利于后期维护升级系统，提高了系统安全性[10]。

4 实验结果与分析

热电厂管理信息系统运行稳定，为测试Wincc监控系统中报警的及时有效性，在系统中模拟出现场有可能发生的超出报警范围的多种故障问题，如图7 所示，包括锅炉汽机运行管理系统中一次风机轴承温度大于80℃，锅炉给水平台中2#炉给水温度超出150～158℃的范围，原料及燃料供应运行管理系统中中间水泵的出口压力超出0.2～0.4 MPa的范围等，可以看到Wincc中报警系统及时的反映出了系统的故障，显示了详细的红色报警信息，并对报警记录进行了归档。当显示的报警故障得到解决的时候，报警记录会标记显示为绿色，并划掉之前的报警记录。热电厂管理信息系统可以准确采集现场数据，并且能够实现实时报警响应。