西门子S7-400PLC在高温水首站自动控制中的应用

西门子S7-400PLC在高温水首站自动控制中的应用

白树雷

（山东省济宁市东郊热电有限责任公司山东济宁272000）

摘要:本文详细的阐述了西门子S7-400PLC在高温水首站自动控制中的应用，基予工业以太网通讯技术和控制技术，构建控制系统，保证首站各个工艺设备安全可靠运行。

关键字:高温水首站；自动控制；西门子S7-400WINCC

1概述

随着计算机技术和控制技术不断的发展，国家对城市集中供热品质和自动化控制水平也提出较高的要求。由于高温水首站换热装置和工艺参数比较复杂的，首站热力参数的控制装置性能，直接影响到城区集中供热的稳定性和安全性。现在先将高温水首站做一简单介绍;首站是指把来自电厂发电机组的工业抽汽或机组排汽，通过温度调节阀控制进入换热器，蒸汽冷凝放出热量加热换热器管束，将工质加热到70-130°C之间。高温水通过大功率循环泵加压供给热网，进入其它各个子换热站进一步换热，二级换热站的回水汇总，进入高温水回水管道，又通过除污器回到凝汽器再次加热，再回到循环泵入口。

2控制系统设计目的

在首站中设计自动化控制系统，可以全面及时的掌握供热系统的温度、压力、流量等过程参数变化情况，减少操作人员、降低工人劳动强度、节约人力投资；通过合理的自动化设计，可以提高供热温度、流量等过程参数的控制精度，改善供热品质。由于控制系统提供完整的故障诊断及报警功能，使得运行人员可以快速掌握报警原因，对超温、超压、泄漏、堵塞、仪表故障、PLC故障、断电等各种故障的发生做到及时诊断，及时检修，保证系统安全运行。

3控制系统的选择及配置

在选择首站控制系统时首先要考虑到首站控制安全性，同时也要考虑到操作人员的技术水平和系统扩展能力。经过调研，西门子S7400PLC功能强大，性能稳定可靠性高，系统扩展也方便。因此选用西门子S7400搭建整个控制系统。软硬件配置如下：

3.1PLC控制柜硬件组成

PLC安装在控制柜中，PLC由中央主机架、电源模块、两台CPU414H控制器（集成DP接口、以太网口），两台CP443-1以太网接口模块、4对IM153冗余扩展模块，共计4各节点，通过PROFIBUS-DP总线与两台CPU414H的集成DP接口连接。外挂RTD输入模块6台、AI输入模块(8通道电流)21台；AO模块（4通道电流）4台、DI模块（36通道干接点）4台、DO模块（36通道继电器输出）2台。

3.2上位机平台硬件组成

3.3动力控制设备组成

本首站设计供热面积800万平方米，共有四台工业汽轮机拖动热网循环泵，四台管壳式换热器、一台集中润滑油站、三台凝水泵、两台补水泵、两台疏水泵、一台凝水箱、一台补水箱。一号换热器和二号换热器设计进蒸汽压力0.5MPa,温度250°C，汽源来自工业蒸汽母管；三号、四号换热器设计进汽为四台工业汽轮机的排汽，压力0.15MPa，温度135°C。

动力配电室为所有的控制设备提供电源。现场安装三台30KW凝水泵控制柜和两台15KW热网补水泵控制柜，都选用深蓝SB200系列变频器进行调速。在每台控制柜上都设有本地操作和远程操作功能，采用工频变频一拖一方案，并且可以就地远控实现工频和变频切换运行。两台疏水泵控制箱安装在#3、#4换热器附近进，采用变频器驱动设计。集中润滑油站为四台热网泵拖动汽轮机提供润滑用油，电控箱安装在集中油站上部，共有3台油泵（两台为交流油泵，一台为直流油泵）、油过滤器、油冷却器、电加热器等设备。两台交流油泵之间设计有跳闸连锁和油压低连锁，当交流电源丢失时，直流油泵连锁启动。此外，油站提供油位低信号、油过滤器差压大信号、各台油泵运行信号、油站轻故障信号、油站重故障信号至PLC柜。

各泵变频控制柜都将（运行信号、故障信号、频率反馈信号、电流反馈信号、本地远程信号、逻辑起停信号）连接到中央PLC系统DI输入模块，通过这些信号可以在控制室对各个设备的运行情况进行监测、控制。

4首站热力设备控制方案

控制系统是整个首站安全节能运行的核心，也是完成整个热网自动调节的主要构件，控制功能由上位机与下位机联合完成，下位机PLC是整个自动控制系统核心，主要完成数据采集、复杂逻辑运算、PID及模糊跟踪程序运算，最终把计算结果通过I/O端子输出到现场驱动调节装置（变频柜、调节阀、多回转电动阀等）。在本工程中首站主要工艺控制功能如下：

4.1供水温度控制

系统运行初期或供热负荷小时，两台热网循环泵运行、一号换热器和四号换热器运行，在上位机PC打开四号换热器的主进汽电动阀，由于两台拖动汽轮机排汽量相对变化不大，四号换热器出水温变化不大；需要通过#1换热器的蒸汽调节阀控制调整母管出水温度。系统程序根据设定的循环水供水温度与实际温度进行PID计算，由程序输出4-20mA信号调节#1换热蒸汽调节阀的开关度（控制蒸汽流量的大小），使供水温度达到目标设定值。由于温度反映比较滞后，被控对象存在大滞后环节，合理整定调节器的比例和积分参数，既要防止大的动态偏差，也要防止调节频繁，损坏电动调接阀。

随着供热负荷的加大，两台台换热器供热量不够时就需要启动第三台换热器，通过调整蒸汽调节阀开度，调整换热器出水温度。

首站的热网供水温度控制在本工程中采用分段控制法、固定供水温度两种方法。

●分段控制时：系统会把整个采暖期分成三个阶段（供暖初期、供暖中期和末期）这三个温度和三个时间段由运行人员事前在上位机中设定好，将控制方式选择“分段控制”时系统就会根据时间自动判断调整目标供水温度。系统自动调整各换热器温度调节阀，改变进汽量，逐步逼近到目标值。

●固定供水温度：系统在操作员站提供了一个固定的供水温度设定窗口，只要设定好此温度。当外界热负荷需求发生变化，可以人工调整温度设定值，来满足供热需求。

4.2换热器疏水液位控制

一般换热器疏水调节阀（或疏水泵变频器）控制是根据设定的换热器液位与实际液位比较PID运算，调节疏水阀开度（疏水泵运行频率）自动保持换热器疏水液位的一种控制功能。同时换热器疏水液位的高低在直接影响换热器的换热效果，疏水液位过高，换通铜管被淹没，换热面积减少，降低了换热效果；液位过低，封不住加热器内压力，疏水跑掉，由于采用了开式凝结水箱，会出现凝水箱冒蒸汽的现象。所以一定要维持换热器疏水液位在一稳定值。

4.3热网循环泵控制

本工程的热网循环泵采用低参数动力汽轮机拖动调速。汽轮机控制箱安装在循环泵附近，设计有超速保护、轴向位移大保护、就地遮断、远程遮断功能。转速控制采用数字调节仪和日本光荣电动调节阀实现，可以就地手动调整气阀开度改变汽机转速，也可以切换到远程由PLC系统给定转速目标值。为防止拖动汽轮机轴瓦故障、缺油故障发生，系统为每台汽轮机设计了轴瓦温度高、润滑油母管压力低远程遮断功能。

循环泵的主要功能用来将热网回水加压做功，到换热器中再次加热，为了保证热网供水的安全一般都采用定压力方式控制。采暖期初期，两台循环泵能够满足供热需求。采暖期中期，需要增加一台循环泵运行，并且供水温度也同步提高，热网采用“质调”和“量调”相结合的方法运行。

4.4补水泵控制

热网补水泵主要是用来在一网回水压力低时给一次网补水用的，设计为一用一备，补水泵控制功能如下：

●PLC根据回水压力设定值（可任意修改）与实际值经过PID运算，自动调整运行频率维持回水压力稳定，事故时失水量大补水泵运行频率已到50HZ，,补水压力仍然低于压力设定值，延时一分钟，连锁启动备用补水泵变频运行，且两台补水泵同频同步调速维持压力定值。

●补水泵自动运行方式为变频运行方式，若变频器发生故障或报警时，PLC将补水泵自动切换到工频运行，但此时系统能仍够根据二次侧回水压力设定高低限值自动控制补水泵启动和停止，同时发出声光报警信号，当报警消失时系统自动投入变频定压运行。

4.5凝水箱液位控制和凝水泵控制

凝结水箱和补水箱设计有联通装置，水箱水位控制由除盐水补水阀进行，系统根据液位高低，采用位式控制逻辑。液位低于设定值开启电动补水阀，液位高于设定值，关闭补水阀

凝水泵的基本功能是把来自凝水箱的凝水送给除氧器补水管道，防止原除氧器补水管道冷水逆流，设计安装了逆止阀。凝水泵控制采用恒压压力运行，压力设定值略大于原除氧器补水管道压力。具体功能如下：

PLC根据凝结泵出口压力与设定值经过PID运算自动控制凝水泵转速。凝水泵自动运行方式为变频循环方式，水泵运行频率低于20HZ两分钟，变频器进入休眠状态，以防止泵低速空转水泵内汽化，可以延长电机使用寿命。

若变频器发生故障或报警时，PLC将冷凝水泵自动切换到工频运行，但此时系统能仍够根据凝结水压力高限设定值和低限设定值自动控制凝水泵启动和停止，同时发出声光报警信号，当报警消失时系统自动投入变频定压运行。

5保护、连锁报警功能

为了保证系统安全可靠的运行，在本工程中PLC还实现了辅助设备的保护连锁、报警等功能，下面简要介绍：

1）除污器报警：当二次侧除污器前后差值≥设定值时（一般为60~80KPa），系统发出声光报警信息和文字闪动提示。

2）冷凝水（补水）箱报警：水箱液位超过报警设定值（高，低可修改），系统会及时发出报警信息和相关文字提示。当低于最低限制时，冷凝水泵（补水泵）自动停止运行。

3）一网回水压力报警：本工程设计一网回水先通过两台除污器，进入汽机凝汽器吸收汽机排汽热量，再回到热网循环泵入口。凝汽器允许运行压力不大于0.25MPa,因此两台除污器后压力不得大于0.28MPa。当除污器后回水压力超过定压上限（0.3MPa）时，延时60秒（可修改）压力没有下降，系统自动打开电动泄压阀。当除污器后压力下降至0.25MPa，延时60秒，连锁关闭电动泄压阀。此外在除污器后回水管道上设计安装了机械弹簧式安全阀，安全阀起座压力0.32MPa。

结束语

经过对多家供热首站的调研，本工程优化设计，硬件配置比较先进，采用高档西门子S7-400控制器，,控制器与信号模块之间的通讯采用冗余技术，上位软件功能强大。整个系统具有硬件性能稳定、工艺控制功能完善、操作控制方便等优点。本系统的使用在很大程序上提高了的高温水首站的自动化控制水平、减少了操作人员、提高了供热效率和质量，带来了很好的经济效益及社会效益。

参考文献

[1]孙刚.王飞.吴华新，供热工程[J].中国建筑工业出版社，2016，08：45.

[2]廖常初，S7-300/400PLC控制技术[J].机械工业出版社，2008，06：02.