冗余系統在選礦集散控制中的應用

張文剛

魯中礦業有限公司選礦廠，山東 萊蕪 271113

冗余系統在選礦集散控制中的應用

張文剛

魯中礦業有限公司選礦廠，山東 萊蕪 271113

目前選礦廠自動化控制多采用集散控制系統，利用S7-400H系統，組成工業標準的雙環以太網，上位機采用主/從結構，CPU容錯熱備，數據服務器數據庫采用熱備份，采用ET200M分布式I/O站進行遠程控制，這個系統采用冗余設計，具有很高的安全可靠性。

冗余系統；Ethernet；PROFIBUS-DP；ET200M；IM153；Wincc

1、冗余系統的硬件

1.1 總體硬件配置

從圖1中可以看出，冗余系統所需硬件包括：

（1）2套S7-400HPLC控制器。

（2）3條通訊鏈路：主系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS 1）、備用系統與從站通訊鏈路（PROFIBUS 2）、主系統與備用系統的數據同步通訊鏈路（Ethernet）；

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

（4）除此之外，還需要一些相關的附件，用于編程和上位機監控的PC-Adapter（連接在計算機串口）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以太網交換機等。

圖2 S7-400H基本硬件配置圖

圖3 CPU400H硬件組態圖

系統是由兩套獨立S7-400H PLC系統組成，冗余系統能夠實現：主機架電源、背板總線等冗余、PLC處理器冗余；PROFIBUS現場總線網絡冗余（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。冗余系統由A和B兩套PLC控制系統組成。開始時，A系統為主，B系統為備用，當主系統A中的任何一個組件出錯，控制任務會自動切換到備用系統B當中執行，這時，B系統為主，A系統為備用，這種切換過程是包括電源、CPU、通訊電纜和IM153接口模塊的整體切換。通過軟件冗余，系統運行過程中，即使沒有任何組件出錯，操作人員也可以通過設定控制字，實現手動的主備系統切換，這種手動切換過程，對于控制系統的軟硬件調整，更換，擴容非常有用。

1.2 主站（S7-400H）基本硬件配置（圖2）

核心是2塊CPU,安裝在UR2H機架中，構成2個獨立的子系統，每個系統含有9個槽。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 ，若要加強供電能力每個子系統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個同步化子模板連接兩個中央處理器，它們已放置在中央處理器內部（每個CPU 內需配置2塊同步子模板）并由光纜完成互連任務。光纜用在同步子模板內，用它完成2個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實現主系統與備用系統的數據同步，MPI實現多臺PLC之間通訊，PROFIBUS實現與遠程I/O之間的通訊。

從圖3中可以看出UR2H有2套獨立的CPU,有2條PROFIBUS總線與ET200M連接，構成冗余。下面圖4為網絡組態圖。

圖4 CPU400H冗余網絡組態圖

1.4 ET200M從站

圖5 單通道切換式I/□工作原理圖

現場控制站的ET200M分布式I/O站通過Profbus-DP現場總線與S7-400H中央控制器進行實時通信，它主要功能是:采集現場I/O信號，通過ET200M的I/O信號接口模塊將現場數字量或模擬量信號傳送到中央控制站，同時將中央控制器發送來的控制信號送至現場。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，空調季供冷，將空調區域余熱通過埋管換熱器儲于埋管區域巖土層中，冬季供熱，則將埋管區域巖土層內蓄積的熱量抽吸出，以滿足供熱區域要求，這種方式與前幾種相比，不會產生“熱島效應”、環境水體生態影響和地下水開采地質影響等后果，不良環境影響很小，同時又是一種可再生能源開發利用的好方式。

2.2 節能效果評價

在供冷工況下，在由電能為動力的壓縮機性能相當條件下，豎直埋管地源熱泵與水冷冷水機組供冷相比，其能耗相當，甚至相對較低，比風冷冷水機組明顯節能。

根據統計資料分析，在供熱工況下，其節能效果明顯。

當前我國電力仍以燃煤火力發電為主，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，即所得熱能與一次能源消耗之比，即PER等于熱泵性能系數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

高效發電指天津濱海新區在建的北疆電廠，其發電煤耗為269g/kwh，供電煤耗288g/kwh，發電效率45.6%，且全年熱電聯產，年產淡水6570萬噸，副產原鹽50萬噸，節約鹽場用地22(km）2,利用粉煤灰加廢電石灰制150×104m3/a墻體材料。

2.3 進一步提高能效的措施與展望

如在地埋管換熱器系統與建筑物內系統間設一條連通管，在進入空調季初始階段，不開啟壓縮機，利用地源換熱器儲存的冷量，補償室內空調冷負荷；在進入采暖季初始階段，不開壓縮機，利用地源儲存的熱量，補償室內采暖熱負荷，有利降低能耗。

選擇性能適宜且變頻性能良好的壓縮機，不但保障系統平穩可靠運行，且會獲得明顯節能效果。

完善的自動控制系統設置非常必要。為積累運行經驗，有利及時調節系統運行性能，應考慮在自控系統內設置完善的數據記錄裝置。

現有資料表明，進一步改善和提高包括工質在內的先進熱泵機組研發備受關注，今后還會有更為高效節能的熱泵機組進入市場。這將會推動地源熱泵發展，進一步實現“節能減排”發揮重要的作用。

3.建筑物內系統設計

在高大的工業廠房內，應用地埋管地源熱泵，實踐說明是適宜的，這是因為：

（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，在廠區內除重載（＞10t）車道以外的區域內，選擇適宜位置通常并不困難。因埋管較深，對其上開辟廠區綠地，輕載道路，以及露天或半露天庫房等，通常沒有妨礙。

（2）經多年探索研究，我院提出的“高大工業廠房集中送風空調”技術，經工程實踐證明是成功的。這項技術的核心概念為：鑒于空氣為含熱量很低的物質，為節能不宜處理后遠距離輸送，宜在空調空間現場對其冷卻或加熱，以補償相應負荷量；在工業廠房高大空間內，以較少空氣流量和較小能耗，在工作地帶形成一個均勻而穩定的空氣流場是達到空調設計標準的關鍵。

高大工業廠房集中送風空調的關鍵設備為已研發推向市場多年的“集中送風空調冷暖機組”，該機組空調季冷媒溫度為7～12℃，采暖季熱媒溫度為60～40℃，實踐說明，這樣的溫度要求與豎直埋管地源熱泵在其性能系數cop≥4.0的條件下，是完全可以滿足的，因此，高大工業廠房集中送風空調系統，選擇豎直埋管熱泵系統供冷或供熱是適宜的，也是有廣泛應用前景的。

4.工程實例

約翰·克蘭科技（天津）有限公司是

一家生產高壓密封件的外資企業，地處本市華苑產業園區，2008年新建廠房和辦公樓等共4200m2，空調冷負荷717kw，熱負荷503kw，另有部分熱水供應熱負荷，空調冷媒溫度7～12℃，熱媒溫度50～40℃，采用豎直埋管地源熱泵系統供冷、供熱。設計方案和數據如下：

埋管豎井130口，井深100m，選擇雙U型PE32管；

熱泵機組采用2臺430kw螺桿熱泵機組和1臺50kw模塊熱泵機組；車間采用集中送風空調系統，辦公樓為帶熱回收裝置新風機加風機盤管系統，且按劃分內外區方式設計系統，以保障空調環境的舒適性。

該工程地源熱泵空調系統經三年運行證明，完全達到設計要求，廠房及辦公樓夏季室內溫度為26℃，冬季20℃，更衣室、淋浴室冬季溫度≥25℃，生產廠房內質量控制室全年溫度16～24℃。

[1]趙軍 戴傳山主編.地源熱泵技術與建筑節能應用.中國建筑工業出版社 ,2007年9月第一版

[2]陸耀慶主編.《實用供熱空調設計手冊》第二版 .中國建筑工業出版社, 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空調.工程設計與應用研究機械工業第五設計研究院出版, 2006年第二期

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.08.071