大型車用燃氣沼氣工程自動化應用案例研究

摘要：文章以某大型車用燃氣沼氣工程的自動化系統為例進行研究，詳細闡述了西門子PLC控制系統S7-300在沼氣工程中的應用現狀，并對系統概況作了簡要分析。

關鍵詞：沼氣工程；PLC；西門子S7-300；大型車用燃氣沼氣；PID控制

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

1 概述

當前，國內大中型沼氣工程的自動化應用水平仍比較低，依舊采用傳統繼電器方式控制，在工業計算機普遍應用的今天看，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處理，而且系統時效性很差，已不符合時代發展要求。

為解決上述問題，某公司設計的大型車用燃氣沼氣工程利用西門子S7-300可編程控制器實現各工藝單元的自動化控制，如在進料系統、發酵系統、凈化系統、存儲系統等工藝單元分別設立了PLC控制主站，所有控制主站以工業以太網方式組成冗余環網連接，通過中心控制室上位機實現各站點的統一管理。

2 系統設計

系統采用“集中監測，分散控制”的設計原則，在進料系統、發酵系統、凈化系統、存儲系統各設立了一個西門子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以太網方式組成冗余環網連接，在中心控制室設立上位監控機，通過它可以對各控制站點進行統一操作和管理，實現對沼氣工程的工藝參數、電氣參數、設備狀態等實時監測和設備操作控制，各控制主站之間相互獨立運行，彼此互不影響。

在上位機建立Web站點，通過WebNavigator軟件實現了監控畫面的遠程發布功能，系統授權后的相關人員可以通過互聯網在工廠之外的其它地方實時監控現場設備，同時該系統也實現了手機短信提示功能。

系統拓撲圖如圖1所示：

2.2 系統配置

本系統包括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。操作員站設立在中控室，4個控制主站和2個從站分布在現場。各控制主站之間關系對等，主戰和從站之間遵循主從通信結構模式。

2.3 系統通訊

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自適應的工業以太網連接，通訊介質為單膜光纖，各站點間的通信接口均采用了西門子的以太網光纖收發器，數據傳輸遵循TCP/IP和UDP/CP協議。

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轉換器實現數據轉換和傳輸，數據傳輸協議為Profibus－DP。

3 系統實施

3.1 系統編程

西門子PLC控制系統S7－300由step7 V5.5、WINCC6.2及WebNavigator 6.2三部分組成，它是硬件、程序軟件和監控軟件的有機結合體。系統具有豐富的控制、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、I/O點配置、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

分布在現場的PLC控制主站和從站直接采集現場設備信號，然后通過工業以太網與中控室上位監控主機進行數據通信。系統可劃分為三層管理：管理層（中控室）、控制層（PLC主從站）、現場設備層。

3.2.1 管理層（中控室）

管理層位于系統鏈路的最頂部，主要是對沼氣工程各工藝單元的控制站進行統一管理和操作，實現人機對話，管理層是整個控制系統對外信息交換的窗口。

系統實現了遠程監控功能，采用了客戶端/服務器（Client/Server）的C/S架構模式。客戶端通過互聯網可以遠程訪問到中控室的上位機，實現在控制室同樣的各種監視和操作功能。通過遠程監控，生產管理人員可在辦公室或其它地方實時監視工廠的設備運行狀況。

中控室設操作平臺，包括兩臺上位機，其中一臺作為工程師站，用于系統編程、畫面編輯、數據存儲等。

3.2.2 控制層（PLC主從站）

控制層位于系統鏈路的中間位置，實現管理層與現場設備層之間的數據傳輸和轉換，并對沼氣生產過程進行實時控制，是整個系統的關鍵點。因此，控制層采用西門子公司PLC控制系統的S7-300和S7-200，其主要功能是接受管理層設置的參數或命令，實時控制整個沼氣生產過程，同時將采集到的現場數據傳輸到管理層。

控制層要求具有高穩定性和可靠性，因此，本系統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。各主站點間通過高速工業以太網與管理層上位機進行通信。另外，S7-315 CPU模塊作為S7-224的控制主站，與從站間通過PROFIBUS-DP總線進行數據通信。

控制層接受管理層的命令，但并不依賴于管理層而運行，若管理層上位機出現故障或未投入使用，現場各控制主站和從站仍可獨立運行，對整個工廠生產環節不產生影響。

3.2.3 現場設備層

現場設備層位于系統鏈路的最下面，是實現系統功能的基礎。現場設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、調配池濃度計）、電氣設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、設備狀態進行實時監測，并把采集到的數據上傳到控制層，同時接受來自控制層的指令，并按指令要求對電氣設備和控制裝置進行控制。

現場設有就地控制箱，可以實現就地設備的硬手動操作控制，方便檢修人員維護設備，處理應急情況。

4 控制策略

車用燃氣沼氣工程控制過程較為復雜，大體歸類以下，主要有以下控制策略：

4.1 PID控制

厭氧發酵需要在恒定的溫度下進行，工藝要求CSTR反應罐的溫度（35℃）恒定。現通過PID調節控制，保持其溫度恒定。

PID原理圖如圖2所示：

4.2 聯鎖保護控制

系統在故障報警（如泵、攪拌機、壓縮機等設備）或超限報警時（如預處理池液位、高壓貯氣柜壓力和CSTR反應罐溫度等），聯鎖啟停相關設備，自動保護相關裝置的安全運行。

4.3 常規控制

手動方式：手動控制設備的啟停；自動方式：遠程控制設備的啟停，故障時自動切換。

5 系統功能

5.1 顯示功能

系統具有多窗口的總貌圖、分單元圖、光字牌、報警記錄、實時趨勢、歷史趨勢、數據報表、系統簡介等各種監視畫面，所有工藝參數值和設備狀態均可在相關畫面上顯示。畫面之間相互切換2秒內完成，任何人工操作指令均可在1秒或更短的時間內被執行。

5.2 保護功能

按安全等級劃分，系統可設定操作員和系統員口令，以實現不同的控制功能要求。在系統運行狀態下，屏蔽所有Windows快捷鍵，鎖定系統防止其自由進退，系統重新上電后可自動恢復運行狀態。控制室內有2臺上位機，對此設定不同的優先級以保證控制室內操作站與現場同時操作的安全性。

5.3 數據存儲

對所有采集到的實時數據和歷史數據按客戶需求設定存取間隙和存取方式，方便用戶查看設備當前或歷史狀態。

5.4 事件記錄及打印

數據記錄包括交接班記錄、日報和月報。對交接班記錄和日報，系統按小時間隔記錄，可提供150個預選參變量的記錄。月報，系統按天間隔記錄，可提供150個預選參變量的記錄。所有記錄可以按天、月設置為自動打印，也可以根據操作人員指令即時打印。所有報表格均可以EXCEL方式導出，方便非系統用戶查看和打印。

系統記錄操作人員在中控室進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 數據傳輸與通訊

在其中一臺操作員站上生成的監控畫面、控制程序等，均可通過網絡加載到另一臺操作員站。PLC控制程序的組態和修改可在上位機上進行，并通過網絡下載到各PLC控制主站，也可以在任何一臺操作員站上上載系統內任一PLC控制站的用戶程序。此外，當新用戶程序被CPU確認后，系統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

系統采用自控、遠方、就地相結合的組合控制方式。對于電動閥、攪拌機、泵、風機等電氣設備，既可以選擇在控制室內進行遠方操作模式外，也可以選擇通過現場控制箱或防暴接線柱（防爆按鈕盒）就地操作模式。

系統控制可劃分為手/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、開關閥門及其它設備時，中控室應提供操作指導，如當前處于自動模式，應先切除自動，以確保設備安全操作。

6 結語

該車用燃氣沼氣工程選用了西門子PLC可編程控制器設計方式，解決了常規繼電器控制下產生的一系列問題，大大提高了沼氣工程的自動化水平，同時降低了運行成本，提高了生產效率，還可有效預防安全事故的發生，具有較高的實際應用價值。

參考文獻

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

（責任編輯：劉艷）