PCS7控制系統在分布式能源站中的應用

邱亞鳴，姚 峻，胡 靜，于會群，彭道剛

（1.上海電力學院自動化工程學院，上海 200090；2.上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090）

0 引言

分布式能源站是分布在用戶端的能源綜合利用系統，直接滿足用戶多種用能需求，實現了能源的梯級利用，冷熱電聯供系統是分布式能源站的主要實現形式[1]。型號豐富的分布式能源設備和靈活的能源站設計方案，一方面促進了分布式能源站的發展，另一方面也給能源站的自動控制帶來了挑戰。以冷熱電三聯供為特征的天然氣分布式能源站，系統構成和運行工況復雜，對外供能有時間慣性，用戶負荷不確定[2]。分布式能源站的工業過程具有監控數據量大、控制精度要求高、允許控制范圍有限、高非線性、強耦合和時變不確定等特點，從而增加了分布式能源站協同控制的難度[3-4]。傳統的控制系統和控制策略難以獲得滿意的控制品質，基于先進的過程控制系統構建分布式能源站控制系統成為解決能源站控制難題的重要保障。

西門子的工業自動控制系統安全可靠、先進成熟，在化工、磨礦等工業領域中應用廣泛。在西門子自控系統的系列產品中，SIMATIC PCS7過程控制系統具備常規DCS（分布式控制系統）、PLC（可編程控制器）產品不可比擬的優勢[5]：PCS7系統結構完整并且開放靈活，能夠對分布式能源站整體運行進行全方位監控，便于在分布式能源站運營過程中在控制系統中增加新用戶站；PCS7具有較強的診斷功能，可以同時提供系統和智能設備的診斷信息，可滿足分布式能源站在能源互聯網環境下故障診斷與自愈控制的功能需求；PCS7主要針對S7-400系列高端PLC進行組態，具有多任務處理能力，同時實現大量復雜回路控制和快速邏輯控制，可以解決分布式能源站海量數據處理和分布式能源設備協同控制問題。綜合上述分析，西門子SIMATIC PCS7過程控制系統適合用于搭建能源互聯網背景下的分布式能源站自動控制系統。

以下從如何構建分層控制系統、實現組態控制邏輯和搭建監控平臺3個方面，介紹西門子PCS7過程控制系統在分布式能源站中的應用。實際的工程應用也驗證了基于西門子PCS7構建的分布式能源站控制系統可以保證分布式能源站穩定可靠對外供能，且滿足工藝生產的基本要求。

1 分布式能源站分層控制系統

分布式能源站作為能源互聯網的重要節點，其通信網絡不僅需要對下滿足自身系統控制需求，還需對上實現與其他能源子站共享信息，通過能源綜合管理中心的協調調度，實現電力和熱力的互聯互通、互相補償[6]。PCS7過程控制系統支持的3層網絡結構可以滿足分布式能源站的通信需求。對于分布式能源站的內部控制需求，首先基于現場總線層的Profibus-DP與Profibus-PA通信方式，實現控制站與現場站或設備之間的通信。其次，基于控制總線層的工業以太網通信，根據控制系統的規模，選擇控制器與操作員站或服務器之間的網絡結構。當控制系統規模較小時，通常采用單站結構，每臺單站獨立運行，分別從控制器采集、處理和歸檔數據。當規模較大時，則采用客戶機/服務器結構，由服務器統一從控制器采集、處理和歸檔數據，操作員站通過工業以太網或者標準以太網從服務器中讀取數據。對于分布式能源站的信息發布需求，PCS7支持能源站通過標準以太網或互聯網連接上層廠級網絡，在通信層面將分布式能源站接入到分布式能源互聯網中。

文中所研究的分布式能源站配備了4組冗余的400-H過程控制站、3臺操作員站、2臺工程師站和1臺歷史數據服務站。相對于常規火電廠而言，工業以太網絡內的設備數量不多，規模較小，因此，選用單站結構搭建分層控制系統即可滿足分布式能源站的網絡控制需求，且成本低于客戶機/服務器結構。另一方面，分布式能源在實際建設過程中會有新的用戶站控制器不斷接入到網絡系統中，因此，工業以太網采用了環形網絡拓撲結構，便于增減工作站，并且采用光纖作為通信介質，提高了數據傳輸速率的上限。為了提高能源站約3 000個I/O（輸入/輸出）點與控制器的通信可靠性，采用Profibus-DP總線通信。為了節約通信成本，對于通信量不大且需單一管理的分布式設備采用Modbus 485通信，例如離心冷機等。按照能源互聯網環境下分布式能源站的建設要求[7-8]，需要設計能源管理層，實現對各個能源站的運行管理和優化。根據層次化、模塊化和靈活性的總體架構建設原則[9]，某分布式能源站的分層控制系統架構如圖1所示。分層架構設計將分布式能源站復雜控制系統網絡分成更小、更易于管理、更可靠的領域，采用模塊化方法對上述領域進行深入設計，整個分層控制系統在添加新服務或者擴充網絡時不會影響整體網絡架構。

圖1中的分布式能源站分層控制系統采用單站結構，利用10/100 Mbps的工業以太網將4組冗余的400-H過程控制站、3臺操作員站、2臺工程師站和1臺歷史數據服務站連接成控制系統的骨干網絡，構成控制總線層。PLC直接或者通過OLM模塊與ET200PA DP從站進行Profibus-DP通信，實現現場I/O模塊與控制器之間的通信，構成現場總線層。分布式能源站的現場總線層和控制總線層實現了能源站內部的自動控制。圖1中的標準以太網將分布式能源站的信息發布到能源管理層，實現了信息共享。結合實際運行情況，基于PCS7過程控制系統構建的分層控制系統可以滿足分布式能源站的通信需求。

2 分布式能源站邏輯組態

圖1 單站結構的分布式能源站分層控制系統

分布式能源站的控制系統通常涵蓋基于能源梯級利用的燃氣冷熱電三聯供系統、基于可再生能源系統的熱泵系統以及水儲能系統，形成冷熱能、天然氣能、儲能和電能泛能互補的能源互聯網[10-11]。更廣義的分布式能源站還包含光能和風能等新能源，廣義分布式能源站的系統結構如圖2所示。在100%設計負荷工況下，兼顧峰谷電價，分布式供能設備優先開機運行，燃機余熱進入吸收式溴化鋰機組制能，其余負荷部分依次開啟離心式機組和空氣源熱泵，蓄能部分作為高峰負荷調峰。在部分負荷工況下，分布式供能機組依然優先開機運行，依次減少熱泵和離心式機組的運行臺數，同時蓄能優先供應峰電時段負荷。

圖2 廣義分布式能源站的系統結構

分布式能源站控制的生產設備類型豐富，系統構成復雜，運行方式靈活，需采用分層模塊化的方法組態分布式能源站的控制邏輯。為了提高控制邏輯的編程效率，尤其是針對復雜控制程序，PCS7在LAD（梯形圖）、FBD（功能塊圖）和STL（語句表）3種編程基本工具之外，還提供了CFC（連續功能圖）、SFC（順序功能圖）和SCL（結構文本）3種編程工具，分別適用于能源站單體設備控制邏輯、子系統順序控制邏輯和全系統優化控制邏輯的開發[12]。

2.1 單體設備的CFC控制

針對分布式能源站單體設備的連續過程控制需求，PCS7提供了圖形化的組態工程工具CFC。CFC以功能塊為基礎進行編程，PCS7在CFC標準庫和APL（高級過程庫）中預置了驅動技術塊、控制技術塊、轉化技術塊、數學運算塊、操作技術塊和信息技術塊等多種功能塊，簡化了系統的組態和維護。每個CFC可以擴展為26個級，每級具有6個頁的編程空間，同一個CFC內的功能塊之間可以直接連線。若采用S7-400的控制器，則處于不同控制器的控制塊之間也可以直接連線，能夠完成復雜的大型過程控制任務。對于重復使用的CFC，可以將其內部細節隱藏構建出帶有I/O的功能塊圖表，能被其他連續CFC直接調用，可進一步將該功能塊圖表編譯成FB（功能塊），以便于在LAD等語言中使用。基于PCS7的ITA（全集成自動化），CFC中還可以完成數據歸檔、報警消息組態和動態監視畫面自動生成等。

在某分布式能源站中，水泵和閥門等常規單體設備，直接調用了PCS7 AP Library V81庫中預置的設備單體驅動程序。對于一些分布式能源站特有的設備，可以購買西門子能源行業的設備驅動庫或者基于SCL語言自定義開發。靈活改編和使用預置的通用驅動程序也可以滿足部分能源站特有設備的控制需求。在該項目中，冷卻塔風機的控制要求包括遠程啟停機、遠方就地切換和風機高低雙速運行，采用PCS7 AP Library V81庫中的雙速電機實現了對冷卻塔風機的控制，不需要專門的冷卻塔風機驅動塊，冷卻塔風機的CFC控制邏輯如圖3所示。圖3所示的功能塊處于循環周期OB35之中，以默認的200 ms循環周期運行。實踐經驗表明，PCS7可以滿足分布式能源站單體設備的控制需求。

2.2 子系統的SFC順序控制

分布式能源站的運行工況復雜，子系統順序控制開發工作量大。某分布式能源站的子系統順序控制涵蓋了離心冷機與空氣源熱泵的制冷啟停及其一鍵切換、由空氣源熱泵與離心熱泵構成的復疊式制熱啟停及其一鍵切換、由大冷機與小冷機構成的熱回收啟停及其一鍵切換和大小蓄能水槽的蓄釋冷熱等。基于IEC 61131-3標準，PCS7提供了圖形化的順序控制系統組態語言SFC，大大提高了分布式能源站順序控制系統的開發效率，也為調試和維護帶來方便。SFC將一個控制問題分解為若干個可管理的階段，由“步”、“路徑”和“轉換條件”三要素組成，當轉換條件滿足時結束上一階段的“步”，并按照“路徑”開始下一階段的“步”，然后等待下一個轉換條件的滿足，直至順序控制流程結束[1]。其中，順序功能圖中的“路徑”由單步、選擇、并行、循環和跳轉這5種基本結構構成，具有高級語言的特性，適合于組態復雜的順序控制程序。如果順序控制系統只使用一次，并且該順序控制系統將控制生產工廠的多個子區域，則使用SFC圖表即可；如果需要多次使用順序控制系統，并且該順序控制系統具有分別控制生產工廠各自子區域的SFC實例，則需要使用SFC類型，對SFC類型所做的集中更改將自動傳送給所有SFC實例。

圖3 冷卻塔風機的CFC控制邏輯

以該項目中的大冷機制冷模式切換順序控制為例，該順序控制采用了單步結構，先關閉大冷機復疊式制熱工況下的閥門，待閥門關閉條件滿足時打開大冷機制冷模式所需的閥門，待閥門打開之后結束順序控制，如圖4所示。PCS7支持SFC在線測試，可以在運行模式下直接手動向順序控制程序發送啟動、暫停、中止和復位等指令。同時，由于SFC具有類似于CFC的外部視圖，順序控制系統也可以接收系統內部的自動控制命令，該順序控制的外部視圖如圖5所示。基于PCS7的ITA，SFC也可以在Wincc（視窗控制中心）上自動生成動態監視畫面，與圖4相似。

圖4 大冷機制冷模式切換SFC順序功能

圖5 大冷機制冷模式切換SFC的外部視圖

2.3 全系統的優化控制

根據分布式能源站按照最佳經濟效益方式運行的要求，需要從全系統角度出發，編寫多制冷機和多冷熱源系統調度最優化控制程序[13-14]。在非高峰期和過渡季節，決定冷熱源類型的搭配組合和機組的運行數量，實現冷熱電三聯供系統、制冷制熱系統、水循環系統全母管制和全變頻系統的協同控制。具體而言，文中所研究的分布式能源站全系統優化設計主要包括以下幾個方面：冷熱電負荷的自動預測、分配及調節；順序控制的自動投切判斷；變頻水泵的頻率自調節及一、二次泵的流量自平衡控制；根據熱點負荷自動選擇最佳的設備子系統及其運行參數設置等。

實踐經驗表明，綜合使用PCS7中的SCL語言與第三方編程軟件可以完成分布式能源站子系統間的協同控制，從而實現全廠經濟效益最優。

2.3.1 基于SCL的全系統優化控制

PCS7提供了LAD，FBD和STL 3種基本編程語言，其中LAD和FBD適合于數字量邏輯控制，而STL則是PCS7程序的底層語言，可以直接訪問PLC內部的各種資源，功能強大，但是對工程師的要求很高。因此，以上3種基本語言都不適合人工編寫復雜控制任務及大型程序。為了解決該問題，PCS7提供了一種類似于Pascal的高級編程語言S7-SCL。S7-SCL為PLC做了優化處理，具有高級語言的特性，可以使用選擇、分支、數組和高級函數等，適用于復雜數學運算、數據管理和過程優化，能夠滿足分布式能源站簡單的全系統優化控制需求。

2.3.2 基于通信的全系統優化控制

S7-SCL適合于過程優化，且易于使用，但由于PLC內存有限，故不宜用于編寫高級智能算法。為解決該問題，采用將智能控制算法所需的數據通過通信方式傳到第三方軟件代理運算，然后再通過通信接口將運算結果重新返回給控制器的方法，從而實現分布式能源站全系統的優化控制。考慮到PLC的運行內存較小，能源站的全系統優化控制主要通過第三方軟件計算完成。

圖6 基于OPC通信的冷凍水循環系統模糊PID控制流程

Matlab的數據分析處理能力強大，內置豐富的算法工具包，適合編寫復雜控制算法；另外，開放式標準接口OPC（用于過程控制的對象連接與嵌入技術）廣泛應用于工業控制設備，因此，通常采用Matlab與OPC的組合方式解決復雜的工業優化控制問題[15-16]。在文中研究的分布式能源站中，以實現冷凍水循環的模糊PID控制為例，將分布式能源站的冷凍水循環系統作為控制對象。首先組態冷凍水循環系統中的基本控制回路，如內燃機、溴化鋰機組以及一、二次水泵等設備的單體及其順序控制邏輯；然后，在Matlab中編寫基于改進粒子群算法優化的模糊PID控制算法，并利用OPC通信實現該控制算法對冷凍水循環系統的實時控制，具體應用過程如圖6所示。

3 分布式能源站監控平臺

根據分布式能源站的監控要求，操作員可以通過監控平臺監視能源站各個子系統的生產工況，并且根據實時要求手動做出相應的操作。另一方面，監控平臺還需自動采集和處理能源站運行所需的全部數據，并對其進行監視、顯示、計算、報警、記錄、歷史數據存儲，以維持能源站安全經濟運行。PCS7采用了完整的ITA架構，實現了從傳感器和執行器到控制器，再到上位機的完全無縫集成，通過PCS7的OS（操作員站）編譯可以自動生成畫面、記錄變量和記錄報警，大大提升了分布式能源站監控平臺的搭建效率。同時，也支持直接在Wincc上位機平臺上對監控平臺進行二次開發，可以便捷地實現分布式能源站歷史曲線、操作記錄、報表和Web發布等功能。

某分布式能源站整個監控平臺由6個監控子系統構成，分別為動力、給排水、輔機、電氣、暖通和用戶。每個子系統又由若干子界面構成。圖7為暖通子系統下的離心冷機單體運行監控子界面，監視的數據來自于Wincc集成的Modbus TCP/IP標準接口，監視的數據根據需要存儲到Wincc集成的ODBC/SQL（開放數據庫連接/結構化查詢語言）數據庫中。

4 結語

PCS7作為一種完全無縫集成的自動化解決方案，為自動化系統提供了統一的技術環境，實現統一的組態、統一的數據管理和統一的數據通信。文中通過分層控制系統構建、控制邏輯組態和監控平臺搭建實例介紹了PCS7控制系統在分布式能源站中的應用，基于PCS7構建的分布式能源站控制系統為解決能源站協同控制的難題提供了有效途徑。某分布式能源站的穩定運行表明，PCS7控制系統能夠滿足分布式能源站的自動控制要求，并且提高了分布式能源站自動控制系統的開發效率。隨著PCS7過程控制系統的不斷完善，其將在分布式能源站自動控制領域發揮更加重要的作用。

圖7 基于PCS7構建的離心冷機運行監控畫面

[1]劉小軍，李進，曲勇，等.冷熱電三聯供（CCHP）分布式能源系統建模綜述[J].電網與清潔能源，2012，28（7）∶63-68.

[2]陳賢國.天然氣分布式能源（冷熱電三聯供）在國家會展中心的應用[J].上海電氣技術，2016，9（1）∶30-32.

[3]JIN H，SUI J，CONG X U，et al.Research on theory and method of muti-energy complementary distributed CCHP system[J].Proceedings of the Csee，2016，36（12）∶3150-3160.

[4]錢虹，楊明，陳丹，等.分布式能源站三聯供系統優化運行策略研究[J].熱能動力工程，2016，31（6）∶74-79.

[5]趙光，王玉敏.西門子PCS7系列DCS概要解析[J].可編程控制器與工廠自動化，2014，7（12）∶63-65.

[6]呂詩寧，顏擁，丁麒，等.能源互聯網中的區塊鏈應用：優勢、場景與案例[J].浙江電力，2017，36（3）∶1-4.

[7]羅必雄.分布式能源站的系統集成與優化運行[J].電力建設，2010，31（5）∶1-6.

[8]姜述杰，薛子暢.分布式能源站的發展問題[J].發電設備，2009，23（5）∶318-321.

[9]楊方，白翠粉，張義斌.能源互聯網的價值與實現架構研究[J].中國電機工程學報，2015，35（14）∶3495-3502.

[10]施曉麗.基于可再生能源的冷熱電聯供系統模擬研究[D].武漢：華中科技大學，2011.

[11]慈松，李宏佳，陳鑫，等.能源互聯網重要基礎支撐：分布式儲能技術的探索與實踐[J].中國科學：信息科學，2014，44（6）∶762-773.

[12]王珺.西門子PCS7模塊化編程應用[J].科技展望2016，26（6）∶149-150.

[13]盧毓東，魏宏，王芙麗，等.能源互聯網背景下的客戶側分布式電源綜合運營服務平臺及其關鍵技術研究[J].浙江電力，2017，36（10）∶77-82.

[14]劉明涌，楊鴻.關于分布式能源站冷/熱水系統優化運行方式的探究[J].科技創新與應用，2016，27（14）∶127.

[15]胡雄偉.基于OPC的MATLAB與Simatic PCS7數據通信和過程控制[J].中國石油和化工標準與質量，2011，31（11）∶140.

[16]劉寶，張晨.基于OPC的PCS7預測控制實驗系統設計與實現[J].實驗技術與管理，2017，34（4）∶130-135.