高速弓网关系试验台通风除尘自动控制系统设计

　　1系统概述

　　整个除尘系统以西门子S7-300PLC为控制核心，使用性能先进的施耐德变频器控制风机，采用当今广泛使用的PROFIBUS总线与各个变频器通讯连接，监控计算机采用以太网结构，为内部信息网络构建提供接口。整个系统通过先进、高速稳定的网络平台，通过优良、全面的设计为高速弓网关系试验台提供一个技术先进、安全可靠、易于操作、便于维护、具有很强扩展功能的控制系统。

　　1.1系统设计目标

　　根据本项目的特点和要求，本系统设计目标就是要使系统具有先进性、安全性、可靠性、扩展性、可操作性、可维护性和经济实用性。

　　先进性

　　系统采用西门子先进的PLC，施耐德最新的变频器ATV71系列，使用现场总线PROFIBUS及以太网网络通讯；采用人性化的操作界面，通过对设备状态真实直观的反映，使操作人员清楚地掌握在控设备的运行状态；此外，系统还有完善的报警、提示、诊断功能。

　　安全可靠性

　　控制系统的安全可靠、稳定运行是电控系统最基本的要求。为保证该系统的质量可靠，一是采用先进成熟的技术，如PLC控制、现场总线、网络技术等；二是使用国内外优质产品，如西门子、施耐德、金钟穆勒等；三是监控系统采用多级密码权限管理，保证系统安全运行；四是控制系统控制方式既独立又集中。当上位机出现故障时，现场可以手动进行操作，确保所有设备能正常运行。

　　扩展性

　　系统要有良好的扩展功能，在今后的发展中可根据需要扩容，不必改动系统的整体结构。在本次设计中具有一定的可扩展功能。

　　可操作性

　　系统集中控制操作，也可分布操作，单机操作，便于安装、调试、操作和维护。系统操作简便，操作界面直观，易学易用。

　　可维护性

　　在项目设计施工中，按照规范进行施工，进行挂牌、标识，编号清晰；系统具备实时故障诊断功能，能准确及时地对故障进行显示和定位；在设备选型中，尽量选用通用的设备，编程组态时结构清晰易读易查，便于维护。

　　经济实用性

　　在保证技术先进、质量可靠、功能完善的前提下，通过合理的方案配置达到最佳的性能价格比；在设计中也要考虑到今后技术的发展，系统的软硬件升级换代方面留有余地，便于备品备件的选择，扩展方便。

　　1.2设计引用标准

　　本系统实施所涉及的技术标准和规范、产品标准和规范、工程标准和规范包括：

　　GA/T75-94《安全防范工程程序与要求》

　　GB50093-2002《自动化仪表工程施工及验收规范》

　　GBJ63-90《电气装置的电测量仪表装置设计规范》

　　GB7251.3-1997《低压成套开关设备和控制设备设计规范》

　　GB50169-2006《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》

　　GB2054-96《电气装置安装工程低压电器施工及验收规范》

　　GB/T50328-2001《建设工程文件归档整理规范》

2系统总体设计

图1系统总体结构图

　　整个通风除尘系统由4层结构组成，即设备层、PLC控制层、监控层以及信息管理层。

　　设备层主要的控制对象：通风风机、室外除尘设备、空调机组、通风除尘管道等。

　　主控制器采用西门子S7300系列的CPU315-2PN/DP，自带1个DP口和1个以太网口，DP口和变频器通信，以太网口主要是为调试时所留用。

　　监控计算机上安装CP5611板卡，采用PROFIBUS通讯方式和现场PLC通信。监控计算机通过Web发布的方式实现远程主机对其访问和控制。

　　热备份计算机与监控计算机同步，当监控计算机由于意外情况停止运行时，热备份计算机能够马上投入使用，避免影响系统控制效果。

　　服务器主要负责实验所需参数的存储，所需重要数据一方面存于监控计算机上，又同时上传到服务器，监控计算机上的数据保存的年限有限，服务器的数据可以一直保存，以备历史查询和检索。

　　2.1系统控制方式

　　控制方式有两种类型：“本地／远控”和“手动／自动”。

　　PLC柜上设有“本地／远控”开关，当开关打到“本地”时，由PLC控制系统内所有设备；当开关打到“远控”时，监控计算机可以直接控制本系统内的现地设备。

　　对每一个单机设备，电控柜上都设有“手动／自动”开关。当开关打到“自动”时，由PLC程序自动控制设备；当开关打到“手动”时，由工作人员人工控制设备，这样就保证了PLC出现故障时，动力设备能正常运行。

　　对功率在7.5KW以上的设备，采用软启动或者变频器控制方式。对功率在7.5KW以下的设备采用直接启动方式。对需要软启动的设备，采用I/O触点直接控制，对变频器控制的设备，采用网络方式控制。

　　2.2风机变频控制

　　空调机组、通风风机和除尘风机采用变频器控制，变频器选用施耐德ATV71系列，配置PROFIBUS-DP接口板卡，通过PROFIBUS-DP接口板卡和控制系统S7315-2PN/DP相连，风机的启停控制、运行状态及电压、电流、功率等数据均可实时监控。风机采用变频器控制，就不再使用交流接触器，配置相应的断路器。在风机的现场装配转换开关，便于现场手动操作和检修。

　　2.3除尘系统

　　除尘部分的风机和卸灰阀协同动作，完成系统除尘。每当除尘器主风机电机启停时，相应的卸灰电机也一起启动，在时间上有一定的延时动作。卸灰阀正反运行，现场配置转换开关，可以隔离主电源回路，便于设备的安全检修。

　　2.4监控计算机实现的功能

　　2.4.1图形监控系统

　　●除尘系统流程画面

　　实验流程部分，实时动态地显示除尘风机、卸灰阀、通风风机以及空调机组运行状况，可以监测到设备运行过程中的所有参数以及电机、阀门状态，声光报警，操作工可以使用鼠标操作。通过运行参数的显示颜色，操作员可以一目了然地看到该参数的运行状态（正常、报警）。在流程部分可以直接调出具体调节回路的运行画面和设备运行程序控制画面；

　　●运行数据总表画面

　　设备运行数据总表列出设备运行的各个参数的实时情况，可以一览各控制回路、数据监测回路的运行情况。可以看到各个控制回路的测量值、设定值和输出情况。通过具体参数显示底色的变化，可以看到各个设备参数的运行状态（正常、报警）；

　　●控制画面

　　控制画面可以显示各个控制环节的具体情况。在这部分，操作员可看到各个控制回路的运行状态和曲线运行时间及上下限报警值。工程师还可以通过这部分具体修改控制回路的控制参数、量程范围、报警域值、工艺曲线等；

　　●数据趋势图画面

　　趋势数据以曲线形式反应除尘风机曲线及其他它设备运行参数状况，可在同一幅面上同时显示多条曲线，方便寻找相关量，具有局部区域放大/缩小功能；

　　2.4.2.报警和事故处理

　　及时报警：对除尘风机、通风风机、空调机组等相关环节和设备状况进行巡检，并及时与预设定值进行比较，一旦接近预置值，立即发出声光报警信号，确保系统的运行安全；

　　报警和事故报告，记录设备运行中的报警情况和重要事件记录，从而对生产过程可以更好地查询、分析事故原因。所有报告都可以通过打印机实时地打印；

　　报警报告表的内容有：序号、报警项目、正常值、报警值、报警时间、确认时间和消除时间；

　　事故报告表的内容有：序号、事故内容、事故发出时间、确认时间和恢复时间；

　　2.4.3.系统管理功能

　　●诊断功能

　　当系统运行时，能对系统的硬件故障进行自动诊断，当计算机发现系统中某一回路出现异常情况，并在一定时间内不能恢复正常时，系统自动发出报警信号，并显示导常部位、导常类型。便于操作工准确判断故障所在和及时处理排除故障，防止事故的扩大。

　　●参数设定及系统管理

　　工程师可以通过系统功能设定和修改系统的具体参数，从而更好地维护本系统的正常运行。该部分可根据用户要求设置口令，分级操作，以防人为误操作，造成损失。

　　●生产报表

　　自动形成各类运行的日报表、月报表、年报表。并有灵活、方便的打印方式。

　　●设备管理功能

　　系统能够统计故障信息及设备运行时长。对主要电机，如除尘风机、通风风机的运行时间进行累计计时，便于设备管理的预防性维修。

　　2.4.4.记录存储

　　可对除尘风机、通风风机等的实时工况数据进行报表打印、曲线对比及曲线打印；也可对除尘风机、通风风机等工况的历史数据进行保存并可对历史数据和曲线有选择性的打印。

　　2.5通风除尘系统与试验控制系统通讯并形成连锁

　　本通风除尘系统提供的对外接口包括以太网方式和OPC方式，这两种通用接口可以方便与试验控制系统进行通信。如果试验控制系统采用可视化编程软件开发，则可以在可视化软件中将组态软件以控件组件的形式加入，然后调用其属性、事件、方法实现与通风除尘监控系统的通信；如果试验控制系统采用组态软件开发，则可采用OPC通信方式实现两者之间的数据交互。

　　在通风除尘系统中，主PLC程序中设置系统正常标记，即作为自检结果信号，标记设置的依据参数包括试验基坑内实时温度值、空调机组控制器与主PLC通信状态、各电机运行状态、接触线和受电弓温度以及基坑内气压等，这些参数经过PLC程序综合处理得到一个系统运行正常标记，标记信号周期性传输至试验控制系统，试验控制系统以此信号作为启停的依据。

　　在监控软件中组态报警标签，包括基坑内温度值、基坑内气压、基坑内粉尘浓度、出口排放粉尘浓度、接触线温度、受电弓温度、接触线与受电弓滑板摩擦区域风速、各个电机的运行状态以及空调机组运行状态。并提供声音报警和报警条提示方式，报警提示的内容包括异常信号名称类型、异常信号位置、当前值、信号说明等。自检通过，试验系统正常启动后，如果通风除尘系统出现异常，则其监控系统能将异常信号报警条的显示内容传输至试验控制系统，实验系统根据故障信号，然后根据设定的步骤停止实验。安全信号列表见表1所示。

　　3系统硬件配置
3.1服务器

　　由于服务器在系统中起着关键节点的作用，所有必须选用高可靠性的机型，保障服务器长时间的24小时连续运行（应配有UPS），同时还应具有较高的性能，以满足其实时性。数据库服务器选用DELL服务器。

　　3.2监控计算机

　　监控机用于调度人员发布监控命令、显示通风除尘系统运行状态以及完成监控数据检索、统计分析、声光报警和发送控制命令等功能。选用DELL工控机。

　　3.3网络设备配置

　　交换机Cisco带8个100M以太网接口

　　以太网网卡10/100Base－TX

　　3.4UPS电源

　　为了增加系统的可靠性，并考虑网络的扩展，本系统配置了一台支持2小时延时的USP电源。当电网突然停电时，工作人员可以及时将系统退出。

　　3.5PLC部分

　　PLC是该控制系统的核心，控制过程中全部的输入输出量都要经过PLC的处理，所有继电器的动作都由PLC的输出控制来完成。

　　本设计选择的是德国西门子公司S7-300PLC，西门子公司是具有150多年历史的世界知名公司，PLC是其重要产品之一，在世界各PLC应用领域中，无论从占有量、质量还是知名度，西门子公司的PLC都是名列前茅。因此选择西门子公司的PLC是对工程可靠运行的有力保证。

　　S7-300是模块化中型PLC系统，它能满足中等性能要求的应用。模块化，无排风扇结构，易于实现分布，易于用户掌握的特点使得S7-300成为各种中等规模性能要求控制任务的方便又经济的解决方案。

　　S7-300可编程控制器是模块化结构设计。各种单独的模块之间可进行广泛组合。

　　S7-300的系统组成主要有：中央处理单元（CPU）、信号模块(SM)、通讯处理器（CP）、功能模块（FM）、负载电源模块（PS）、接口模块（IM）、SIMATICM7自动化计算机等。SIMATICS7-300适用于通用领域，高电磁兼容性和强抗震性，使其具有最高的工业环境适应性。温度适应范围从0°C--60°C，特殊条件下可达-25°C--60°C，具有更强的耐受震动和污染特性。

　　3.6通风除尘系统主要设备清单

　　3.7制冷机组主要设备清单

　　4系统软件设计

　　4.1操作系统

　　选用符合IEEE和ANSI标准的产品。选用的操作系统如下：

　　服务器操作系统采用MicrosoftWindows2003Server,该操作系统具有以下特点：

　　能与Internet紧密联系

　　当运行繁忙的Web服务器、终端服务、电子商务和VPN解决方案时，通过使用网络负载平衡，将传入的通信在众多的服务器群中分布；利用了最先进的服务器硬件，实现了多达8路的SMP和多达8GB的RAM而增强了性能；通过可靠的集成Internet服务，高性能的WEB站点和应用程序，从而能全面利用Internet的潜力。

　　提高可靠性

　　两节点的、高可靠性的群集服务能确保关键的应用程序正常并按需要进行；网络负载平衡能将发生故障的服务器上的Web工作负荷重新分配；经过改善的核心体系结构提供设计增强功能，以提供系统正常运行时间；分段升级支持，以减少维护或升级（包括从WindowsNT4.0群集升级）所需的计划停机时间。

　　更加易于使用和管理

可以从任一联网Windows2000系统中的“群集管理器”和NLB脚本命令接口远程管理群集；将“群集服务”群集作为ActiveDirectiry对象来访问和管理。

　　新设备的最佳选择

　　利用最新的服务器硬件，包括利用Intel和Profusion芯片和体系结构多达8路的SMP，和使用Intel的物理地址扩展（PAE）的8GBRAM。

　　监控机和管理机操作系统采用MicrosoftWindows2000Professional.

　　4.2组态软件WINCC

　　WinCC是西门子公司在自动化领域采用最先进的技术与微软公司在共同开发的居于世界领先地位的工控软件。WinCC即WINDOWSCONTROLCENTER（视窗控制中心）。WinCC是一个功能强大的全面开放的监控系统，既可以用来完成小规模的简单的过程监控应用，也可以用来完成复杂的应用。在任何情况下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人机对话接口，使操作员能够清晰地管理和优化生产过程。

　　WINCC几乎拥有先进人机界面产品的所有功能，其集成的功能已包括：

　　图形系统---用于自由地组态画面，并完全通过图形对象进行操作，图形对象具有动态属性并可对属性进行在线组态。

　　报警信息系统---记录和存储事件并予以显示，可自由选择信息分类、信息显示和报表，操作非常简便。

　　变量存档----接收、记录和压缩测量值，用于曲线和图表显示及进一步的编辑功能。

　　报表系统---用户自由选择一定的报表格式，按时间顺序或事件触发来对信息操作、文档当前数据进行用户报表输出。

　　数据处理----对图形对象的动作使用C语言及C编译器进行编辑。

　　标准接口----通过ODBC和SQL访问用于组态和过程数据的SYBASE数据库。

　　应用程序接口----允许用户编写可用于扩展WinCC基本功能的标准应用程序。

　　另外，WinCC还提供多种可选软件包。如，通讯开发工具CDK，允许用户开发用于连接数据管理器与任何目标系统的通讯软件。

　　WINCC的组态及归档数据存放在关系型数据库中，数据可用标准工具如ODBC和SQL等读出。很多标准的应用如MicrosoftExcel等可以和WinCC并行运行，同时可通过DDE装载过程数据。操作员站软件允许通用的OCX、ActiveX链接。更进一步，集成的OPC(OLEforprocesscontrol)服务器使得过程数据可由其它应用程序(OPC客户机)访问。

　　4.3编程软件STEP7

　　STEP7是SIEMENS公司S7-300、S7-400、M7系列PLC的标准编程工具。它是在国际标准IEC-1131-3的基础上建立的，它与其它公司的建立在IEC标准上的PLC编程语言是相似的。

　　STEP7可以在微软公司的WINDOWS平台上运行，是可视化编程工具。它同其它WINDOWS应用软件一样容易操作，界面友好，与WINDOWS溶为一体，其基本功能体现在：

　　硬件的组态和参数设置

　　定义通信网络

　　控制程序编制

　　测试、启动、维护

　　文件、建档

　　STEP7以块形式管理用户编写的程序和数据，在一个块中调用另一个块的可能性，即使是子程序，用户程序结构化仍成为可能。这将显著增加PLC程序组织的清晰性，可理解性和易维护性。

　　4.4应用软件

　　为了长期保存实验系统中重要的参数，本系统在监控计算机上安装了数据上传应用软件，负责将数据从监控计算机上传到服务器上，数据库前台应用程序开发工具选用VisualStudio.net，在它的软件包内集成了VB、VC等开发工具。

　　4.5后台数据库

　　数据库用于保存系统运行的参数历史数据、参数报警数据、设备运行时间、设备状态变化时间等信息。将通过人机界面下达的生产任务和监控机执行的情况作永久的记录，已备将来查询。

　　数据库采用支持网络的流行的数据库软件，并支持ODBC、DDE、DLL等开放接口。我们选择性价比高的SQLServer2000,其特性如下：

　　完全的Web支持

　　SQLServer提供可以Web标准为基础的扩展数据库程序功能。丰富的XML和Internet标准支持允许您使用内置的存储过程以XML格式轻松存储和检索数据。您还可以使用XML更新程序容易地插入、更新和删除数据。

　　通过Web轻松访问数据，有了SQLServer，您可以使用HTTP来向数据库发送查询、对数据库中存储的文档执行全文搜索、以及通过Web进行自然语言查询。

　　强大而灵活的基于Web的分析。SQLServer分析服务功能被扩展到了Internet。您可以通过Web浏览器来访问和控制多维数据。

　　开发周期短

　　SQLServer是Microsoft.NETEnterpriseServer的数据管理与分析中枢。SQLServer包括加速从概念到最后交付开发过程的工具。

　　1.集成和可扩展的分析服务。有了SQLServer，您可以建立带有集成工具的端对端分析解决方案，从数据库创造价值。此外，还可以根据分析结果自动驱动商业过程，以及从最复杂的计算灵活的检索自定义结果集。

　　2.快速开发、调试和数据转换。SQLServer带有交互式调节和调试查询、从任何数据源快速移动和转化数据、以及按Transact---SQL方式定义和使用函数等功能。您可以从任意VisualStudio工具以可视化方式设计和编写数据库应用程序。

　　3.简化的管理和调节。使用SQLServer，您可以很容易地在企业资源旁边集中管理数据库。可以在保持联机的同时轻松地在计算机间或实例间移动和复制数据库。

　　4.6PID功能比例作用实际上是一种线性放大(缩小)功能。采样偏差一旦产生，控制器立即产生正比于偏差大小的控制作用，使被调量朝误差减小方向变化。其作用大小通过比例增益Kp度量，Kp大时响应速度快，稳态误差小，但会产生较大的超调或产生不稳定，而Kp过小会使响应速度缓慢，调节时间加长，调节精度降低；积分作用则是一种记忆，对误差进行累积，有利于消除静差。但积分作用如果太强，会引起较大超调或振荡，且在实际当中会经常碰到积分饱和现象；微分作用主要是用来产生提前的控制作用，改善动态特性，减小调整时间，使系统易于稳定。三个参数适当配合才能使系统的过渡过程达到快速、平稳和准确的要求。PID原理图如图3所示。

　　本系统中基坑温度采用中控人工方式控制时，要求基坑内的温度维持在监控中心所设定值左右，为了实现这一功能，系统引入了PID控制策略，如图4所示，不断比较设定值和采集值，将两者的差值作为输入信号，经过PID算法运算，控制执行机构即空调机组，保证当前温度值逼近设定值。整个PID调节过程能达到快速、平稳和准确的要求。

图3基坑内温度PID调节

　　5系统网络

　　本系统选择可靠的网络系统至关重要。在本方案中，各变频器和PLC以及PLC和监控计算机的信息传输采用了可靠、快速的有线传输网络——欧洲的工业现场总线网PROFIBUS，它是由SIEMENS推出的欧洲标准工业现场总线，以其很高的数据传输速度、很高的数据传输可靠性、良好的物理及电气接口标准，在控制领域获得了广泛的应用。而且，本方案中所选的控制器（PLC）、变频器等硬件本身都集成了PROFIBUS接口，可以非常方便可靠地连接成一个现场总线网络。

　　5.1PROFIBUS的定义及分类

　　PROFIBUS是ProcessFieldbus的缩写，是一种国际性的开放式的现场总线标准，即EN50170欧洲标准，目前世界上许多自动化生产厂家都为它们生产的设备提供PROFIBUS接口。它广泛适用于制造业自动化、流程工业自动化和楼宇、交通、电力、等其他领域自动化。PROFIBUS根据应用特点分为：PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三个兼容版本。

　　（1）PROFIBUS-DP：经过优化的高速、廉价的通信链，专为自动控制系统和设备级分散I/O之间通信设计，使用PROFIBUS-DP模块可取代昂贵的24V或0～20mA并行信号线。用于分布式控制系统的高速数据传输。

　　（2）PROFIBUS-FMS：解决车间级通用性通信任务，提供大量的通信服务，完成中等传输速度的循环和非循环通信任务，用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、传感器和执行器、可编程控制器、低压开关设备等一般自动化控制。它是一个令牌结构，实时多主网络。

　　PROFIBUS是一种用于工厂自动化车间级监控和现场设备层数据通信与控制的现场总线技术。可实现现场设备层到车间级监控的分散式数字控制和现场通信网络，从而为实现工厂综合自动化和现场设备智能化提供了可行的解决方案。

　　5.2PROFIBUS协议结构

　　PROFIBUS协议结构是根据ISO7498国际标准、以开放式系统互联网络（OpenSystemInerconnectionOSI）作为参考模型的。该模型共有七层：物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。现场总线采用简化的网络体系结构，具有类似于OSI模型的物理层、数据链路层和应用层的3层协议或进一步包括网络层或传输层在内的4层协议，而不采用会话层和表示层。流量控制和差错控制放在数据链路层执行，而报文的可靠传输可以放在数据链路层或者应用层执行。这种流体型结构确保了数据传输的快速和有效，用户接口规定了用户及系统以及不同设备可以调用的应用功能。

　　PROFIBUS-DP采用RS485进行传输，采用屏蔽双绞同线电缆，共用一根导线对。波特率从9.6Kbit/s到19.2Mbit/s。RS485操作容易，总线结构允许增加和减少站点，分布投入不会影响到其他站点的操作。

　　6结束语

　　作为高速弓网关系试验台正常运行辅助系统的通风除尘系统，与试验台运行之间存在连锁关系，除尘效果的如何直接关系到试验台实验数据的准确性，本文从控制要求出发，从硬件、软件、控制策略等方面详细阐述了通风除尘系统实现自动控制的过程，整个设计思路符合集散控制系统分散控制、集中管理的要求，其解决方案对高速弓网适用的场合有非常不错的借鉴意义。

　　作者简介：

　　孔令辉男工程师主要研究方向：先进计算机控制及智能系统

　　通信地址：山东省济南市山东大学千佛山校区控制科学与工程学院何小虎收

　　邮编：250061

　　联系电话：13465313104

　　E-Mail:xiaohu178027@yahoo.com.cn

　　稿费接收人地址：山东省济南市山东大学千佛山校区控制科学与工程学院何小虎收

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