高速弓網關系試驗臺通風除塵自動控制系統設計

　　1系統概述

　　整個除塵系統以西門子S7-300PLC為控制核心，使用性能先進的施耐德變頻器控制風機，采用當今廣泛使用的PROFIBUS總線與各個變頻器通訊連接，監控計算機采用以太網結構，為內部信息網絡構建提供接口。整個系統通過先進、高速穩定的網絡平臺，通過優良、全面的設計為高速弓網關系試驗臺提供一個技術先進、安全可靠、易于操作、便于維護、具有很強擴展功能的控制系統。

　　1.1系統設計目標

　　根據本項目的特點和要求，本系統設計目標就是要使系統具有先進性、安全性、可靠性、擴展性、可操作性、可維護性和經濟實用性。

　　先進性

　　系統采用西門子先進的PLC，施耐德最新的變頻器ATV71系列，使用現場總線PROFIBUS及以太網網絡通訊；采用人性化的操作界面，通過對設備狀態真實直觀的反映，使操作人員清楚地掌握在控設備的運行狀態；此外，系統還有完善的報警、提示、診斷功能。

　　安全可靠性

　　控制系統的安全可靠、穩定運行是電控系統最基本的要求。為保證該系統的質量可靠，一是采用先進成熟的技術，如PLC控制、現場總線、網絡技術等；二是使用國內外優質產品，如西門子、施耐德、金鐘穆勒等；三是監控系統采用多級密碼權限管理，保證系統安全運行；四是控制系統控制方式既獨立又集中。當上位機出現故障時，現場可以手動進行操作，確保所有設備能正常運行。

　　擴展性

　　系統要有良好的擴展功能，在今后的發展中可根據需要擴容，不必改動系統的整體結構。在本次設計中具有一定的可擴展功能。

　　可操作性

　　系統集中控制操作，也可分布操作，單機操作，便于安裝、調試、操作和維護。系統操作簡便，操作界面直觀，易學易用。

　　可維護性

　　在項目設計施工中，按照規范進行施工，進行掛牌、標識，編號清晰；系統具備實時故障診斷功能，能準確及時地對故障進行顯示和定位；在設備選型中，盡量選用通用的設備，編程組態時結構清晰易讀易查，便于維護。

　　經濟實用性

　　在保證技術先進、質量可靠、功能完善的前提下，通過合理的方案配置達到最佳的性能價格比；在設計中也要考慮到今后技術的發展，系統的軟硬件升級換代方面留有余地，便于備品備件的選擇，擴展方便。

　　1.2設計引用標準

　　本系統實施所涉及的技術標準和規范、產品標準和規范、工程標準和規范包括：

　　GA/T75-94《安全防范工程程序與要求》

　　GB50093-2002《自動化儀表工程施工及驗收規范》

　　GBJ63-90《電氣裝置的電測量儀表裝置設計規范》

　　GB7251.3-1997《低壓成套開關設備和控制設備設計規范》

　　GB50169-2006《電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范》

　　GB2054-96《電氣裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規范》

　　GB/T50328-2001《建設工程文件歸檔整理規范》

2系統總體設計

圖1系統總體結構圖

　　整個通風除塵系統由4層結構組成，即設備層、PLC控制層、監控層以及信息管理層。

　　設備層主要的控制對象：通風風機、室外除塵設備、空調機組、通風除塵管道等。

　　主控制器采用西門子S7300系列的CPU315-2PN/DP，自帶1個DP口和1個以太網口，DP口和變頻器通信，以太網口主要是為調試時所留用。

　　監控計算機上安裝CP5611板卡，采用PROFIBUS通訊方式和現場PLC通信。監控計算機通過Web發布的方式實現遠程主機對其訪問和控制。

　　熱備份計算機與監控計算機同步，當監控計算機由于意外情況停止運行時，熱備份計算機能夠馬上投入使用，避免影響系統控制效果。

　　服務器主要負責實驗所需參數的存儲，所需重要數據一方面存于監控計算機上，又同時上傳到服務器，監控計算機上的數據保存的年限有限，服務器的數據可以一直保存，以備歷史查詢和檢索。

　　2.1系統控制方式

　　控制方式有兩種類型：“本地／遠控”和“手動／自動”。

　　PLC柜上設有“本地／遠控”開關，當開關打到“本地”時，由PLC控制系統內所有設備；當開關打到“遠控”時，監控計算機可以直接控制本系統內的現地設備。

　　對每一個單機設備，電控柜上都設有“手動／自動”開關。當開關打到“自動”時，由PLC程序自動控制設備；當開關打到“手動”時，由工作人員人工控制設備，這樣就保證了PLC出現故障時，動力設備能正常運行。

　　對功率在7.5KW以上的設備，采用軟啟動或者變頻器控制方式。對功率在7.5KW以下的設備采用直接啟動方式。對需要軟啟動的設備，采用I/O觸點直接控制，對變頻器控制的設備，采用網絡方式控制。

　　2.2風機變頻控制

　　空調機組、通風風機和除塵風機采用變頻器控制，變頻器選用施耐德ATV71系列，配置PROFIBUS-DP接口板卡，通過PROFIBUS-DP接口板卡和控制系統S7315-2PN/DP相連，風機的啟停控制、運行狀態及電壓、電流、功率等數據均可實時監控。風機采用變頻器控制，就不再使用交流接觸器，配置相應的斷路器。在風機的現場裝配轉換開關，便于現場手動操作和檢修。

　　2.3除塵系統

　　除塵部分的風機和卸灰閥協同動作，完成系統除塵。每當除塵器主風機電機啟停時，相應的卸灰電機也一起啟動，在時間上有一定的延時動作。卸灰閥正反運行，現場配置轉換開關，可以隔離主電源回路，便于設備的安全檢修。

　　2.4監控計算機實現的功能

　　2.4.1圖形監控系統

　　●除塵系統流程畫面

　　實驗流程部分，實時動態地顯示除塵風機、卸灰閥、通風風機以及空調機組運行狀況，可以監測到設備運行過程中的所有參數以及電機、閥門狀態，聲光報警，操作工可以使用鼠標操作。通過運行參數的顯示顏色，操作員可以一目了然地看到該參數的運行狀態（正常、報警）。在流程部分可以直接調出具體調節回路的運行畫面和設備運行程序控制畫面；

　　●運行數據總表畫面

　　設備運行數據總表列出設備運行的各個參數的實時情況，可以一覽各控制回路、數據監測回路的運行情況。可以看到各個控制回路的測量值、設定值和輸出情況。通過具體參數顯示底色的變化，可以看到各個設備參數的運行狀態（正常、報警）；

　　●控制畫面

　　控制畫面可以顯示各個控制環節的具體情況。在這部分，操作員可看到各個控制回路的運行狀態和曲線運行時間及上下限報警值。工程師還可以通過這部分具體修改控制回路的控制參數、量程范圍、報警域值、工藝曲線等；

　　●數據趨勢圖畫面

　　趨勢數據以曲線形式反應除塵風機曲線及其他它設備運行參數狀況，可在同一幅面上同時顯示多條曲線，方便尋找相關量，具有局部區域放大/縮小功能；

　　2.4.2.報警和事故處理

　　及時報警：對除塵風機、通風風機、空調機組等相關環節和設備狀況進行巡檢，并及時與預設定值進行比較，一旦接近預置值，立即發出聲光報警信號，確保系統的運行安全；

　　報警和事故報告，記錄設備運行中的報警情況和重要事件記錄，從而對生產過程可以更好地查詢、分析事故原因。所有報告都可以通過打印機實時地打印；

　　報警報告表的內容有：序號、報警項目、正常值、報警值、報警時間、確認時間和消除時間；

　　事故報告表的內容有：序號、事故內容、事故發出時間、確認時間和恢復時間；

　　2.4.3.系統管理功能

　　●診斷功能

　　當系統運行時，能對系統的硬件故障進行自動診斷，當計算機發現系統中某一回路出現異常情況，并在一定時間內不能恢復正常時，系統自動發出報警信號，并顯示導常部位、導常類型。便于操作工準確判斷故障所在和及時處理排除故障，防止事故的擴大。

　　●參數設定及系統管理

　　工程師可以通過系統功能設定和修改系統的具體參數，從而更好地維護本系統的正常運行。該部分可根據用戶要求設置口令，分級操作，以防人為誤操作，造成損失。

　　●生產報表

　　自動形成各類運行的日報表、月報表、年報表。并有靈活、方便的打印方式。

　　●設備管理功能

　　系統能夠統計故障信息及設備運行時長。對主要電機，如除塵風機、通風風機的運行時間進行累計計時，便于設備管理的預防性維修。

　　2.4.4.記錄存儲

　　可對除塵風機、通風風機等的實時工況數據進行報表打印、曲線對比及曲線打印；也可對除塵風機、通風風機等工況的歷史數據進行保存并可對歷史數據和曲線有選擇性的打印。

　　2.5通風除塵系統與試驗控制系統通訊并形成連鎖

　　本通風除塵系統提供的對外接口包括以太網方式和OPC方式，這兩種通用接口可以方便與試驗控制系統進行通信。如果試驗控制系統采用可視化編程軟件開發，則可以在可視化軟件中將組態軟件以控件組件的形式加入，然后調用其屬性、事件、方法實現與通風除塵監控系統的通信；如果試驗控制系統采用組態軟件開發，則可采用OPC通信方式實現兩者之間的數據交互。

　　在通風除塵系統中，主PLC程序中設置系統正常標記，即作為自檢結果信號，標記設置的依據參數包括試驗基坑內實時溫度值、空調機組控制器與主PLC通信狀態、各電機運行狀態、接觸線和受電弓溫度以及基坑內氣壓等，這些參數經過PLC程序綜合處理得到一個系統運行正常標記，標記信號周期性傳輸至試驗控制系統，試驗控制系統以此信號作為啟停的依據。

　　在監控軟件中組態報警標簽，包括基坑內溫度值、基坑內氣壓、基坑內粉塵濃度、出口排放粉塵濃度、接觸線溫度、受電弓溫度、接觸線與受電弓滑板摩擦區域風速、各個電機的運行狀態以及空調機組運行狀態。并提供聲音報警和報警條提示方式，報警提示的內容包括異常信號名稱類型、異常信號位置、當前值、信號說明等。自檢通過，試驗系統正常啟動后，如果通風除塵系統出現異常，則其監控系統能將異常信號報警條的顯示內容傳輸至試驗控制系統，實驗系統根據故障信號，然后根據設定的步驟停止實驗。安全信號列表見表1所示。

　　3系統硬件配置
3.1服務器

　　由于服務器在系統中起著關鍵節點的作用，所有必須選用高可靠性的機型，保障服務器長時間的24小時連續運行（應配有UPS），同時還應具有較高的性能，以滿足其實時性。數據庫服務器選用DELL服務器。

　　3.2監控計算機

　　監控機用于調度人員發布監控命令、顯示通風除塵系統運行狀態以及完成監控數據檢索、統計分析、聲光報警和發送控制命令等功能。選用DELL工控機。

　　3.3網絡設備配置

　　交換機Cisco帶8個100M以太網接口

　　以太網網卡10/100Base－TX

　　3.4UPS電源

　　為了增加系統的可靠性，并考慮網絡的擴展，本系統配置了一臺支持2小時延時的USP電源。當電網突然停電時，工作人員可以及時將系統退出。

　　3.5PLC部分

　　PLC是該控制系統的核心，控制過程中全部的輸入輸出量都要經過PLC的處理，所有繼電器的動作都由PLC的輸出控制來完成。

　　本設計選擇的是德國西門子公司S7-300PLC，西門子公司是具有150多年歷史的世界知名公司，PLC是其重要產品之一，在世界各PLC應用領域中，無論從占有量、質量還是知名度，西門子公司的PLC都是名列前茅。因此選擇西門子公司的PLC是對工程可靠運行的有力保證。

　　S7-300是模塊化中型PLC系統，它能滿足中等性能要求的應用。模塊化，無排風扇結構，易于實現分布，易于用戶掌握的特點使得S7-300成為各種中等規模性能要求控制任務的方便又經濟的解決方案。

　　S7-300可編程控制器是模塊化結構設計。各種單獨的模塊之間可進行廣泛組合。

　　S7-300的系統組成主要有：中央處理單元（CPU）、信號模塊(SM)、通訊處理器（CP）、功能模塊（FM）、負載電源模塊（PS）、接口模塊（IM）、SIMATICM7自動化計算機等。SIMATICS7-300適用于通用領域，高電磁兼容性和強抗震性，使其具有最高的工業環境適應性。溫度適應范圍從0°C--60°C，特殊條件下可達-25°C--60°C，具有更強的耐受震動和污染特性。

　　3.6通風除塵系統主要設備清單

　　3.7制冷機組主要設備清單

　　4系統軟件設計

　　4.1操作系統

　　選用符合IEEE和ANSI標準的產品。選用的操作系統如下：

　　服務器操作系統采用MicrosoftWindows2003Server,該操作系統具有以下特點：

　　能與Internet緊密聯系

　　當運行繁忙的Web服務器、終端服務、電子商務和VPN解決方案時，通過使用網絡負載平衡，將傳入的通信在眾多的服務器群中分布；利用了最先進的服務器硬件，實現了多達8路的SMP和多達8GB的RAM而增強了性能；通過可靠的集成Internet服務，高性能的WEB站點和應用程序，從而能全面利用Internet的潛力。

　　提高可靠性

　　兩節點的、高可靠性的群集服務能確保關鍵的應用程序正常并按需要進行；網絡負載平衡能將發生故障的服務器上的Web工作負荷重新分配；經過改善的核心體系結構提供設計增強功能，以提供系統正常運行時間；分段升級支持，以減少維護或升級（包括從WindowsNT4.0群集升級）所需的計劃停機時間。

　　更加易于使用和管理

可以從任一聯網Windows2000系統中的“群集管理器”和NLB腳本命令接口遠程管理群集；將“群集服務”群集作為ActiveDirectiry對象來訪問和管理。

　　新設備的最佳選擇

　　利用最新的服務器硬件，包括利用Intel和Profusion芯片和體系結構多達8路的SMP，和使用Intel的物理地址擴展（PAE）的8GBRAM。

　　監控機和管理機操作系統采用MicrosoftWindows2000Professional.

　　4.2組態軟件WINCC

　　WinCC是西門子公司在自動化領域采用最先進的技術與微軟公司在共同開發的居于世界領先地位的工控軟件。WinCC即WINDOWSCONTROLCENTER（視窗控制中心）。WinCC是一個功能強大的全面開放的監控系統，既可以用來完成小規模的簡單的過程監控應用，也可以用來完成復雜的應用。在任何情況下WinCC都可以生成漂亮而便捷的人機對話接口，使操作員能夠清晰地管理和優化生產過程。

　　WINCC幾乎擁有先進人機界面產品的所有功能，其集成的功能已包括：

　　圖形系統---用于自由地組態畫面，并完全通過圖形對象進行操作，圖形對象具有動態屬性并可對屬性進行在線組態。

　　報警信息系統---記錄和存儲事件并予以顯示，可自由選擇信息分類、信息顯示和報表，操作非常簡便。

　　變量存檔----接收、記錄和壓縮測量值，用于曲線和圖表顯示及進一步的編輯功能。

　　報表系統---用戶自由選擇一定的報表格式，按時間順序或事件觸發來對信息操作、文檔當前數據進行用戶報表輸出。

　　數據處理----對圖形對象的動作使用C語言及C編譯器進行編輯。

　　標準接口----通過ODBC和SQL訪問用于組態和過程數據的SYBASE數據庫。

　　應用程序接口----允許用戶編寫可用于擴展WinCC基本功能的標準應用程序。

　　另外，WinCC還提供多種可選軟件包。如，通訊開發工具CDK，允許用戶開發用于連接數據管理器與任何目標系統的通訊軟件。

　　WINCC的組態及歸檔數據存放在關系型數據庫中，數據可用標準工具如ODBC和SQL等讀出。很多標準的應用如MicrosoftExcel等可以和WinCC并行運行，同時可通過DDE裝載過程數據。操作員站軟件允許通用的OCX、ActiveX鏈接。更進一步，集成的OPC(OLEforprocesscontrol)服務器使得過程數據可由其它應用程序(OPC客戶機)訪問。

　　4.3編程軟件STEP7

　　STEP7是SIEMENS公司S7-300、S7-400、M7系列PLC的標準編程工具。它是在國際標準IEC-1131-3的基礎上建立的，它與其它公司的建立在IEC標準上的PLC編程語言是相似的。

　　STEP7可以在微軟公司的WINDOWS平臺上運行，是可視化編程工具。它同其它WINDOWS應用軟件一樣容易操作，界面友好，與WINDOWS溶為一體，其基本功能體現在：

　　硬件的組態和參數設置

　　定義通信網絡

　　控制程序編制

　　測試、啟動、維護

　　文件、建檔

　　STEP7以塊形式管理用戶編寫的程序和數據，在一個塊中調用另一個塊的可能性，即使是子程序，用戶程序結構化仍成為可能。這將顯著增加PLC程序組織的清晰性，可理解性和易維護性。

　　4.4應用軟件

　　為了長期保存實驗系統中重要的參數，本系統在監控計算機上安裝了數據上傳應用軟件，負責將數據從監控計算機上傳到服務器上，數據庫前臺應用程序開發工具選用VisualStudio.net，在它的軟件包內集成了VB、VC等開發工具。

　　4.5后臺數據庫

　　數據庫用于保存系統運行的參數歷史數據、參數報警數據、設備運行時間、設備狀態變化時間等信息。將通過人機界面下達的生產任務和監控機執行的情況作永久的記錄，已備將來查詢。

　　數據庫采用支持網絡的流行的數據庫軟件，并支持ODBC、DDE、DLL等開放接口。我們選擇性價比高的SQLServer2000,其特性如下：

　　完全的Web支持

　　SQLServer提供可以Web標準為基礎的擴展數據庫程序功能。豐富的XML和Internet標準支持允許您使用內置的存儲過程以XML格式輕松存儲和檢索數據。您還可以使用XML更新程序容易地插入、更新和刪除數據。

　　通過Web輕松訪問數據，有了SQLServer，您可以使用HTTP來向數據庫發送查詢、對數據庫中存儲的文檔執行全文搜索、以及通過Web進行自然語言查詢。

　　強大而靈活的基于Web的分析。SQLServer分析服務功能被擴展到了Internet。您可以通過Web瀏覽器來訪問和控制多維數據。

　　開發周期短

　　SQLServer是Microsoft.NETEnterpriseServer的數據管理與分析中樞。SQLServer包括加速從概念到最后交付開發過程的工具。

　　1.集成和可擴展的分析服務。有了SQLServer，您可以建立帶有集成工具的端對端分析解決方案，從數據庫創造價值。此外，還可以根據分析結果自動驅動商業過程，以及從最復雜的計算靈活的檢索自定義結果集。

　　2.快速開發、調試和數據轉換。SQLServer帶有交互式調節和調試查詢、從任何數據源快速移動和轉化數據、以及按Transact---SQL方式定義和使用函數等功能。您可以從任意VisualStudio工具以可視化方式設計和編寫數據庫應用程序。

　　3.簡化的管理和調節。使用SQLServer，您可以很容易地在企業資源旁邊集中管理數據庫。可以在保持聯機的同時輕松地在計算機間或實例間移動和復制數據庫。

　　4.6PID功能比例作用實際上是一種線性放大(縮小)功能。采樣偏差一旦產生，控制器立即產生正比于偏差大小的控制作用，使被調量朝誤差減小方向變化。其作用大小通過比例增益Kp度量，Kp大時響應速度快，穩態誤差小，但會產生較大的超調或產生不穩定，而Kp過小會使響應速度緩慢，調節時間加長，調節精度降低；積分作用則是一種記憶，對誤差進行累積，有利于消除靜差。但積分作用如果太強，會引起較大超調或振蕩，且在實際當中會經常碰到積分飽和現象；微分作用主要是用來產生提前的控制作用，改善動態特性，減小調整時間，使系統易于穩定。三個參數適當配合才能使系統的過渡過程達到快速、平穩和準確的要求。PID原理圖如圖3所示。

　　本系統中基坑溫度采用中控人工方式控制時，要求基坑內的溫度維持在監控中心所設定值左右，為了實現這一功能，系統引入了PID控制策略，如圖4所示，不斷比較設定值和采集值，將兩者的差值作為輸入信號，經過PID算法運算，控制執行機構即空調機組，保證當前溫度值逼近設定值。整個PID調節過程能達到快速、平穩和準確的要求。

圖3基坑內溫度PID調節

　　5系統網絡

　　本系統選擇可靠的網絡系統至關重要。在本方案中，各變頻器和PLC以及PLC和監控計算機的信息傳輸采用了可靠、快速的有線傳輸網絡——歐洲的工業現場總線網PROFIBUS，它是由SIEMENS推出的歐洲標準工業現場總線，以其很高的數據傳輸速度、很高的數據傳輸可靠性、良好的物理及電氣接口標準，在控制領域獲得了廣泛的應用。而且，本方案中所選的控制器（PLC）、變頻器等硬件本身都集成了PROFIBUS接口，可以非常方便可靠地連接成一個現場總線網絡。

　　5.1PROFIBUS的定義及分類

　　PROFIBUS是ProcessFieldbus的縮寫，是一種國際性的開放式的現場總線標準，即EN50170歐洲標準，目前世界上許多自動化生產廠家都為它們生產的設備提供PROFIBUS接口。它廣泛適用于制造業自動化、流程工業自動化和樓宇、交通、電力、等其他領域自動化。PROFIBUS根據應用特點分為：PROFIBUS-DP，PROFIBUS-FMS，PROFIBUS-PA三個兼容版本。

　　（1）PROFIBUS-DP：經過優化的高速、廉價的通信鏈，專為自動控制系統和設備級分散I/O之間通信設計，使用PROFIBUS-DP模塊可取代昂貴的24V或0～20mA并行信號線。用于分布式控制系統的高速數據傳輸。

　　（2）PROFIBUS-FMS：解決車間級通用性通信任務，提供大量的通信服務，完成中等傳輸速度的循環和非循環通信任務，用于紡織工業、樓宇自動化、電氣傳動、傳感器和執行器、可編程控制器、低壓開關設備等一般自動化控制。它是一個令牌結構，實時多主網絡。

　　PROFIBUS是一種用于工廠自動化車間級監控和現場設備層數據通信與控制的現場總線技術。可實現現場設備層到車間級監控的分散式數字控制和現場通信網絡，從而為實現工廠綜合自動化和現場設備智能化提供了可行的解決方案。

　　5.2PROFIBUS協議結構

　　PROFIBUS協議結構是根據ISO7498國際標準、以開放式系統互聯網絡（OpenSystemInerconnectionOSI）作為參考模型的。該模型共有七層：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。現場總線采用簡化的網絡體系結構，具有類似于OSI模型的物理層、數據鏈路層和應用層的3層協議或進一步包括網絡層或傳輸層在內的4層協議，而不采用會話層和表示層。流量控制和差錯控制放在數據鏈路層執行，而報文的可靠傳輸可以放在數據鏈路層或者應用層執行。這種流體型結構確保了數據傳輸的快速和有效，用戶接口規定了用戶及系統以及不同設備可以調用的應用功能。

　　PROFIBUS-DP采用RS485進行傳輸，采用屏蔽雙絞同線電纜，共用一根導線對。波特率從9.6Kbit/s到19.2Mbit/s。RS485操作容易，總線結構允許增加和減少站點，分布投入不會影響到其他站點的操作。

　　6結束語

　　作為高速弓網關系試驗臺正常運行輔助系統的通風除塵系統，與試驗臺運行之間存在連鎖關系，除塵效果的如何直接關系到試驗臺實驗數據的準確性，本文從控制要求出發，從硬件、軟件、控制策略等方面詳細闡述了通風除塵系統實現自動控制的過程，整個設計思路符合集散控制系統分散控制、集中管理的要求，其解決方案對高速弓網適用的場合有非常不錯的借鑒意義。

　　作者簡介：

　　孔令輝男工程師主要研究方向：先進計算機控制及智能系統

　　通信地址：山東省濟南市山東大學千佛山校區控制科學與工程學院何小虎收

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　　E-Mail:xiaohu178027@yahoo.com.cn

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