PCS7控制系统在分布式能源站中的应用

2018-06-11邱亚鸣于会群彭道刚

浙江电力 2018年5期

邱亚鸣，姚峻，胡静，于会群，彭道刚

（1.上海电力学院自动化工程学院，上海 200090；2.上海明华电力技术工程有限公司，上海 200090）

0 引言

分布式能源站是分布在用户端的能源综合利用系统，直接满足用户多种用能需求，实现了能源的梯级利用，冷热电联供系统是分布式能源站的主要实现形式[1]。型号丰富的分布式能源设备和灵活的能源站设计方案，一方面促进了分布式能源站的发展，另一方面也给能源站的自动控制带来了挑战。以冷热电三联供为特征的天然气分布式能源站，系统构成和运行工况复杂，对外供能有时间惯性，用户负荷不确定[2]。分布式能源站的工业过程具有监控数据量大、控制精度要求高、允许控制范围有限、高非线性、强耦合和时变不确定等特点，从而增加了分布式能源站协同控制的难度[3-4]。传统的控制系统和控制策略难以获得满意的控制品质，基于先进的过程控制系统构建分布式能源站控制系统成为解决能源站控制难题的重要保障。

西门子的工业自动控制系统安全可靠、先进成熟，在化工、磨矿等工业领域中应用广泛。在西门子自控系统的系列产品中，SIMATIC PCS7过程控制系统具备常规DCS（分布式控制系统）、PLC（可编程控制器）产品不可比拟的优势[5]：PCS7系统结构完整并且开放灵活，能够对分布式能源站整体运行进行全方位监控，便于在分布式能源站运营过程中在控制系统中增加新用户站；PCS7具有较强的诊断功能，可以同时提供系统和智能设备的诊断信息，可满足分布式能源站在能源互联网环境下故障诊断与自愈控制的功能需求；PCS7主要针对S7-400系列高端PLC进行组态，具有多任务处理能力，同时实现大量复杂回路控制和快速逻辑控制，可以解决分布式能源站海量数据处理和分布式能源设备协同控制问题。综合上述分析，西门子SIMATIC PCS7过程控制系统适合用于搭建能源互联网背景下的分布式能源站自动控制系统。

以下从如何构建分层控制系统、实现组态控制逻辑和搭建监控平台3个方面，介绍西门子PCS7过程控制系统在分布式能源站中的应用。实际的工程应用也验证了基于西门子PCS7构建的分布式能源站控制系统可以保证分布式能源站稳定可靠对外供能，且满足工艺生产的基本要求。

1 分布式能源站分层控制系统

分布式能源站作为能源互联网的重要节点，其通信网络不仅需要对下满足自身系统控制需求，还需对上实现与其他能源子站共享信息，通过能源综合管理中心的协调调度，实现电力和热力的互联互通、互相补偿[6]。PCS7过程控制系统支持的3层网络结构可以满足分布式能源站的通信需求。对于分布式能源站的内部控制需求，首先基于现场总线层的Profibus-DP与Profibus-PA通信方式，实现控制站与现场站或设备之间的通信。其次，基于控制总线层的工业以太网通信，根据控制系统的规模，选择控制器与操作员站或服务器之间的网络结构。当控制系统规模较小时，通常采用单站结构，每台单站独立运行，分别从控制器采集、处理和归档数据。当规模较大时，则采用客户机/服务器结构，由服务器统一从控制器采集、处理和归档数据，操作员站通过工业以太网或者标准以太网从服务器中读取数据。对于分布式能源站的信息发布需求，PCS7支持能源站通过标准以太网或互联网连接上层厂级网络，在通信层面将分布式能源站接入到分布式能源互联网中。

文中所研究的分布式能源站配备了4组冗余的400-H过程控制站、3台操作员站、2台工程师站和1台历史数据服务站。相对于常规火电厂而言，工业以太网络内的设备数量不多，规模较小，因此，选用单站结构搭建分层控制系统即可满足分布式能源站的网络控制需求，且成本低于客户机/服务器结构。另一方面，分布式能源在实际建设过程中会有新的用户站控制器不断接入到网络系统中，因此，工业以太网采用了环形网络拓扑结构，便于增减工作站，并且采用光纤作为通信介质，提高了数据传输速率的上限。为了提高能源站约3 000个I/O（输入/输出）点与控制器的通信可靠性，采用Profibus-DP总线通信。为了节约通信成本，对于通信量不大且需单一管理的分布式设备采用Modbus 485通信，例如离心冷机等。按照能源互联网环境下分布式能源站的建设要求[7-8]，需要设计能源管理层，实现对各个能源站的运行管理和优化。根据层次化、模块化和灵活性的总体架构建设原则[9]，某分布式能源站的分层控制系统架构如图1所示。分层架构设计将分布式能源站复杂控制系统网络分成更小、更易于管理、更可靠的领域，采用模块化方法对上述领域进行深入设计，整个分层控制系统在添加新服务或者扩充网络时不会影响整体网络架构。

图1中的分布式能源站分层控制系统采用单站结构，利用10/100 Mbps的工业以太网将4组冗余的400-H过程控制站、3台操作员站、2台工程师站和1台历史数据服务站连接成控制系统的骨干网络，构成控制总线层。PLC直接或者通过OLM模块与ET200PA DP从站进行Profibus-DP通信，实现现场I/O模块与控制器之间的通信，构成现场总线层。分布式能源站的现场总线层和控制总线层实现了能源站内部的自动控制。图1中的标准以太网将分布式能源站的信息发布到能源管理层，实现了信息共享。结合实际运行情况，基于PCS7过程控制系统构建的分层控制系统可以满足分布式能源站的通信需求。

2 分布式能源站逻辑组态

图1 单站结构的分布式能源站分层控制系统

分布式能源站的控制系统通常涵盖基于能源梯级利用的燃气冷热电三联供系统、基于可再生能源系统的热泵系统以及水储能系统，形成冷热能、天然气能、储能和电能泛能互补的能源互联网[10-11]。更广义的分布式能源站还包含光能和风能等新能源，广义分布式能源站的系统结构如图2所示。在100%设计负荷工况下，兼顾峰谷电价，分布式供能设备优先开机运行，燃机余热进入吸收式溴化锂机组制能，其余负荷部分依次开启离心式机组和空气源热泵，蓄能部分作为高峰负荷调峰。在部分负荷工况下，分布式供能机组依然优先开机运行，依次减少热泵和离心式机组的运行台数，同时蓄能优先供应峰电时段负荷。

图2 广义分布式能源站的系统结构

分布式能源站控制的生产设备类型丰富，系统构成复杂，运行方式灵活，需采用分层模块化的方法组态分布式能源站的控制逻辑。为了提高控制逻辑的编程效率，尤其是针对复杂控制程序，PCS7在LAD（梯形图）、FBD（功能块图）和STL（语句表）3种编程基本工具之外，还提供了CFC（连续功能图）、SFC（顺序功能图）和SCL（结构文本）3种编程工具，分别适用于能源站单体设备控制逻辑、子系统顺序控制逻辑和全系统优化控制逻辑的开发[12]。

2.1 单体设备的CFC控制

针对分布式能源站单体设备的连续过程控制需求，PCS7提供了图形化的组态工程工具CFC。CFC以功能块为基础进行编程，PCS7在CFC标准库和APL（高级过程库）中预置了驱动技术块、控制技术块、转化技术块、数学运算块、操作技术块和信息技术块等多种功能块，简化了系统的组态和维护。每个CFC可以扩展为26个级，每级具有6个页的编程空间，同一个CFC内的功能块之间可以直接连线。若采用S7-400的控制器，则处于不同控制器的控制块之间也可以直接连线，能够完成复杂的大型过程控制任务。对于重复使用的CFC，可以将其内部细节隐藏构建出带有I/O的功能块图表，能被其他连续CFC直接调用，可进一步将该功能块图表编译成FB（功能块），以便于在LAD等语言中使用。基于PCS7的ITA（全集成自动化），CFC中还可以完成数据归档、报警消息组态和动态监视画面自动生成等。

在某分布式能源站中，水泵和阀门等常规单体设备，直接调用了PCS7 AP Library V81库中预置的设备单体驱动程序。对于一些分布式能源站特有的设备，可以购买西门子能源行业的设备驱动库或者基于SCL语言自定义开发。灵活改编和使用预置的通用驱动程序也可以满足部分能源站特有设备的控制需求。在该项目中，冷却塔风机的控制要求包括远程启停机、远方就地切换和风机高低双速运行，采用PCS7 AP Library V81库中的双速电机实现了对冷却塔风机的控制，不需要专门的冷却塔风机驱动块，冷却塔风机的CFC控制逻辑如图3所示。图3所示的功能块处于循环周期OB35之中，以默认的200 ms循环周期运行。实践经验表明，PCS7可以满足分布式能源站单体设备的控制需求。

2.2 子系统的SFC顺序控制

分布式能源站的运行工况复杂，子系统顺序控制开发工作量大。某分布式能源站的子系统顺序控制涵盖了离心冷机与空气源热泵的制冷启停及其一键切换、由空气源热泵与离心热泵构成的复叠式制热启停及其一键切换、由大冷机与小冷机构成的热回收启停及其一键切换和大小蓄能水槽的蓄释冷热等。基于IEC 61131-3标准，PCS7提供了图形化的顺序控制系统组态语言SFC，大大提高了分布式能源站顺序控制系统的开发效率，也为调试和维护带来方便。SFC将一个控制问题分解为若干个可管理的阶段，由“步”、“路径”和“转换条件”三要素组成，当转换条件满足时结束上一阶段的“步”，并按照“路径”开始下一阶段的“步”，然后等待下一个转换条件的满足，直至顺序控制流程结束[1]。其中，顺序功能图中的“路径”由单步、选择、并行、循环和跳转这5种基本结构构成，具有高级语言的特性，适合于组态复杂的顺序控制程序。如果顺序控制系统只使用一次，并且该顺序控制系统将控制生产工厂的多个子区域，则使用SFC图表即可；如果需要多次使用顺序控制系统，并且该顺序控制系统具有分别控制生产工厂各自子区域的SFC实例，则需要使用SFC类型，对SFC类型所做的集中更改将自动传送给所有SFC实例。

图3 冷却塔风机的CFC控制逻辑

以该项目中的大冷机制冷模式切换顺序控制为例，该顺序控制采用了单步结构，先关闭大冷机复叠式制热工况下的阀门，待阀门关闭条件满足时打开大冷机制冷模式所需的阀门，待阀门打开之后结束顺序控制，如图4所示。PCS7支持SFC在线测试，可以在运行模式下直接手动向顺序控制程序发送启动、暂停、中止和复位等指令。同时，由于SFC具有类似于CFC的外部视图，顺序控制系统也可以接收系统内部的自动控制命令，该顺序控制的外部视图如图5所示。基于PCS7的ITA，SFC也可以在Wincc（视窗控制中心）上自动生成动态监视画面，与图4相似。

图4 大冷机制冷模式切换SFC顺序功能

图5 大冷机制冷模式切换SFC的外部视图

2.3 全系统的优化控制

根据分布式能源站按照最佳经济效益方式运行的要求，需要从全系统角度出发，编写多制冷机和多冷热源系统调度最优化控制程序[13-14]。在非高峰期和过渡季节，决定冷热源类型的搭配组合和机组的运行数量，实现冷热电三联供系统、制冷制热系统、水循环系统全母管制和全变频系统的协同控制。具体而言，文中所研究的分布式能源站全系统优化设计主要包括以下几个方面：冷热电负荷的自动预测、分配及调节；顺序控制的自动投切判断；变频水泵的频率自调节及一、二次泵的流量自平衡控制；根据热点负荷自动选择最佳的设备子系统及其运行参数设置等。

实践经验表明，综合使用PCS7中的SCL语言与第三方编程软件可以完成分布式能源站子系统间的协同控制，从而实现全厂经济效益最优。

2.3.1 基于SCL的全系统优化控制

PCS7提供了LAD，FBD和STL 3种基本编程语言，其中LAD和FBD适合于数字量逻辑控制，而STL则是PCS7程序的底层语言，可以直接访问PLC内部的各种资源，功能强大，但是对工程师的要求很高。因此，以上3种基本语言都不适合人工编写复杂控制任务及大型程序。为了解决该问题，PCS7提供了一种类似于Pascal的高级编程语言S7-SCL。S7-SCL为PLC做了优化处理，具有高级语言的特性，可以使用选择、分支、数组和高级函数等，适用于复杂数学运算、数据管理和过程优化，能够满足分布式能源站简单的全系统优化控制需求。

2.3.2 基于通信的全系统优化控制

S7-SCL适合于过程优化，且易于使用，但由于PLC内存有限，故不宜用于编写高级智能算法。为解决该问题，采用将智能控制算法所需的数据通过通信方式传到第三方软件代理运算，然后再通过通信接口将运算结果重新返回给控制器的方法，从而实现分布式能源站全系统的优化控制。考虑到PLC的运行内存较小，能源站的全系统优化控制主要通过第三方软件计算完成。

图6 基于OPC通信的冷冻水循环系统模糊PID控制流程

Matlab的数据分析处理能力强大，内置丰富的算法工具包，适合编写复杂控制算法；另外，开放式标准接口OPC（用于过程控制的对象连接与嵌入技术）广泛应用于工业控制设备，因此，通常采用Matlab与OPC的组合方式解决复杂的工业优化控制问题[15-16]。在文中研究的分布式能源站中，以实现冷冻水循环的模糊PID控制为例，将分布式能源站的冷冻水循环系统作为控制对象。首先组态冷冻水循环系统中的基本控制回路，如内燃机、溴化锂机组以及一、二次水泵等设备的单体及其顺序控制逻辑；然后，在Matlab中编写基于改进粒子群算法优化的模糊PID控制算法，并利用OPC通信实现该控制算法对冷冻水循环系统的实时控制，具体应用过程如图6所示。

3 分布式能源站监控平台

根据分布式能源站的监控要求，操作员可以通过监控平台监视能源站各个子系统的生产工况，并且根据实时要求手动做出相应的操作。另一方面，监控平台还需自动采集和处理能源站运行所需的全部数据，并对其进行监视、显示、计算、报警、记录、历史数据存储，以维持能源站安全经济运行。PCS7采用了完整的ITA架构，实现了从传感器和执行器到控制器，再到上位机的完全无缝集成，通过PCS7的OS（操作员站）编译可以自动生成画面、记录变量和记录报警，大大提升了分布式能源站监控平台的搭建效率。同时，也支持直接在Wincc上位机平台上对监控平台进行二次开发，可以便捷地实现分布式能源站历史曲线、操作记录、报表和Web发布等功能。

某分布式能源站整个监控平台由6个监控子系统构成，分别为动力、给排水、辅机、电气、暖通和用户。每个子系统又由若干子界面构成。图7为暖通子系统下的离心冷机单体运行监控子界面，监视的数据来自于Wincc集成的Modbus TCP/IP标准接口，监视的数据根据需要存储到Wincc集成的ODBC/SQL（开放数据库连接/结构化查询语言）数据库中。

4 结语

PCS7作为一种完全无缝集成的自动化解决方案，为自动化系统提供了统一的技术环境，实现统一的组态、统一的数据管理和统一的数据通信。文中通过分层控制系统构建、控制逻辑组态和监控平台搭建实例介绍了PCS7控制系统在分布式能源站中的应用，基于PCS7构建的分布式能源站控制系统为解决能源站协同控制的难题提供了有效途径。某分布式能源站的稳定运行表明，PCS7控制系统能够满足分布式能源站的自动控制要求，并且提高了分布式能源站自动控制系统的开发效率。随着PCS7过程控制系统的不断完善，其将在分布式能源站自动控制领域发挥更加重要的作用。

图7 基于PCS7构建的离心冷机运行监控画面

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