航天五院控制方案.docx
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航天五院控制方案.docx
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航天五院控制方案
航天五院控制功能说明书
一、控制系统结构:
整个控制系统采用“下位机+上位机”的控制系统。
下位机:
是控制系统的核心,也是整个自控系统稳定性和可靠性的保证。
下位机完成:
逻辑控制、模拟量采集、控制策略等。
他通过通讯检测直燃机的运行状态,并根据外围环境控制连锁控制水泵、阀门、风机的运行和停止。
同时检测系统的输入和输出温度和流量,从而估算系统的制冷量和用冷量,从而通过策略系统控制直燃机的自动启动和停止。
为了保证下位机的可靠性以及和自燃机的配套,我们采用的是欧姆龙最新CJ2M模块型PLC系统作为主CUP,子CPU采用欧姆龙CP1H及CP1L系列PLC构成该系统的下位机。
上位机:
是系统人机交互系统,和数据记录系统,由工控机搭配组态软件,仿真软件构成。
上位机通过以太网高速通讯的方式采集下位机的运行数据,并存储于数据库中。
并且将下位机的数据通过组态软件,用直观和动画的方式进行显示,并可以再上位机上直接操作系统,设定参数。
系统拓扑图:
从拓扑上来说有以下两种控制方案:
集中PLC和分布PLC(其拓扑图见后图),这两种控制方式来说各有优缺点如下:
方案1、集中PLC方式:
所谓集中PLC的控制模式,而言其采用的是一个PLC用于所有的动作和控制。
如图所示:
集中PLC模式因为只有一个PLC,为了和直燃机匹配采用的是和直燃机一致的:
欧姆龙最新CJ2M模块型PLC系统构成。
CJ2M系列模块型PLC是欧姆龙公司近年推出的新型PLC,其运算速度高,IO容量大,适合于集控系统进行控制。
在主机架上配置有以太网通讯模块和上位机进行高速通讯,同时通过以太网和中央空调主机PLC的以太网模块通讯进行数据采集。
同时配置有串口通讯模块,利用欧姆龙专有的方便快捷的协议宏功能,和发电机等设备进行Modbus-RTU通讯,采集发电机的运行数据,并且用以控制处理。
同时在每台空调主机上也增加以太网通讯模块,用于集控系统和空调主机之间进行通讯,以采集空调主机的运行数据进而实现空调的联动控制。
同时为了保证系统的可靠运行,发电机以及空调的运行\反馈\故障等等关键信号采用硬连线的方式进行连接。
优点:
1、只有一个PLC作为下位机,所有的控制均由该PLC进行控制,一旦PLC出现故障,自动转为手动继续运行。
不会产生危险,也不会影响设备的运行。
只是不能进行集中控制。
2、设备的关键点均采用硬连线直接进中央PLC,不会因为干扰等原因引起设备的误启动或停机。
3、虽然只有一个PLC,但是采用国际最新的技术,其PLC本体的可靠性非常高,基本可以排除因为PLC故障而引起的系统崩溃。
缺点:
1、一旦中央PLC出现故障,则只能按照原始的手动方式控制设备的运行。
综上所述:
所谓集控系统,就是将每个设备中的PLC进行汇总进行集中控制,因此采用单PLC的方案无疑是最适合的。
从简单的水系统控制到大型的200T锅炉集控,电厂集控,水厂集控等等均采用的是这种控制方式。
当然为了增加这种控制方式的可靠性,可以采用双机冗余的方式在同一个底板上采用两个CPU同时运行来提高中央PLC的可靠性。
而且若因为地域的原因部分控制点距离集控中心较远,其第一选择也是分布式IO的拓扑结构,这样主PLC故障无非是所有设备停机而不会造成危险。
方案2、分PLC控制方式
另外一种控制方式则是分PLC的控制方式,其网络拓扑图如下:
分PLC系统则是采用多个PLC共同完成集控功能,必须按照功能所属划分各个分PLC的控制范围和内容,并且将分PLC通过通讯或总线的方式和中央PLC连接,实现中央PLC的集控功能。
优点:
1、采用了多PLC的控制方式,中央PLC的计算量相对而言有所下降。
2、当中央PLC出现故障时,仍然可以实现单设备的部分联动功能。
必须在合理划分控制区域和控制功能的情况下才能实现,若功能划分出现问题,一旦任何一个分PLC出现故障将导致系统的崩溃。
3、当设备地域较远的情况下,采用分PLC系统可以节省布线工作量。
缺点:
1、分PLC系统中的PLC数量远大于集中PLC系统,每个PLC都有可能存在故障的可能性(包括中央PLC也存在不稳定的情况)。
因此其实分PLC系统的可靠性远低于集中PLC的可靠性,出现故障的点也更多。
2、分PLC系统进行集控时,大量的交换数据均通过网络完成,而网络是最容易受干扰而中断的。
一旦网络中断,对于分PLC系统而言近乎是致命的,各个分PLC将无法和中央PLC连接,这样分PLC中的数据往往是不准确的,可能一起设备的误启动/停止,造成设备的危险。
特别是当功能划分出现问题时,主设备起动和配套阀门开关脱节,将造成设备的瘫痪。
3、因为集控系统往往都是一个整体的项目,因此总有一些器件是关联到多个设备的公共器件,因此采用分PLC系统时,一旦这些公共器件PLC出现问题或网络中断将造成和这个公共器件相关的设备集体停机,若没有连锁停机继续运行的情况下可能会造成非常大的危险。
4、一般而言分PLC控制系统,为了成本的控制。
其分PLC的控制点数较少,采用的是较为简单的一体化PLC(或DDC),其运行速度和可靠性其实都弱于主PLC,是故障的集中点。
5、分PLC系统的重点和关键点均在通讯,而对通讯的维护和维修是非常困难的(通讯信号看不见也摸不着),必须要专们的技术人员才能进行(特别是非以太网的专用网络)。
一旦通讯出现故障,不是短时间能够维修和修复的,存在较大的风险。
综上所述:
分PLC的主要故障集中在通讯,因此为了保证系统的可靠往往采用冗余网络(或环形网络),同时为了抗干扰需要网络单独布线甚至走光纤,对于普通的集控系统而言,完全没有必要也无需采用分PLC的控制方式。
分PLC的控制方式其危险性和故障率远远大于集中PLC系统。
二、自动控制系统方案:
航天五院自动控制采用的是分散式自动控制系统,由四套PLC自动控制系统及上位机控制系统组成,完成整个系统的自动控制。
1、PLC控制系统一:
1-2#燃气直燃空调机组及冷水总管控制系统
此控制系统对1-2#燃气直燃机组的监控,通过硬接线接收主机联动信号,从而控制机组的启动及停止,监视直燃机组的运行状况。
对空调水阀门、冷却水阀门进行监控,控制阀门开启及关闭,同时正确的监视阀门的状态。
此控制系统对冷温水总管上的阀门及测温点进行监控,控制平衡电动阀的启动及停止,对平衡电动阀的状态进行监视;对冷温水出口压力、冷温水回水压力、冷温水总管温度进行采样监视。
PLC控制系统一与PLC总控制系统通过以太网进行通讯,把采集的信号送到总PLC控制系统,并接收总PLC控制系统发出的命令;
2.PLC控制系统二:
余热直燃机空调机组、板式换热器、烟气控制系统
PLC控制系统二对余热直燃机空调进行监控,通过硬接线接收主机联动信号,从而控制余热机空调的启动及停止,监视直燃机空调的运行状况。
对空调水阀门、冷却水阀门缸套水阀门进行监控,控制各阀门开启及关闭,同时正确的监视阀门的状态。
对两套板式换热器调节阀监控,控制阀的开启及关闭,并正确的监视阀门的状态;对板式换热器一次水温度进行四点采样,对板式换热器二次水温度进行四点采样,监视板式换热器的一次及二次水温。
PLC控制系统二对烟气系统进行监控,对两套三通调节阀进行监控,控制三通阀的开启及关闭,正确的监视阀的状态。
对发电机出口温度、余热空调入口温度、余热空调出口温度分别进行两点采样,进行监视;对空调排气温度进行四点采样,对排烟的温度进行监视;并对消防报警点进行采样监视。
PLC控制系统二与PLC总控制系统通过以太网进行通讯,把采集的信号送到总PLC控制系统,并接收总PLC控制系统发出的命令;
3、PLC控制系统三:
燃气内燃发电机组控制系统
PLC控制系统三对两套内燃发电机组进行监控,通过硬接线接收主机联动信号,从而控制机组的启动及停止,监视内燃发电机组的运行状况。
对十二套高温缸套水风机进行监控,分别控制风机的启动、停止,监视十二套风机的各种状态。
对八套低温缸套水风机进行监控,分别控制风机的启动、停止,监视八套风机的各种状态;对两套发电机组的高温钢套水压泵进行监控,分别控制加压泵的启动、停止,监视两套加压泵的各种状态。
对两套发电机组的三通调节阀进行监控,分别控制三通调节阀的启动、停止,监视两套三通调节阀的各种状态。
对高温钢套水回水温度进行两点采样,对低温钢套水回水温度进行两点采样,对其进行监视。
对高温钢套水压力进行两点采样,对低温钢套水压力进行两点采样,对其进行监视。
PLC控制系统三与PLC总控制系统通过以太网进行通讯,把采集的信号送到总PLC控制系统,并接收总PLC控制系统发出的命令;
4、PLC控制系统四:
总PLC控制系统
总PLC控制系统通过以太网通讯与PLC控制系统一、PLC控制系统二、PLC控制系统三进行通讯,读取三套子PLC的所有信号,对三套子系统进行控制,对整个系统的信号进行汇总,然后把信号送至上位机。
5、上位机系统
上位机系统读取总PLC控制系统的信号,进行组态,完成各系统的画面,对整个系统的设备进行监控。
三、控制子系统划分及构成:
航天五院项目是一个典型的3联供项目(电冷热3联供),通过天然气燃烧推动燃气内燃发动机组进行发电(孤岛运行),供给整个项目系统电源。
同时将发电的高温尾气和高温缸套水通过远大余热中央空调系统进行余热制冷(或者制热)提供所需的空调水。
是一个典型的冷热电联产的能源系统,因此其控制和工艺流程相对来说是比较复杂的。
航天五院的多联供能源站配置有2台燃气内燃机发电机组,搭配1台烟气热水直燃型溴化锂吸收式冷(温)水机组,利用燃气发电机组产生余热实现夏季供冷,冬季供热,冷热量不足的部分由燃气直燃机设备承担。
通过对工艺原理图(P&I图)的分析和分解,其整个多联供系统共由以下3
个子系统构成:
1、内燃发电机+余热直燃机组系统:
该系统共配置有两台内燃发电机以及一台余热直燃机组构成。
当内燃发电机运行过程中。
该系统是三联供最主要的运行系统,也是项目的核心所在。
为了保证系统的正常运行,系统采用了两台内燃发电机采用天然气作为燃料发电,并且将两台内燃发电机产生的烟气和高温缸套水送到余热空调作为余热利用产生制冷量,从而实现冷、热、电三联供的供给模式。
2、燃气直燃机空调系统:
燃气直燃机空调系统,是采用远大直燃空调机组,用于补充运行系统。
当主系统(内燃发电机+余热直燃机)的制冷量(或制热量)不足时,系统将自动启动辅助制冷(采暖)系统。
而具体启动燃气直燃机系统还是电空调系统,则根据气价、用电高峰情况等自动判断使用直燃机空调系统。
因为采用的是远大标准的一体化空调直燃机组,因此其空调本身均携带冷却、冷温水的控制系统,可以由空调直接启动冷却水和冷温水循环系统。
3、软水补水系统:
将自来水软化,并向空调水系统中补水,防止回水压力过小的情况。
四、各控制系统控制逻辑:
1、内燃发电机+余热直燃机组系统:
燃气内燃机和余热直燃机组构成的发电+余热利用系统,是该项目的主系统,该系统运行是否经济稳定,是该项目成败的关键。
该系统中主要的设备包括以下设备:
1.1、主系统设备分类:
1.1.1、燃气内燃发电机组。
利用天然气燃烧产生热量带动发电机组发电,为整个系统提供主电源。
为了保证系统的可靠采用一用一备的两台内燃机组构成冗余系统,同时发出的400V电源提供给系统供电。
因为该项目为孤岛运行方式,正常的时候均使用发电机发的电,只有在发电机故障的情况下才手动切换到市电运行。
发电机组本身能够自动检测母线负债大小,并根据负债大小自动调节开启机组的数量与机组的发电量。
而集控系统通过Modbus-RTU的通讯方式,实时监控发电机的运行情况,以及发电机的载荷,并进行纪录。
一旦发电机出现故障,集控系统将自动发出报警信号提醒操作人员立即切换到市电模式。
同时在集控界面上可以监控到发电机的运行状态、运行时间、发电功率等等参数,并且可以对发电机的部分参数进行远程修改。
1.1.2、烟气热水余热直然机组。
燃气内燃机组发电后的剩余烟气以及缸套高温散热水其余温较高,还含有大量的能源。
因此配置了远大的烟气热水余热直燃空调机组,利用烟气和热水的余热制冷,夏天提供5.5℃空调水,为系统提供空调。
夏天时系统将优先启动余热直燃空调。
并且控制三通阀将高温钢套水通过余热空调进行制冷。
为保护发电机的运行,系统将监控高温钢套水的出入口温度和压力,防止系统出现故障时影响发电机组的运行。
若高温钢套水的回水温度过高,则系统将启动散热塔风机,将多于的热量散发掉保证系统的正常运行。
而冬天时则通过三通阀,将高温钢套水导向板式换热器,利用板式换热器将热量传递给冷温水,提供热空调。
1.1.3、热水板式换热器。
冬天时内燃发电机组高温缸套散热水直接通过板式换热器将空调水加热,为系统提供暖空调,满足系统的需求。
为了保证空调的质量,系统可以通过调整三通阀的开度维持冷温水的温度,保证空调的效果。
1.1.4、高/低温缸套水散热塔。
虽然有烟气热水余热直燃机组利用高温缸套水制冷,但是剩余的散热水温度仍然较高,满足不了燃气内燃机组对高温缸套水的温度要求,因此配置了散热塔,对高温缸套水进行再次散热后循环使用。
低温缸套水因为其温度较低,无法达到余热空调的使用要求,直接进散热塔进行冷却后循环使用。
1.2、水循环系统分析:
自控系统除了控制机组外主要就是控制系统中的水、气、尾气循环。
该系统中水循环系统包括以下几个系统:
1.2.1、高温缸套水循环系统:
1、高温缸套水循环概述:
燃气发电机组在100%满负载运行的工况下,其高温水出口温度95℃,蕴含大量的能量,可以直接用于余热直燃机组制冷运行。
因此缸套水循环完全可以被再次利用,夏天用于利用余热直燃空调机组制冷,冬天采用板换采暖。
具体的工况及控制逻辑如下:
夏天制冷工况:
夏天时95℃高温缸套水从燃气内燃机组出来后通过电动阀直接进入到余热直燃机组进行余热利用制冷,余热直燃机组将余热利用后的高温缸套水通过三通阀进入散热水箱再次散热,散热后的高温缸套水余温80℃左右进入燃气内燃机组进行散热。
冬天时采暖工况:
冬天的余热利用和夏天约有不同,在冬天需要的空调水是热水,因此高温缸套水不进入空调;而是直接进入板换,通过换热的方式加热空调水;余热直燃机组只利用烟气的余热产生空调热水。
2、高温缸套水循环检测点及控制点:
检测点:
发电机缸套水出口、入口温度:
T1,T2;空调缸套水入口、出口温度:
T11,T12;缸套水回水压力:
P1;
控制点:
缸套水循环泵;空调缸套水入口电动阀,三通阀,板换入口电动三通阀,散热水箱风机起停。
3、高温缸套水循环控制逻辑:
A、散热风扇:
高温缸套水散热水箱是将高温缸套水进行最终冷却,使得缸套水回水温度最终达到燃气内燃发电机组要求的回水最高温度(<85℃)以下。
因此缸套水散热水箱风扇起停由缸套水回水温度和三通阀开度进行控制。
B、循环水循环速度控制:
为了匹配发电机和余热空调之间对于高温钢套水的压力和流量的需求,特配置了高温钢套水加压水泵。
当发电机组运行且向余热空调提供高温钢套水时,系统会根据回水压力自动的打开高温钢套水加压泵,保证系统的正常运行。
C、入口阀门和三通阀:
C.1、三通阀门:
三通阀仅当内燃机启动,且需要启动余热空调或板换时开启。
当回水温度过高的时候,保护性的关闭三通阀。
C.2、空调/板换入口阀门:
空调和板换入口阀门的控制主要是在系统进行冷/热切换时动作,如下表:
阀门
状态
空调进口阀门
板换进口三通阀门
三通阀
夏天
制冷
打开
关闭
打开
冬天
采暖
关闭
打开
打开
同时板换的入口阀门是调节阀,根据二次空调水的温度进行PID调节
1.2.2、低温缸套水循环:
低温缸套水循环相对高温缸套水循环,其所蕴含的能量相对来说就非常有限了,而且出口的温度较低达不到使用的标准,因此,其低温缸套水循环不能进行余热利用。
低温缸套水循环中的散热风机,直接受低温缸套水水箱中的接水盘中的回水温度控制,直接控制其启动或停止。
低温缸套水循环的控制点只有缸套水散热水箱的风机的起停。
1.2.3冷却水/冷温水循环系统
因为配置的是远大一体化的余热空调,因此,空调机组本身就携带有冷却和冷温水的控制系统,无需在进行处理。
通过主机之间的通讯,集控系统可以检测出冷却和冷温水的运行状态。
1.2.5、烟气系统:
烟气系统的控制相对而言较为简单,其工艺流程图如下:
烟气可控制的点不多主要是1个三通阀和一个出口截止阀,用于设备维修时盘路烟气的。
烟气系统主要是监控其烟气的温度。
其具体的监控点包括如下:
1、内燃发电机组出口烟气温度
2、余热空调进、出口烟气温度
3、余热空调直燃烟气出口温度
1.3、主机控制系统:
1.3.1、燃气式内燃发电机组
自控系统除了控制循环系统外还必须控制其主机正常工作。
首先是燃气式内燃发电机组。
燃气式内燃发电机组,通过燃烧天然气发电并向系统中供电。
因为是孤岛运行,发电机组的控制系统能够根据实际的用电负荷自动地启动/停止发电机,并协调发电机的输出功率,因此集控系统通过ModbusRTU的通讯方式定时的采集发电机的运行状态,并且在组态界面上予以显示。
当发电机故障时系统能够提醒并由操作人员手动切换到市电继续向系统供电运行。
1.3.2、烟气热水型余热直燃机组
余热直燃机组主要是利用发电的余热制冷或采暖。
同时若负荷功率不足或余热过低不能利用。
这时直燃机将自动点火保证其空调的正常运行及运行效果。
而中控系统则根据机组的固有能效比,控制机组的出力,从而使中央空调运行在最佳能效比的工况。
同时中控系统设定了较多的保护点,保护空调能够安全运行。
因为是余热发电,因此必须尽可能的利用余热。
同时中控系统通过以太网的通讯方式采集中央空调的实际运行工况,集成在组态界面上显示和监控。
2、直燃机空调:
直燃机空调采用的是远大一体化的空调系统,其空调本身携带有冷却和冷温水泵,而且冷却是采用风管系统,因此可以完全由空调本身完成冷却和冷温水泵的控制逻辑,由集控系统采集其运行状态。
2.2、主机控制:
自控系统通过以太网的通讯方式采集主机PLC的参数,并在组态界面上显示。
自控系统通过IO点直接控制空调机组的启动而后停止。
至于燃气的启动顺序,在运行策略中会有相应介绍。
五、运行模式及节能控制:
该项目虽然是三联供的项目,当时因为发电机完全由本身的控制系统进行逻辑和负荷控制。
因此集控系统主要用于采集发电机的运行工况和空调的群控。
对于空调的群控,该集控系统可以完成以下两种控制功能。
1、运行模式一:
定时运行模式
在定时运行模式下,可以在集控系统的界面上设置8条以上的时间动作信息,每个信息对应于每台空调的相应操作或动作如:
开机、停机等等。
并且每个信息都可以设置循环方式,包括:
每周循环、每天循环、单次循环等等。
并且在集控的PLC内有实时运行的实时时钟。
当实时时钟时间到达设定的时刻点时,系统将根据循环方式自动的发出开机/关机的命令序列,自动控制空调的启停。
这种控制方式特别适用于非常有规律的负荷情况。
如:
小区、商务楼、研究单位等等。
其控制界面如下:
2、运行模式二:
负荷调整模式
第二种控制模式是符合调整模式,系统会通过通讯读取空调机组的空调水流量信息以及出入口温度信息,并且计算得到空调的实际负荷。
同时通过总空调水管网的出入口温差以及流量可以计算得到用户的需求符合。
并且可以设置每台空调的经济运行负荷率。
通过经济运行负荷率和用户负荷的比值,系统自动决定启动空调的台数,这样每台空调尽可能的运行在最佳负荷率上,保证系统的经济运行。
同时为了协调多台空调运行,系统中可以设置每台空调的优先度,系统将自动启动有限度高的空调,自动停止有限度低的空调。
若多台空调的优先度相同,则系统自动启动运行时间最短;停止运行时间最长的空调。
考虑到每台设备都有可能处于维修和检修的情况,也可以设置每台空调的状态:
自动(参与负荷调整循环);手动(不参与负荷调整循环,必须手动启动);检修(脱离集控系统控制)。
为保证系统的可靠运行,系统采用空调楼宇控制点,采用硬连线的方式控制空调的启动/停止。
3、专家策略库:
在系统实际运行过程中,系统的运行是非常复杂的,经常可能会出现意料之外的情况。
在上述运行模式的基础上,设置了专家策略库,通过人为干预设定一系列的控制切换策略,并且给每个策略设定一定的触发条件。
一旦运行工况满足触发条件,系统将自动的调出专家策略并按照策略启动或停止空调设备。
4、等时间运行:
每台设备都有一定的生命周期,恰当的使用可以一定程度上延长其生命周期,反之不当的使用可能缩短其生命周期,甚至损坏设备。
系统可以自动记录设备的累计运行时间,在需要切换设备时,按照优先启动累计时间短的设备;优先停止累计时间短的设备。
这样可以大幅度延长设备的生命周期。
5、策略模拟功能,验证策略是否正确:
除了上位机组态软件外,在深化设计中,可以配置策略模拟系统。
策略模拟系统根据负荷的实际特性进行模拟实际运行的独立软件。
进入策略模拟系统后,模拟系统可以读取设定的策略库,并且根据数学模型模拟实际空调的运行。
在界面上可以修改用电负荷或空调负荷的大小,通过模拟策略库自动模拟起停设备,从而验证运行策略是否可靠。
同时策略模拟系统中可以模拟部分设备故障,验证系统能否自动切除故障设备并投入正常设备运行。
6、故障自诊断及专家对策系统
我们将在系统的重要位置增设相应的传感器监视系统的运行状态,这些信息将通过VPN传送到我公司服务器的数据库进行存储和比对,当系统出现带病运行时,故障自诊断暨专家对策系统将提出维护方案并以短信和电子邮件的的方式通知服务工程师上门维修,将一切故障扼杀在萌芽状态中,以尽量减少故障停机时间。
故障自诊断、专家对策系统加远程维护是远大无人值守机房概念的技术基础。
六、过往业绩:
我公司和远大空调合作已经有10年的历史,长期为远大空调配套水系统变频控制柜和相关元器件,包括X型机一体化的BY系列水系统柜的成套供货。
近年来随着技术的发展,我们和远大空调在集控系统上也有了大量的合作,由我公司配套和开发的多套空调群控系统均已经进入正常运行阶段,有不错的效果。
其空调群控系统的工程有:
中石油办公大楼空调群控系统;长庆油田科研楼空调群控系统;长庆油田办公大厦空调群控系统;无锡科教园空调群控系统等等。
该部分群控系统涉及的中央空调从老式的VI型机到最新的X型机一体化系统,因此对于空调的控制流程我们是非常熟悉和有优势的。
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