摘要：文章以某大型车用燃气沼气工程的自动化系统为例进行研究，详细阐述了西门子PLC控制系统S7-300在沼气工程中的应用现状，并对系统概况作了简要分析。 关键词：沼气工程；PLC；西门子S7-300；大型车用燃气沼气；PID控制
中图分类号：U464 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2012）16-0040-03
1 概述
当前，国内大中型沼气工程的自动化应用水平仍比较低，依旧采用传统继电器方式控制，在工业计算机普遍应用的今天看，这类控制方式显得比较落伍，其自动化水平也较低，仍有大量工作需人工干预处理，而且系统时效性很差，已不符合时代发展要求。
为解决上述问题，某公司设计的大型车用燃气沼气工程利用西门子S7-300可编程控制器实现各工艺单元的自动化控制，如在进料系统、发酵系统、净化系统、存储系统等工艺单元分别设立了PLC控制主站，所有控制主站以工业以太网方式组成冗余环网连接，通过中心控制室上位机实现各站点的统一管理。
2 系统设计
系统采用“集中监测，分散控制”的设计原则，在进料系统、发酵系统、净化系统、存储系统各设立了一个西门子S7-300控制主站。另外，在消防单元、压缩单元又分别设立了一个西门子S7-200控制从站，通过Profibus总线与S7-300控制主站建立通讯连接。所有控制主站以工业以太网方式组成冗余环网连接，在中心控制室设立上位监控机，通过它可以对各控制站点进行统一操作和管理，实现对沼气工程的工艺参数、电气参数、设备状态等实时监测和设备操作控制，各控制主站之间相互独立运行，彼此互不影响。
在上位机建立Web站点，通过WebNavigator软件实现了监控画面的远程发布功能，系统授权后的相关人员可以通过互联网在工厂之外的其它地方实时监控现场设备，同时该系统也实现了手机短信提示功能。
系统拓扑图如图1所示：
2.2 系统配置
本系统包括2个操作员站，其中1个作为工程师站，4个控制主站及2个从站。操作员站设立在中控室，4个控制主站和2个从站分布在现场。各控制主站之间关系对等，主战和从站之间遵循主从通信结构模式。
2.3 系统通讯
控制主站与操作员站之间采用冗余的双重化总线连接，即采用10/100Mbps自适应的工业以太网连接，通讯介质为单膜光纤，各站点间的通信接口均采用了西门子的以太网光纤收发器，数据传输遵循TCP/IP和UDP/CP协议。
控制主站与从站之间采用Profibus总线连接，主从站间通过DP200-J01/232转换器实现数据转换和传输，数据传输协议为Profibus－DP。
3 系统实施
3.1 系统编程
西门子PLC控制系统S7－300由step7 V5.5、WINCC6.2及WebNavigator 6.2三部分组成，它是硬件、程序软件和监控软件的有机结合体。系统具有丰富的控制、显示、操作、记录存储、报表打印等功能。程序文件包括画面组态、I/O点配置、控制程序编程等。西门子step7 V5.5支持LAD（梯形图）编程，用户可以能够使用程序流程控制元素灵活地编写梯形图程序。
3.2 控制方式
分布在现场的PLC控制主站和从站直接采集现场设备信号，然后通过工业以太网与中控室上位监控主机进行数据通信。系统可划分为三层管理：管理层（中控室）、控制层（PLC主从站）、现场设备层。
3.2.1 管理层（中控室）
管理层位于系统链路的最顶部，主要是对沼气工程各工艺单元的控制站进行统一管理和操作，实现人机对话，管理层是整个控制系统对外信息交换的窗口。
系统实现了远程监控功能，采用了客户端/服务器（Client/Server）的C/S架构模式。客户端通过互联网可以远程访问到中控室的上位机，实现在控制室同样的各种监视和操作功能。通过远程监控，生产管理人员可在办公室或其它地方实时监视工厂的设备运行状况。
中控室设操作平台，包括两台上位机，其中一台作为工程师站，用于系统编程、画面编辑、数据存储等。
3.2.2 控制层（PLC主从站）
控制层位于系统链路的中间位置，实现管理层与现场设备层之间的数据传输和转换，并对沼气生产过程进行实时控制，是整个系统的关键点。因此，控制层采用西门子公司PLC控制系统的S7-300和S7-200，其主要功能是接受管理层设置的参数或命令，实时控制整个沼气生产过程，同时将采集到的现场数据传输到管理层。
控制层要求具有高稳定性和可靠性，因此，本系统4个控制主站均选用了S7-315 CPU模块，从站选用了S7-224 CPU模块。各主站点间通过高速工业以太网与管理层上位机进行通信。另外，S7-315 CPU模块作为S7-224的控制主站，与从站间通过PROFIBUS-DP总线进行数据通信。
控制层接受管理层的命令，但并不依赖于管理层而运行，若管理层上位机出现故障或未投入使用，现场各控制主站和从站仍可独立运行，对整个工厂生产环节不产生影响。
3.2.3 现场设备层
现场设备层位于系统链路的最下面，是实现系统功能的基础。现场设备层主要由检测仪表（如液位计、压力计、流量计等）、分析仪表（沼气分析仪、调配池浓度计）、电气设备及控制装置等组成。其功能主要是对沼气工程的工艺参数、设备状态进行实时监测，并把采集到的数据上传到控制层，同时接受来自控制层的指令，并按指令要求对电气设备和控制装置进行控制。
现场设有就地控制箱，可以实现就地设备的硬手动操作控制，方便检修人员维护设备，处理应急情况。
4 控制策略
车用燃气沼气工程控制过程较为复杂，大体归类以下，主要有以下控制策略：
4.1 PID控制
厌氧发酵需要在恒定的温度下进行，工艺要求CSTR反应罐的温度（35℃）恒定。现通过PID调节控制，保持其温度恒定。 PID原理图如图2所示：
4.2 联锁保护控制
系统在故障报警（如泵、搅拌机、压缩机等设备）或超限报警时（如预处理池液位、高压贮气柜压力和CSTR反应罐温度等），联锁启停相关设备，自动保护相关装置的安全运行。
4.3 常规控制
手动方式：手动控制设备的启停；自动方式：远程控制设备的启停，故障时自动切换。
5 系统功能
5.1 显示功能
系统具有多窗口的总貌图、分单元图、光字牌、报警记录、实时趋势、历史趋势、数据报表、系统简介等各种监视画面，所有工艺参数值和设备状态均可在相关画面上显示。画面之间相互切换2秒内完成，任何人工操作指令均可在1秒或更短的时间内被执行。
5.2 保护功能
按安全等级划分，系统可设定操作员和系统员口令，以实现不同的控制功能要求。在系统运行状态下，屏蔽所有Windows快捷键，锁定系统防止其自由进退，系统重新上电后可自动恢复运行状态。控制室内有2台上位机，对此设定不同的优先级以保证控制室内操作站与现场同时操作的安全性。
5.3 数据存储
对所有采集到的实时数据和历史数据按客户需求设定存取间隙和存取方式，方便用户查看设备当前或历史状态。
5.4 事件记录及打印
数据记录包括交接班记录、日报和月报。对交接班记录和日报，系统按小时间隔记录，可提供150个预选参变量的记录。月报，系统按天间隔记录，可提供150个预选参变量的记录。所有记录可以按天、月设置为自动打印，也可以根据操作人员指令即时打印。所有报表格均可以EXCEL方式导出，方便非系统用户查看和打印。
系统记录操作人员在中控室进行的所有操作指令和精确时间，通过查看操作记录可便于分析操作人员的操作目的，分析事故原因。
5.5 数据传输与通讯
在其中一台操作员站上生成的监控画面、控制程序等，均可通过网络加载到另一台操作员站。PLC控制程序的组态和修改可在上位机上进行，并通过网络下载到各PLC控制主站，也可以在任何一台操作员站上上载系统内任一PLC控制站的用户程序。此外，当新用户程序被CPU确认后，系统能自动地刷新其寄存器，并同步保存到EEPROM存储
卡中。
5.6 操作功能
系统采用自控、远方、就地相结合的组合控制方式。对于电动阀、搅拌机、泵、风机等电气设备，既可以选择在控制室内进行远方操作模式外，也可以选择通过现场控制箱或防暴接线柱（防爆按钮盒）就地操作模式。
系统控制可划分为手/自动、禁操、键操及就地硬手动5种操作方式。在硬手动方式下启停电动机、开关阀门及其它设备时，中控室应提供操作指导，如当前处于自动模式，应先切除自动，以确保设备安全操作。
6 结语
该车用燃气沼气工程选用了西门子PLC可编程控制器设计方式，解决了常规继电器控制下产生的一系列问题，大大提高了沼气工程的自动化水平，同时降低了运行成本，提高了生产效率，还可有效预防安全事故的发生，具有较高的实际应用价值。
参考文献
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[2] 顾站松．可编程控制器原理与应用[M]．国防工业出版
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[3] 田苗，王海阔．沼气工程的自动化应用——昌平区东新城村沼气集中供气工程PLC模式[J]．中国环保产业，2008，（9）．
[4] S7-300 可编程控制器系统手册．SIMENS Co，Ltd，2000．
作者简介：尹传斌（1978-），男，山东临朐人，青岛天人环境股份有限公司工程师，研究方向：新能源智能控制。
（责任编辑：刘艳）