沈 磊，郭西進(jìn)，苑存超

SHEN Lei, GUO Xi-jin, YUAN Cun-chao

（中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，徐州 221008）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的追求勢必有所提高。在北方的冬季，城市供暖已經(jīng)成為人們冬季生活的重要組成部分。集中供暖是我國目前廣泛使用的供暖方式，它能夠減少對環(huán)境的污染，充分有效地利用能源，

由于部分城市供熱系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對熱能的利用率和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的問題日益突出，整個供熱系統(tǒng)的控制和管理也日趨復(fù)雜。因此，采用工業(yè)控制技術(shù)對熱交換站實(shí)現(xiàn)過程控制和監(jiān)控管理已成為必然的趨勢。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)該換熱站實(shí)際的控制要求，對其進(jìn)行以下的設(shè)計(jì)和改造：在控制現(xiàn)場，通過室外溫度傳感器對室外溫度的采集，將溫度信號傳給下位機(jī)——OCS控制器，完成對現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集及過程控制，實(shí)現(xiàn)了對換熱站的過程控制?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)的方框圖如圖1所示；在監(jiān)控中心，由現(xiàn)場的DTU設(shè)備通過GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的數(shù)據(jù)和設(shè)備的運(yùn)行狀況將出現(xiàn)在監(jiān)控計(jì)算機(jī)中，工作人員將根據(jù)實(shí)時的數(shù)據(jù)對換熱站進(jìn)行必要的調(diào)度及對有效數(shù)據(jù)的存儲。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)控制的方框圖

圖2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 現(xiàn)場工藝流程

如圖3所示，通過室外的溫度傳感器所采集的室外溫度傳送到控制器，通過控制器來對調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行控制，控制蒸汽流量，通過熱交換器實(shí)現(xiàn)給用戶供熱；同時根據(jù)室外溫度及用戶的需求量，控制器對變頻器的及時控制，產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。當(dāng)二次回水的水量不夠時，通過補(bǔ)水箱對其補(bǔ)水。而熱交換器產(chǎn)生的冷凝水直接流入補(bǔ)水箱進(jìn)行補(bǔ)充。

圖3 工藝流程

1.2 PID控制

OCS控制器在PID調(diào)節(jié)上有一項(xiàng)特殊的功能——自學(xué)習(xí)功能。自學(xué)習(xí)功能集成了模糊PID適應(yīng)性強(qiáng)和控制靈活的特點(diǎn)，運(yùn)用十分廣泛。啟用自學(xué)習(xí)功能必須將PID調(diào)節(jié)設(shè)置在自動調(diào)節(jié)上。在啟動該系統(tǒng)前，可將PID調(diào)節(jié)的參數(shù)在其數(shù)據(jù)范圍內(nèi)任意設(shè)定初值；啟動該系統(tǒng)后，OCS控制器根據(jù)傳感器的信號，在參數(shù)的范圍內(nèi)來回振蕩幾次，自動捕捉到最理想的調(diào)節(jié)參數(shù)，體現(xiàn)了適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，能夠適應(yīng)現(xiàn)場條件的變化。

1.3 循環(huán)泵變頻控制

利用OCS控制器與變頻器進(jìn)行串行通信，解決循環(huán)泵始終以一成不變的轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，能夠節(jié)約一定的能量消耗。通過ModbusRTU通訊協(xié)議和RS-485的通訊方式實(shí)現(xiàn)OCS控制器與變頻器進(jìn)行通信。利用二次供水和二次回水的壓力差，即啟動第一臺循環(huán)泵讓其在變頻狀態(tài)下工作，如果它的滿量程輸出也不夠要求的話，啟動第二臺循環(huán)泵，讓其在變頻下工作，將第一臺切換成工頻下工作。

系統(tǒng)通過OCS控制器來控制變頻器，通過變頻器適時適量地控制循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)泵的輸出流量，滿足供暖的負(fù)荷要求，從而使電機(jī)在整個負(fù)荷和變化過程中的能量消耗降低到最小程度，產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在換熱站現(xiàn)場，將現(xiàn)場的儀器儀表與OCS控制器，形成一套溫度自動調(diào)節(jié)的控制系統(tǒng)。在監(jiān)控中心，工作人員根據(jù)工控機(jī)中數(shù)據(jù)的變化和設(shè)備的運(yùn)行狀況，對現(xiàn)場的設(shè)備和采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的調(diào)度和管理。

1）換熱控制柜：內(nèi)置控制器選用美國HORNER公司研發(fā)的XL系列的XL6-HEXL105型OCS控制器，選用了SmartSttix I/O模塊，24V開關(guān)電源模塊，斷路器模塊等。

2）傳感器、執(zhí)行器、變頻器的選型：室外的溫度傳感器選用VTH4型掛壁式溫度傳感器，現(xiàn)場的溫度傳感器選用EX-VT1051型溫度傳感器，現(xiàn)場的壓力傳感器選用DT20-1111型壓力傳感器，現(xiàn)場執(zhí)行器選用西門子AcvatixTM型執(zhí)行器，變頻器選用西門子MicroMaster440型變頻器。

3）工控機(jī)選型：研華P4工控機(jī)兩臺，512MB內(nèi)存，80G硬盤。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)

1）模擬量輸入子程序：將室外溫度傳感器和現(xiàn)場的溫度傳感器、壓力傳感器所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)化分別傳送到OCS控制器所對應(yīng)分配的寄存器中，并通過上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時顯示。

2）溫度設(shè)定值子程序：事先將設(shè)定溫度值分成幾個溫度區(qū)間，這樣室外溫度傳感器采集的溫度值就能對應(yīng)相應(yīng)的溫度區(qū)間，從而將采集的溫度值傳送給OCS控制器所對應(yīng)分配的寄存器中。

3）通用管理子程序：系統(tǒng)管理程序，如控制器電池電量過低提示，鎖定System鍵等。

4）PID控制子程序：設(shè)定PID所在寄存器的初始狀態(tài)及其初始值，自學(xué)習(xí)功能運(yùn)行前后的一些參數(shù)設(shè)定。

5）模擬量輸出子程序：將PID調(diào)節(jié)后的控制值作為最后模擬量的輸出。

6）報(bào)警子程序：設(shè)定各參數(shù)的警界值，一旦超過警界值，系統(tǒng)立刻觸發(fā)報(bào)警。

7）DTU子程序：設(shè)定控制器的通訊端口以及一些基本的通訊參數(shù)。

3.2 組態(tài)監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

利用紫金橋組態(tài)軟件對熱交換站自動控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，其主界面如圖4所示。

對二次供水溫度及二次供水壓力繪制歷史趨勢曲線，此時溫度的設(shè)定值為75℃，二次供水的實(shí)際溫度值為74.3℃，如圖5所示。

圖4 換熱站主界面

圖5 實(shí)時趨勢曲線

4 GPRS-Internet無線通訊

系統(tǒng)采用現(xiàn)場的DTU通過GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)換熱站現(xiàn)場與監(jiān)控中心之間的無線遠(yuǎn)程通訊，為了保證兩者之間能夠長時間的實(shí)時通訊，除了保證網(wǎng)絡(luò)的通常外，還必須進(jìn)行動態(tài)域名解析。

所謂的動態(tài)域名解析就是將動態(tài)的IP地址映射到一個固定的域名解析服務(wù)上（DDNS）。需要登錄域名網(wǎng)站中申請一個可用的域名；打開監(jiān)控中心所在的路由器軟件里的虛擬服務(wù)器界面，在連接監(jiān)控電腦所在的路由端口中輸入正確的服務(wù)端口、局域網(wǎng)IP地址以及通訊協(xié)議，如圖6所示；在DDNS界面中，正確輸入服務(wù)提供者，用戶名及其密碼，點(diǎn)擊激活，如圖7所示。由此，動態(tài)域名解析完畢。

換熱站現(xiàn)場與監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時通訊時，首先打開GFS中測控終端設(shè)置軟件，對DTU的一些基本參數(shù)進(jìn)行定義，如波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等；在連接方式中選擇動態(tài)DNS，將DNS域名和服務(wù)器IP設(shè)置好；最后將協(xié)議類型、目標(biāo)端口和序號設(shè)置好，如圖5-3所示。在紫金橋組態(tài)軟件中，定義設(shè)備名稱、端口及控制器的地址，并將計(jì)算機(jī)的通訊端口COM1設(shè)置的波特率、校驗(yàn)和通訊模式等功能與控制的相一致，然后再定義程序中的各個變量，并在畫面中進(jìn)行動畫連接。最后運(yùn)行組態(tài)的畫面和啟用DTU的通訊功能，就能夠在監(jiān)控中心的工控機(jī)上顯示現(xiàn)場的設(shè)備的運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)變化。

圖6 虛擬服務(wù)器界面

圖7 DDNS界面

5 結(jié)束語

在控制上，OCS控制器集成了PLC、I/O、HMI、通訊于一體，能夠根據(jù)現(xiàn)場傳感器傳輸?shù)男盘栕龀霰匾目刂浦噶?，從而保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；在通訊上，利用GPRS-Internet的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，保證了現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸以及必要的設(shè)備調(diào)度，也減少了人力資源的浪費(fèi)，降低了運(yùn)營的成本。通過在現(xiàn)場一段時間的運(yùn)行，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，有一定的實(shí)踐推廣價值。

圖8 GFS測控終端的設(shè)置

[1]張明光, 吳明永, 楊素娟. 基于GPRS-Internet的換熱站無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 自動化儀表, 2009, 30(9), 46-48.

[2]謝維. 節(jié)能型無人值守?fù)Q熱站的智能控制系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制, 2011, 19(7), 1614-1618.

[3]王翹, 馬明軍. 基于PLC和GPRS技術(shù)的換熱站無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2006, 22(3), 53-54.

[4]Zhang Cheng.“Design of the Amendatory PID Temperature Control System of Heating Net”, Control and Automation, Control and Automation Publication Group,2005, (21)pp. 53-55.

[5]Weina Guo, Jin Meng. “The design of substation RTU monitoring system based on PLC and GPRS”, Electrical and Control Engineering, 2011 International Conference,2011, pp. 896-899.