基于PLC和HMI的換熱站系統(tǒng)

換熱站是供熱系統(tǒng)中的重要組成部分，本文以東北某小區(qū)換熱站為例介紹了換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的組成、功能及實(shí)現(xiàn)方法。本案例采用的控制系統(tǒng)為臺(tái)達(dá)PLC，以此結(jié)合觸摸屏進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。遠(yuǎn)程上位機(jī)使用組態(tài)王軟件進(jìn)行搭建，通過(guò)換熱站與控制室之間的以太網(wǎng)通訊連接，實(shí)時(shí)監(jiān)控供熱工況，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)調(diào)節(jié)換熱站參數(shù)，提高換熱站的自動(dòng)化程度，降低運(yùn)行成本，增強(qiáng)可靠性。

傳統(tǒng)換熱站大多采用人工監(jiān)控，一方面浪費(fèi)人力，另一方面在出現(xiàn)事故隱患時(shí)操作人員難以發(fā)現(xiàn)，易造成熱力失衡，影響供熱效果，還會(huì)造成能源的極大浪費(fèi)。如在換熱站中引入PLC、觸摸屏及上位監(jiān)控系統(tǒng)等自控設(shè)備，可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，不僅大大提高了工作效率，降低了故障發(fā)生率，還使控制過(guò)程更加直觀、調(diào)節(jié)和控制更加方便。

1 換熱站

換熱站自控系統(tǒng)按設(shè)備類(lèi)型分，可分為溫度及壓力變送器、流量計(jì)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵及補(bǔ)水泵；按控制回路分，則可分為一次管網(wǎng)流量控制回路和二次管網(wǎng)控制回路。

1.1 一次管網(wǎng)回路控制

換熱站的一次管網(wǎng)回路控制，主要是熱負(fù)荷控制。通過(guò)控制調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)回路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，來(lái)調(diào)節(jié)流過(guò)換熱站的一次管網(wǎng)熱水的流量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)二次管網(wǎng)出水溫度的控制。

1.2 二次管網(wǎng)循環(huán)泵控制

換熱站系統(tǒng)二次管網(wǎng)循環(huán)泵是通過(guò)變頻器來(lái)調(diào)節(jié)控制的。一般循環(huán)泵采用供回水溫差結(jié)合供回水壓差的控制方式。控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定一個(gè)供回水壓差目標(biāo)值以滿足二次管網(wǎng)的供暖水循環(huán)。在此基礎(chǔ)上，PLC系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量供回水溫差來(lái)對(duì)循環(huán)泵進(jìn)行修正。當(dāng)二次管網(wǎng)供回水溫差偏大時(shí)，則提高循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，加大二次網(wǎng)的流量，提高二次管網(wǎng)的回水溫度，以改善供熱效果；當(dāng)二次管網(wǎng)供回水溫差過(guò)小時(shí)，需適當(dāng)降低循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，減小二次管網(wǎng)的流量，實(shí)現(xiàn)小流量大溫差的運(yùn)行模式。這種循環(huán)泵的控制方式可以起到節(jié)約電能及熱能的效果。

1.3 二次管網(wǎng)定壓補(bǔ)水控制

二次管網(wǎng)的補(bǔ)水控制采用的是定壓控制。當(dāng)系統(tǒng)失水時(shí)，二次管網(wǎng)壓力下降，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)變頻器控制補(bǔ)水泵以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行補(bǔ)水，補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速根據(jù)當(dāng)前壓力與目標(biāo)壓力的差值均勻調(diào)速，從而避免補(bǔ)水泵在啟動(dòng)和停止時(shí)對(duì)二次管網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該東北小區(qū)換熱站以就地控制為核心，將現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門(mén)開(kāi)度、泵的起停狀態(tài)等信號(hào)傳輸?shù)娇刂破?，由其進(jìn)行采集和控制，再通過(guò)以太網(wǎng)通訊的方式，與上位機(jī)保持實(shí)時(shí)連接。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)

換熱站儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)清單如表1所示。

表1 儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)清單

2.2 硬件構(gòu)成

針對(duì)東北某小區(qū)換熱站現(xiàn)場(chǎng)控制需求，臺(tái)達(dá)PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表如表2。

表2 PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表

2.3 PLC可編程控制器

系統(tǒng)方案中主機(jī)CPU采用臺(tái)達(dá)第二代PLC-DVP12SA2，該款PLC具有16k程序容量，自帶3個(gè)串行通訊口（1個(gè)RS232，2個(gè)RS485），最大擴(kuò)展數(shù)字量為480點(diǎn)，右側(cè)可擴(kuò)展8個(gè)特殊模塊（包括AD、DA、PT、TC等），并且支持左側(cè)高速擴(kuò)展，可連接以太網(wǎng)模塊及現(xiàn)場(chǎng)總線模塊；同時(shí)，SA2提供豐富的應(yīng)用指令（包括PID手自動(dòng)無(wú)擾切換、氣候補(bǔ)償曲線等）。

其中，12SA2是控制系統(tǒng)的核心，在換熱站中其完成的主要功能如下：

（1） 采集溫度、壓力、流量、液位、調(diào)節(jié)閥開(kāi)度及變頻器反鐀等仿真信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送至觸摸屏及上位端；

（2） 根據(jù)二次網(wǎng)供水溫度和室外溫度通過(guò)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)一次網(wǎng)供水流量，保證采暖效果；

（3） 根據(jù)二次網(wǎng)回水壓力調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而穩(wěn)定管網(wǎng)壓力；

（4） 根據(jù)二次網(wǎng)供回水壓差控制循環(huán)泵，維持壓差穩(wěn)定；

（5） 當(dāng)供水壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，打開(kāi)泄壓電磁閥泄壓；

（6） 做相關(guān)報(bào)警功能，當(dāng)水箱水位高于或低于上下限時(shí)，發(fā)出報(bào)警。

PLC部分程序如圖1所示：

PID手自動(dòng)無(wú)擾切換：SA2系列PID指令支持手自動(dòng)無(wú)擾切換功能，使熱網(wǎng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。當(dāng)PID指令由自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式時(shí)（PID控制方式為K8），PID自動(dòng)輸出將停止運(yùn)算，此時(shí)以手動(dòng)輸出值為準(zhǔn)；當(dāng)控制模式由手動(dòng)切回自動(dòng)時(shí)，PID指令會(huì)自動(dòng)將前一個(gè)輸出值接續(xù)控制下去（不重新做累積積分）。PID手自動(dòng)無(wú)擾切換部分程序如圖2：

氣候補(bǔ)償曲線功能：在熱網(wǎng)行業(yè)中，如能讓控制溫度根據(jù)室外溫度進(jìn)行相應(yīng)的改變，將有利于供熱量的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。臺(tái)達(dá)公司根據(jù)熱網(wǎng)行業(yè)而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的氣候補(bǔ)償曲線DTM指令滿足了上述需求。編程者在設(shè)置完室外溫度與控制溫度數(shù)組（最多50組）后，DTM指令會(huì)根據(jù)室外實(shí)際溫度值自動(dòng)調(diào)整控制溫度值。

圖3為氣候補(bǔ)償曲線示意圖。其中，橫軸為室外溫度，縱軸為控制溫度。

圖4為東北某小區(qū)PLC氣候補(bǔ)償曲線程序。

2.4 HMI觸摸屏

系統(tǒng)采用臺(tái)達(dá)DOP-B07S515具有65536色TFT顯示，支持三組串（RS232/RS485/RS422）。具有強(qiáng)大的通訊功能，同時(shí)開(kāi)孔尺寸與5寸屏相同，在有限的空間內(nèi)提供了最大的顯示區(qū)域。

B07S515觸摸屏與PLC通過(guò)臺(tái)達(dá)Q-LINK協(xié)議相連，通訊速率比常規(guī)通訊快百分之三十。通過(guò)配置觸摸屏數(shù)據(jù)，可以改變PID設(shè)定值及參數(shù)，監(jiān)控調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵和補(bǔ)水泵變頻器運(yùn)行工況，顯示現(xiàn)場(chǎng)溫度、壓力、流量、液位等信號(hào)，內(nèi)設(shè)報(bào)警極限值及報(bào)警記錄畫(huà)面，同時(shí)可將當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)以報(bào)表或曲線的方式在屏上顯示出來(lái)，方便調(diào)節(jié)和控制整個(gè)工作過(guò)程。

B07S515觸摸屏通過(guò)RS485方式還與昌輝熱表通訊，可以將熱網(wǎng)的瞬時(shí)熱量、累積流量和累積熱量實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。圖5及圖6為觸摸屏部分程序畫(huà)面示意圖。

圖6 參數(shù)設(shè)定畫(huà)面

2.5 上位機(jī)與PLC通訊

系統(tǒng)上位機(jī)采用組態(tài)王系統(tǒng)（6.53版本），組態(tài)王是一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)監(jiān)控軟件，組態(tài)王通過(guò)EN01網(wǎng)絡(luò)模塊與SA2主機(jī)相連，實(shí)時(shí)記錄并控制換熱站現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

組態(tài)王設(shè)置按如下步驟：

(1) 在組態(tài)王工程項(xiàng)目里，選擇“設(shè)備”，新建一個(gè)“設(shè)備配置向?qū)?rdquo;，在“PLC”的選項(xiàng)中，選擇莫迪康ModbusTCP下的“TCP”，如圖7所示。

(2) 按照配置向?qū)蛳逻M(jìn)行，隨意選擇一個(gè)COM口號(hào)（只要不與計(jì)算機(jī)沖突即可），如圖8所示。

(3) 向下進(jìn)行，輸入設(shè)備地址，組態(tài)王關(guān)于Modbus TCP連接方式的地址格式為IP[:Port] Address（IP:設(shè)備IP地址，Port:設(shè)備地址端口，默認(rèn)為502，Address:設(shè)備地址），該系統(tǒng)中實(shí)際地址設(shè)置為192.168.1.5：502 01，如圖8；

(4) 向下繼續(xù)進(jìn)行，直到完成即可；

(5) 組態(tài)王為標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議，只需將SA2系列PLC的Modbus地址與其相加便可進(jìn)行變量控制。

圖8 地址設(shè)置示意圖

此外，EN01-SL設(shè)置，則通過(guò)DCISoft軟件配置EN01-SL網(wǎng)絡(luò)模塊，只需將IP地址設(shè)為192.168.1.5，啟運(yùn)Modbus TCP功能，便可使SA2系列PLC與上位機(jī)正常通訊。

2.6 變頻器

現(xiàn)場(chǎng)使用ABB公司的ACS510系列變頻器兩臺(tái)，帶動(dòng)循環(huán)水泵與補(bǔ)水泵變頻運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速。

15kW變頻器帶動(dòng)兩臺(tái)循環(huán)泵運(yùn)行（一用一備），3kW變頻器帶動(dòng)一臺(tái)補(bǔ)水泵。

2.7 其他

該系統(tǒng)控制方案擴(kuò)展性強(qiáng)，同時(shí)可連接GPRS無(wú)線模塊，還可通過(guò)串行通訊或現(xiàn)場(chǎng)總線方式連接分布式IO，滿足客戶各種擴(kuò)容需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于臺(tái)達(dá)PLC和觸摸屏為控制核心的東北某小區(qū)換熱站系統(tǒng)投運(yùn)三個(gè)月運(yùn)行穩(wěn)定，節(jié)能效果明顯，方便了現(xiàn)場(chǎng)人員的監(jiān)控與調(diào)試，在客戶處取得了良好反響。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保越來(lái)越重視和能源的匱乏，基于PLC為核心的集中供熱系統(tǒng)在北方發(fā)展?jié)摿薮?，希望本文能?duì)我司自動(dòng)化產(chǎn)品在熱網(wǎng)行業(yè)的推廣起到一定積極的意義。