基于GPRS-Internet无线远程监控的换热站计算机控制系统

沈 磊，郭西进，苑存超

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

（中国矿业大学 信息与电气工程学院，徐州 221008）

0 引言

随着我国经济建设的不断发展，人们对生活质量的追求势必有所提高。在北方的冬季，城市供暖已经成为人们冬季生活的重要组成部分。集中供暖是我国目前广泛使用的供暖方式，它能够减少对环境的污染，充分有效地利用能源，

由于部分城市供热系统规模的不断扩大，对热能的利用率和设备运转的问题日益突出，整个供热系统的控制和管理也日趋复杂。因此，采用工业控制技术对热交换站实现过程控制和监控管理已成为必然的趋势。

1 系统的总体设计

根据该换热站实际的控制要求，对其进行以下的设计和改造：在控制现场，通过室外温度传感器对室外温度的采集，将温度信号传给下位机——OCS控制器，完成对现场的数据采集及过程控制，实现了对换热站的过程控制。现场控制系统的方框图如图1所示；在监控中心，由现场的DTU设备通过GPRS-Internet网络传输过来的数据和设备的运行状况将出现在监控计算机中，工作人员将根据实时的数据对换热站进行必要的调度及对有效数据的存储。远程监控系统结构如图2所示。

图1 系统控制的方框图

图2 远程监控系统

1.1 现场工艺流程

如图3所示，通过室外的温度传感器所采集的室外温度传送到控制器，通过控制器来对调节阀的开度进行控制，控制蒸汽流量，通过热交换器实现给用户供热；同时根据室外温度及用户的需求量，控制器对变频器的及时控制，产生一定的节能效果。当二次回水的水量不够时，通过补水箱对其补水。而热交换器产生的冷凝水直接流入补水箱进行补充。

图3 工艺流程

1.2 PID控制

OCS控制器在PID调节上有一项特殊的功能——自学习功能。自学习功能集成了模糊PID适应性强和控制灵活的特点，运用十分广泛。启用自学习功能必须将PID调节设置在自动调节上。在启动该系统前，可将PID调节的参数在其数据范围内任意设定初值；启动该系统后，OCS控制器根据传感器的信号，在参数的范围内来回振荡几次，自动捕捉到最理想的调节参数，体现了适应性强的特点，能够适应现场条件的变化。

1.3 循环泵变频控制

利用OCS控制器与变频器进行串行通信，解决循环泵始终以一成不变的转速进行工作，能够节约一定的能量消耗。通过ModbusRTU通讯协议和RS-485的通讯方式实现OCS控制器与变频器进行通信。利用二次供水和二次回水的压力差，即启动第一台循环泵让其在变频状态下工作，如果它的满量程输出也不够要求的话，启动第二台循环泵，让其在变频下工作，将第一台切换成工频下工作。

系统通过OCS控制器来控制变频器，通过变频器适时适量地控制循环泵电机的转速来调节循环泵的输出流量，满足供暖的负荷要求，从而使电机在整个负荷和变化过程中的能量消耗降低到最小程度，产生一定的节能效果。

2 系统的硬件设计

在换热站现场，将现场的仪器仪表与OCS控制器，形成一套温度自动调节的控制系统。在监控中心，工作人员根据工控机中数据的变化和设备的运行状况，对现场的设备和采集的数据进行必要的调度和管理。

1）换热控制柜：内置控制器选用美国HORNER公司研发的XL系列的XL6-HEXL105型OCS控制器，选用了SmartSttix I/O模块，24V开关电源模块，断路器模块等。

2）传感器、执行器、变频器的选型：室外的温度传感器选用VTH4型挂壁式温度传感器，现场的温度传感器选用EX-VT1051型温度传感器，现场的压力传感器选用DT20-1111型压力传感器，现场执行器选用西门子AcvatixTM型执行器，变频器选用西门子MicroMaster440型变频器。

3）工控机选型：研华P4工控机两台，512MB内存，80G硬盘。

3 系统的软件设计

3.1 程序设计

1）模拟量输入子程序：将室外温度传感器和现场的温度传感器、压力传感器所采集的数据经过转化分别传送到OCS控制器所对应分配的寄存器中，并通过上位机进行实时显示。

2）温度设定值子程序：事先将设定温度值分成几个温度区间，这样室外温度传感器采集的温度值就能对应相应的温度区间，从而将采集的温度值传送给OCS控制器所对应分配的寄存器中。

3）通用管理子程序：系统管理程序，如控制器电池电量过低提示，锁定System键等。

4）PID控制子程序：设定PID所在寄存器的初始状态及其初始值，自学习功能运行前后的一些参数设定。

5）模拟量输出子程序：将PID调节后的控制值作为最后模拟量的输出。

6）报警子程序：设定各参数的警界值，一旦超过警界值，系统立刻触发报警。

7）DTU子程序：设定控制器的通讯端口以及一些基本的通讯参数。

3.2 组态监控界面的设计

利用紫金桥组态软件对热交换站自动控制系统进行监控，其主界面如图4所示。

对二次供水温度及二次供水压力绘制历史趋势曲线，此时温度的设定值为75℃，二次供水的实际温度值为74.3℃，如图5所示。

图4 换热站主界面

图5 实时趋势曲线

4 GPRS-Internet无线通讯

系统采用现场的DTU通过GPRS-Internet网络实现换热站现场与监控中心之间的无线远程通讯，为了保证两者之间能够长时间的实时通讯，除了保证网络的通常外，还必须进行动态域名解析。

所谓的动态域名解析就是将动态的IP地址映射到一个固定的域名解析服务上（DDNS）。需要登录域名网站中申请一个可用的域名；打开监控中心所在的路由器软件里的虚拟服务器界面，在连接监控电脑所在的路由端口中输入正确的服务端口、局域网IP地址以及通讯协议，如图6所示；在DDNS界面中，正确输入服务提供者，用户名及其密码，点击激活，如图7所示。由此，动态域名解析完毕。

换热站现场与监控中心进行实时通讯时，首先打开GFS中测控终端设置软件，对DTU的一些基本参数进行定义，如波特率、校验位、数据位等；在连接方式中选择动态DNS，将DNS域名和服务器IP设置好；最后将协议类型、目标端口和序号设置好，如图5-3所示。在紫金桥组态软件中，定义设备名称、端口及控制器的地址，并将计算机的通讯端口COM1设置的波特率、校验和通讯模式等功能与控制的相一致，然后再定义程序中的各个变量，并在画面中进行动画连接。最后运行组态的画面和启用DTU的通讯功能，就能够在监控中心的工控机上显示现场的设备的运行情况和数据变化。

图6 虚拟服务器界面

图7 DDNS界面

5 结束语

在控制上，OCS控制器集成了PLC、I/O、HMI、通讯于一体，能够根据现场传感器传输的信号做出必要的控制指令，从而保证了整个系统的稳定运行；在通讯上，利用GPRS-Internet的无线远程监控，保证了现场数据的实时传输以及必要的设备调度，也减少了人力资源的浪费，降低了运营的成本。通过在现场一段时间的运行，该系统稳定、可靠，有一定的实践推广价值。

图8 GFS测控终端的设置

[1]张明光, 吴明永, 杨素娟. 基于GPRS-Internet的换热站无线远程监控系统[J]. 自动化仪表, 2009, 30(9), 46-48.

[2]谢维. 节能型无人值守换热站的智能控制系统[J]. 计算机测量与控制, 2011, 19(7), 1614-1618.

[3]王翘, 马明军. 基于PLC和GPRS技术的换热站无线远程控制系统[J]. 电站系统工程, 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.