可编程序控制器在大同市供热监控系统的应用

2013-08-20李兴凯贾向前赵阳明

科技视界 2013年21期

李兴凯贾向前赵阳明

（天津市达恩华天智能科技有限公司，中国天津300100）

1 可编程序控制器概述

可编程序控制器，自从诞生以来，已经广泛应用于工业控制领域。通常可编程序控制器由两部分组成，即可编程序控制器本身和编程装置；近年来，随着微电子技术、计算机技术以及网络通信技术的进步和发展，也促进可编程序控制器的技术不断发展，功能极大增强。处理器速度的提高和器件的表面封装化，使得可编程序控制器的体积趋于更加小型化，其可靠性、稳定性、抗干扰能力更高，更适合于工业控制现场环境。可编程序控制器的功能也在不断扩展，从早期代替继电器的顺序逻辑控制发展到模拟量数字化的过程控制，从简单的整型数处理发展到浮点数运算、复杂函数的处理。高速计数器，高速脉冲输出功能扩展，使其应领域从早期制造领域的机械顺序控制，延伸到模拟量过程控制和机床的数控领域。以太网技术的发展和在可编程序控制器中的使用，更使得可编程序控制器通信功能、通信速度和信息处理等方面产生了质的飞跃。

编程器通过编程口对可编程序控制器进行编程和调试。一台可编程序控制器可以将多种不同的通信接口集成到一起，与不同接口标准的智能装置、人机接口触摸屏单元和计算机系统联网通信，完成数据采集和控制操作。

随着计算机的普及，目前可编程序控制器的编程器大多采用计算机进行编程，专用的可编程序控制器的编程器几乎淘汰。编程软件的功能更加多样化、编程语言更加丰富，以适用于不同的应用领域。这使得现场控制系统的调试和故障查找愈加方便和快捷。

目前，小型可编程序控制器已将开关量的机械顺序控制、模拟量的数字化过程控制、机床数控的高速脉冲的控制结合在一起，并集成了高速以太网的通信组网功能，使用户可以方便可靠地实现基于高速以太网络的集中控制、分散控制以及数据管理。大同市供热监控系统由多台可编程序控制器通过以太网络相互连接构成集中、分散远程控制及数据管理系统。实现全市供热系统热网的调度和集中控制。

2 系统要求

本工程是已有大同市集中供热网的扩供工程。高温热水设计供回水温度：120℃/65℃，二次网设计供回水温度：85℃/60℃。热网监控系统由调度室即监控中心、首站控制系统和热力站控制系统等部分组成。热网监控系统的目标是通过对供热管网参数进行控制、调节，以便在预定条件下保证终端用户室温高于18°C，同时最大可能地节约热能。

根据上述目标，供热网监控系统采用上位计算机、前端通信处理器和换热站控制单元，通过通信网相互连接组成一个完整的监控调度系统，实现对首站和换热站设备运行状态监视、数据采集和控制调节。按照工程的要求，通信网络采用公共网ADSL，实现监控系统控制设备之间数据传递。监控系统要完成对设备运行状态监视、数据采集和设备控制等功能，需要对连接到ADSL 网中的换热站内的控制设备PLC 进行管理。

3 供热自控系统的控制方案

3.1 监控系统网络构成

如控制系统网络结构图所示，前端通信处理器PLC、换热站控制器PLC 和首站控制器PLC 的CPU 模板上带有Ethernet 口，Ethernet口与路由器口相连，路由器的Ethernet 口与ADSL 调制解调器上的Ethernet 口相连接。该网络的通信方式为服务器客户端方式，即前端通信处理器PLC 作为服务器，换热站控制器PLC 和首站控制器PLC作为客户端。前端通信处理器PLC 负责对整个网络的通信状态、通信质量和通信故障报警进行管理。同时一次供热网的负荷平衡的调节，供热网的热负荷计算，供热调度等功能也由前端通信处理器PLC 的程序配合完成。

为保证监控系统的准确、可靠、稳定运行，系统采用三个独立的通信网完成各设备之间的数据交换，即工控计算机和服务器之间的以太网、工控计算机服务器与前端通信处理器之间的以太网和前端通信处理器与换热站（或首站）控制器组成的工业以太网。通过这种以太网络配置方式，将管理信息以太网，数据交换以太网和实时控制以太网相互隔离、相互独立、互不干扰；使各网络负荷平衡，有效地减少通信阻塞和通信中断现象，保证系统的可靠、稳定运行。如图所示，监控系统由工控计算机，以太网，前端通信处理器，换热站（或首站）就地控制系统和通信系统一起组成SCADA 监控系统。

3.2 基本控制方案

综合考虑经济、供热效果和实际操作等诸方面的因素，大同市区集中供热系统的运行调节包括以下两个部分：

一次网的运行调节除满足供热负荷要求外，还应符合热源热源的安全、经济运行的要求。二次网循环水泵采用变频器压力调节，减少管网的水平和垂直水力失调对热力失调的影响，满足供热效果的同时，达到较好的节能效果。二次网控制模式采用质、量并调的方式。

3.3 热力站、供热首站和调峰热源控制基本策略

图1 控制系统网络结构图

测量各热力站的二次侧供回水温度，确定各热力站电动阀或回水加压泵的调节量，使得各热力站二次侧供回水平均温度或供回水加权平均温度趋于一致，尽可能地降低水平失调度。

测量热网的总供回水温度、外温和流量。根据测量数据以及相关的历史数据预测热网负荷。由于供热系统的大惯性，负荷的预测需要综合考虑前几天的室外温以及供热情况，采用时间序列法来进行预测。根据计算机预测的负荷情况确定供水温度、流量。调节循环水泵流量参数使得外网总流量达到设定值；调节蒸汽阀门或燃烧工况使得外网供水温度达到设定值。

3.4 集中调度与分散控制

对于本供热系统，一些基本的控制管理功能由现场控制站完成，而整体的协调则在中央站实现。当系统正常运行时，主要由中央站来进行协调控制，由现场控制站具体执行调节并完成必要的监测和安全保护等工作；一旦系统出现通讯等方面的故障，现场控制站与上位机失去联系，现场控制站自动进行独立小循环回路的控制，根据室外温度的测量结果来设定供热参数。此时，虽然调节的效果较差，节能效果可能不够理想，但可保证系统在一定时间内的基本运行。

3.5 各热力站水力失调的消除

对于采用按面积收费的集中供热系统来说，应以消除水平热力失调，实现各热力站均匀供热应是供热网的总调节目标。由于不可能对所有热用户的室温进行实时测量，个别用户的室温状况亦不能代表本片热网的实际情况，因此必需考虑其它的实现途径。经分析，对于房间热特性及散热器设计相差不大的热网，实现各热力站二次网供回水平均温度均匀一致，即可保证所有采暖用户室温大体相同。因此，各站二次网平均水温均匀与否，基本反映了系统调节的好坏。基于此，我们采用热网的水平失调度作为定量评价的指标：

公式中m 为热力站个数，tsri、trri分别为第i 热力站二次网供水、回水温度，tw为室外温度，αi热力站供暖面积占全网总面积的比例，tr是由房间散热器结构以及用户特殊要求而决定的温度修正量。trp是以热力站热力特性参数加权全网平均二次网水温。

水平失调度综合反映了全网热力工况均匀程度，其值越小，说明系统调节越均匀，控制效果越好。消除水力失调的最终目的是为了消除系统的水平热力失调，因此两者是一致的。对于集中供热工程，若全网采用按面积收费，水平失调度可以控制到3%以内。

3.6 远程、就地与手动

在特殊情况下，用户可能希望直接对某一热力站阀门的开度或回水加压泵的转速进行干预。对于有操作权限的调度人员，可以在调度室直接通过鼠标点击计算机屏幕上相应的位置并通过设定来实现，也可以在热力站通过手动调节来实现。对于远程控制方式，当系统出现通讯等故障，现场控制站无法与中央站服务器联络时，自动转换为就地自动控制方式，并发出报警，直到系统通讯故障排除。

4 编程、组态及特点

从供热自控系统结构来看，该系统划分成三个层次。首层为中心调度管理层（设在调度中心），负责对采集数据管理和系统控制参数的管理。该层通讯协议为以太网协议（TCP/IP 100M）。中间层为前端通信处理器层，该层主要负责与各换热站和首站的数据交换，并对通信状态、报警进行有监控和管理。同时根据预定算法和策略对首站和一次管网的被控参数进行控制调节。该层的通讯协议为标准的以太网协议（TCP/IP 100M）。换热站层，由带以太网接口小型PLC 系统构成，对站内数据采集，直接与中间层（前端通信处理器）进行数据交换。并对换热站内控制参数进行调节控制。

4.1 通信模式

将三个层面的设备通过网络互相连接，进行数据交换是实现远程自动化控制和数据采集管理的关键。尽管以太网络通信技术是高速可靠的通信手段，但选择合理高效、适合的通信模式对通信的速度、可靠性、通信调度管理或调试能否成功起着关键的作用。通信模式和通信协议多中多样，适用于不同的使用需求。如何选择适合的通信模式和通信协议应注意以下几点：

4.1.1 该供热自控系统的特点是通信网中的节点多，目前已达到200多个节点

无论采用主从扫描通信模式，点对点通信模式或服务器/客户端通信模式，都要在通信数据规划时考虑负荷的稳定性。主从扫描通信模式一般是用于网络站节点不很多的通信系统中。系统中各节点通信均工作正常时效率最高；如果经常出现多个停止工作的网络站节点，通信效率迅速下降。点对点通信模式虽然速度快，但涉及令牌管理等问题也不适用于这种多节点的远程控制通信网。同时以上两种通信模式均需要固定网址。服务器/客户端通信模式是一种比较理想的通信模式。其特点是，服务器处于等待状态，客户端启动通信命令，无论系统有多少不工作的网络站节点，对系统通信效率几乎无影响。这种通信模式只需要服务器端是固定网址。

4.1.2 通信协议是由硬件可编程序控制器决定的。

我们选用可编程序控制器型号是Schneider 昆腾系列作为通信前端控制器，换热站采用Twido 系列小型可编程序控制器，都支持MODBUS 通信协议。也可使用RTU 单元模块与人机接口显示操作单元组成换热站控制器，但是它的响应时间、扫描周期、故障处理能力无法与可编程序控制器相比。

4.2 上位机配置

上位机中运行监控软件，目前上位机监控软件技术趋于成熟。如果预先规划好数据交换数据格式和数据结构，就给上位机监控软件配置、组态及调试带来方便。其它与数据库连接、电子地图连接、报表打印等多属于管理软件范畴，实现的技术瓶颈和障碍不是很多。

4.3 换热站可编程序控制器编程

换热站可编程序控制器的编程，涉及到可编程序控制器配置，DI/DO、AI/AO 信号的处理和PID 调节功能块的使用。现场仪表主要是供回水出口压力变送器、温度变送器、流量计、补水箱液位计、流量调节阀、变频器等。稍微繁琐的是流量计智能表的通信，通信接口为485。经常遇到各站的流量计型号不同、协议不同，给编程带来麻烦。通信管理的编程也在这里实现，通常使用量组数据包，一组为读数据包，另一组为写数据包。通信故障的检测一般采用脉动开关量信号方法，前端处理器PLC 通过检测该信号，确认通信是否正常，数据是否有效。也曾考虑使用数据时间标签方式，但是这种方式占用数据量较大，而且涉及到时间同步问题，会影响通信效率而未采用。换热站可编程序控制器运行方式有三种，即手动模式、就地模式和远程模式。

4.4 通信前端处理器PLC 编程

通信前端处理器PLC 的编程内容包括三部分，一是PLC 的配置，需要考虑足够的寄存器空间，二是首站的调节控制程序，三是涉及一些通信状态和报警处理的程序。调度程序在计算机内运行，调度软件要对采集的当前数据、历史数据以及各种参数进行运算处理，计算出输出给定值。输出给定值送到通信前端处理器PLC，通过远程控制网，再发送到换热站可编程序控制器内，通过调节调节阀门的开度（或调节变频器频率），控制供热温度、管道压力及流量。调节频率与响应时间滞后有关，一般要20 分钟。

5 系统主要功能及技术参数

5.1 供热系统参数及数据监控管理

实时采集及显示首站、热力站一级网和二级网供回水温度和压力、流量、热量、阀门开度、水泵开启状态、循环泵变频、补水泵变频、液位等参数。实现数据库管理及报表打印功能，包括数据备份储存、维护、转换并能方便查询和显示参数变化曲线。监控站根据现场机的测量参数信息对能耗、水耗等进行计量和统计，计算出其平均值和累计值。对于监控站的操作人员设定优先级限制，分成一般操作人员与维护工程师等几个等级，一般操作人员不能修改水泵、阀门的设定值，而维护工程师应能进行所有操作。

5.2 供热系统自动控制功能

监控站能将由人或计算机运算分析后重新得到的被控参数设定值发送至相应的现场控制单元，改变现场机的控制趋势。监控站不仅可以监视整个系统的运行情况，而且可以简单、迅速的方法调整设备运行状态。

换热站PLC 系统独立完成运行参数、故障参数等各类参数的采集、存储、传送。首站PLC 系统实施对热源调度控制。PLC 系统站内控制装置如：循环泵、补水泵、电动调节阀等进行设定参数调节控制，确保其运行在设定范围内。巡检人员可通过人机界面进行站内参数监视及控制操作。

供热管网运行正常状态下，整个管网需进行均匀性调节，实现热量的均匀分配。在通讯故障时各热力站可根据热用户的热需求（主要是根据二级热网供回水温度、室外温度及室内的舒适温度），通过现场控制单元对各热力站内电动调节阀进行控制调节，保证热量供应。在量调节阶段，中央监控站根据用户流量变化，按照末端用户压差调节首站的变速泵转速，保证不利点有足够的资用压头。在质调节阶段，中央监控站要根据用户热需要，协调供热量，从而使供热与热需求相适应，实现优化调节、经济运行。