多种类PLC换热站监控系统的研究

李 磊 李光明 赵立强

(陕西科技大学，陕西 西安 710021)

0 引言

随着我国对城市基础设施加大建设，其中城市供热系统中新热力管网的建设与老热力管网的改造，使供热系统越来越庞大、分散、难以管理等[1]。换热站控制器不同，控制器内部通信协议也不同，造成了数据接口也不同，在对换热站控制器通信时，需要频繁的修改代码。因此，将现场换热站的数据源统一到同一个平台上，实现不同设备之间信息交互功能。

在工业4.0的影响下，OPC UA[2]就是符合CPS(Cyber-Physical Systems)[3]设备或物联网信息系统开发的数据采集框架，使客户端数据获取接口和服务器数据服务接口都采用OPC DA技术[5]，OPC DA的总体框架是C/S结构，实现数据采集的集成[5]。

采用集中监测与控制换热站的方式，运用GENESIS64面向对象的开发环境，实现换热站、数据实时显示、报警控制、报表打印、数据保存以及数据分析等，实现对整个供热系统热实时控制，并提高了工作效率。

1 系统整体方案的设计

根据换热站供热系统的控制特点和热力公司的需求，设计基于换热站的监控与管理系统的需求功能，对设计的监控与管理系统采用“分散控制，集中管理”的原则。对城市各个换热站进行现场数据采集，通过PLC控制器进行现场控制，通过OPC DA硬件驱动程序采集PLC控制器的数据信息，通过以太网实现远程发送至主控中心的OPC UA服务器，实现换热站远程数据采集，将采集的数据信息存入本地数据库。通过主控中心虚拟换热站现场的控制环境，实现对城市换热站现场的集中监控与管理。系统的总体结构框图如图1所示。

2 硬件结构的实现

在现代城市供热方式下，换热站的监控与智能化管理系统中，要对换热站压力、温度、流量进行监控。在换热站现场的温度传感器、液位传感器以及流量、热量传感器有着很重要的地位。这些传感器能够及时检测换热站管网的压力、温度、液位以及流量、热量的变化，经过变送传送给PLC控制器系统，可根据控制的逻辑关系，达到控制换热站供热的效果。其换热站硬件框图如图2所示。

3 OPC UA数据采集系统的设计

3.1 OPC UA集成技术

通过OPC UA服务器的OPC DA硬件驱动程序将PLC的数据信息进行采集，使各个换热站的信息通过以太网传输方式进行传输，按照OPC UA接口规范，将采集的信息迁移到Web Service技术的框架下，发送至主控中心的OPC UA服务器上，实现跨平台的换热站监控与管理系统。

根据OPC UA服务器的特点，需要将OPC UA采集的信息，传输到客户端，为其提供服务与信息，可以将OPC UA分成七个主要模块，OPC UA的不同模块，可以完成不同的任务，这几个模块的功能，是相对独立、相互协作的关系，它们共同组成了一个统一的整体。OPC UA地址空间结构图如图3所示。

3.2 OPC UA数据采集

客户端数据获取接口和服务器数据服务接口都采用OPC DA技术，OPC DA的总体框架是C/S结构的。数据采集系统体系结构图如图4所示。其中，直接读取硬件数据是通过现场设备数据接口直接读取数据，数据库是现场监控系统存储实时数据、模拟量统计值数据和各种日志数据，Web Service釆用了面向服务体系结构，是现场监控系统采集的数据发送到Web服务器上，利用Web Service接口上传输数据。

OPC UA与工业现场的现场总线非常相似，因此也有人形象地称OPC UA为“软件总线”。OPC UA Server统一了现场的各种类型设备采集信号的数据格式，这样就相当于在不同的硬件设备之间创建了一个通用的通信平台，不同厂家的硬件设备都可以通过OPC UA这个平台实现互相之间的通信。OPC UA通信流程如图5所示。

3.3 OPC UA与GENESIS64的通信

本系统监控部分是基于GENESIS64平台开发的，它为用户提供了众多工业标准化网络协议。通过OPC UA可以通过Web服务实现跨平台的数据通信，它克服了基于DCOM的限制，实现了在任何操作系统下进行数据的传输。OPC UA服务器与GENESIS64的通信如图6所示。

4 换热站集中监控系统的设计

换热站集中监控与管理系统通过GENESIS64软件编写，在计算机的人机界面(Human Machine Interface，HMI)显示换热站现场控制环境及工艺流程。该系统包括用户登录、换热站工艺流程、数据实时显示、数据实时曲线、参数设定、数据存储、报警控制、报表生成。换热站的监控系统结构如图7所示。

1)用户管理模块。主要保护换热站监控与管理系统，是从系统安全角度考虑，设计用户登录模块，在通过用户的验证之后，才能对换热站监控与管理系统进行操作，从而保障供热监控与管理系统的安全、稳定运行以及主控中心管理的科学性。

2)数据实时显示模块。实时显示采集到的各个换热站的数据，如换热站的压力、流量、温度、阀门开度、水泵的起、停的状态等相关参数，并且能在换热站的工艺流程图上显示，使管理人员形象、直观了解换热站的工作原理与运行状况。

3)数据存储模块。对换热站的实时显示数据及参数进行存储，便于管理人员对换热站的历史数据查询，可以通过时间段的查询，生成相应的曲线，便于观察数据的变化，并且与打印机相连，打印相应的查询记录。

4)参数设定模块。实现对换热站的调节以及报警的设置，通过对电动调节阀、循环泵、补水泵控制系统的参数设定，实现换热站的恒温、恒压与恒流的控制，最大程度上消除换热站的热力失调问题。通过对实时显示参数的高低限的限制，实现对换热站温度、压力报警的设置，弥补对换热站的报警的控制。

5)报表打印模块。是根据换热站的运行记录及各个数据的实时显示，并根据上位机的编程界面，实现报表的生成以及自动打印报表，报表包括换热站的日报表、月报表、统计数据报表、历史数据报表以及程序的日志等。

6)报警语音与控制模块。热网异常自动语音报警功能，当换热站运行状态出现异常或换热站现场设备出现故障，语音报警模块会对相关的报警信息进行详细的语音报警，提示警情及对语音报警进行控制，并将相关报警信息存入数据库，便于警情分析。

5 结语

本文研究城市供热系统的监控与智能化管理，系统集成了上位机和现场多种控制器，OPC UA数据采集的特点以及通信方式，对换热站设备型号不同与控制设备通信接口体系标准不统一的远程实时通信，实现不同类型的数据源统一到相同的平台上，实现不同设备之间信息交互功能。经过在吕梁某地区的热电力公司进行测试，该系统可实现换热站的无人值守和远程操控查询等功能，系统运行稳定，界面友好，扩展性强等优点，具有良好的应用前景。