基于嵌入式PLC的换热站控制系统设计

尚文斌

临沂市恒源热力集团有限公司，山东临沂，276000

0 引言

近年来随着集中供暖、计算机控制及网络技术的快速发展，换热站作为集中供暖中连接用户与热源的重要枢纽[1]，其自动控制系统也得到了较快的发展。目前大多数是基于传统可编程逻辑控制器（PLC）的设计，存在编程语言不通用、开放性差的问题。对此本文提出设计一种基于嵌入式PLC的换热站自动控制系统，具有更为开放的构架和语言标准，较传统PLC的编程指令集更加丰富，有编程简单灵活、支持多种语言混合使用、功能强大及便于调试和维护的优点，有较广阔的应用前景，将其设计并应用于换热站的自动控制系统，可进一步提高集中供热系统的智能化程度。

1 换热站控制系统的概述

换热站控制系统一般由远程服务器监控系统、现场控制器、现场设备和通信系统等组成。其控制原理是根据换热站内二次管网供水和回水压力的变化，分别自动控制二次管网循环泵的频率和补水泵的启停，根据二次管网供水温度值，自动调节一次管网电动调节阀的开度，以此达到二次管网恒温恒压的控制要求。如图1所示换热站控制系统的结构示意图，PLC作为换热站的现场主控制器，通过与换热站内的循环泵、补水泵变频器、电动调节阀进行实时通信，经过PLC软件控制系统计算分析后，控制一次管网供水安装电动调节阀调节一次管网热水瞬时流量，达到控制二次管网供水温度的目的，实现现场设备监控功能。换热站自动控制系统的通信系统主要实现与上位机和智能电表、热量表以及补水流量计等智能仪表的实时通信，通过网络连接后可接入热电公司的上位机远程监控中心，实现控制系统的无人值守自动运行功能。

图1 换热站控制系统的结构示意图

2 换热站自动控制系统的设计

2.1 硬件选型设计

本文选用倍福CX系列型号CX9000嵌入式控制器作为换热站系统的主控制器，CX9000是一款设计安装在DIN导轨上的紧凑型以太网控制器，采用基于XScale架构的Intel IXP 420处理器，时钟频率为266MHz，系统为Windows CE的嵌入式操作系统。作为一款嵌入式控制器，它集中了工业PC和传统PLC的优势，程序处理时间短，实时控制能力强且稳定可靠[2]，配合TwinCAT自动化软件可实现对控制系统的编程设计。

倍福CX系列控制器的扩展模块可依据系统需求插接在一起，本文依据系统对模拟量、数字量的输入、输出控制点的控制要求，选型RS485串行通信接口模块CX9000-N031、总线末端端子模块KL9010、模拟量输入端子模块KL3458、模拟量输出端子模块KL4424、数字量输入端子模块KL1408、数字量输出端子模块KL2408以及数字量输入输出端子模块KL4022。另外，对于其他的现场控制设备，选用昆仑通态MCGS触摸屏型号TCP1061Ti作为人机操作界面，西门子SKC62系列作为一次侧热网的阀门电动执行器，选择型号为ACS510的ABB变频器实现对水泵的变频控制。

2.2 软件设计

软件设计部分主要包括PLC控制程序的编写和触摸屏人机界面的设计，分别在TwinCAT和MCGS软件的开发环境下来完成。

TwinCAT自动化软件是由德国BECKHOFF（倍福）公司推出的一款基于Windows操作系统的软件，支持国际工业控制编程语言的IEC 61131-3标准规范，包括语句表/汇编语言（IL）、功能框图（FBD）、梯形图（LD）、顺序功能流程图（SFC）、结构化文本（ST）共5种语言的编程，程序可满足当前集中供热中控制系统软件对实时性、稳定性、安全性的要求。TwinCAT 开发环境中主要分为System Manager和PLC Control两大部分，其中System Manager用于系统设置和I/O的硬件配置，在运行、配置、停止等不同的模式下，允许执行不同的TwinCAT操作，PLC control用于逻辑程序的编写和调试。本文选择TwinCAT PLC Control v2.11版本平台环境编写换热站的运行程序[3]，各主要功能函数模块化的描述如下：

（1）防掉电处理函数NOV_RAM()：程序每隔一秒自动保存一次设定或上位给定的数据。断电后程序可读取已保存的数据，变量的掉电保持是通过每个周期把变量当前值复制到NOVRAM区来实现的，具体包括循环泵、补水泵、电动调节阀、补水电磁阀、温度压力设定值、PID参数值、保护报警设定值等。

（2）数据采集模块：TCP_REAL()函数实现对温度、压力、液位值、电动调节阀反馈值、变频器频率、电流反馈值等模拟量采集，并将4～20mA的模拟量转化为对应的数字量。TCP_BOOL()函数实现对循环泵、补水泵的远程就地、运行停止、故障报警等控制信号的输入和输出处理。

（3）阀门控制函数Valve_Control()：依据液位判断水箱的自动控制补水阀的开关，根据二次网供水、回水温度的变化，通过计算PID值实现对一次网电动阀控制，并对阀门开度进行相应的限位保护。

（4）水泵PID值计算模块：系统在手动、自动不同的工作模式下根据二次供水回水压力值计算或输入值控制水泵的频率输出。

（5）系统循环泵和补水泵控制：系统根据液位（带死区）、二次供水和回水欠压、超压保护等相关的逻辑控制，计算补水泵给定的频率值，实现补水泵启停控制和相关保护的功能。

（6）仪表通信模块：控制配置有两个串行通信接口RS485实现与现场的智能电表、热变、水表的通信。倍福CX系列控制器编程时通过调用TCP/IP功能块，实现TCP/IP功能块的连接、发送、接收等功能，可以在系统的程序运行时看到是否连接及发送成功。

MCGS组态软件是北京昆仑通态公司研发的一套安装于Windows系统的软件平台，可实现对现场触摸屏界面的设计[4]，如图2所示。将该组态界面下载至现场的触摸屏中，与倍福CX系列控制器通过TCP/IP通信协议实现相关的显示及控制功能，其主要功能描述为：显示现场人机界面的现场压力、温度、液位等传感器的测量值，实现水泵变频器的运行状态、运行动画、电表、水表、热表等数据的显示，用户可对二次网供水温度值、阀门开度、PID参数值、报警等设置，选择手动/自动模式控制、用户可查看当日温度、压力趋势曲线等。

图2 触摸屏的设计界面

2.3 程序下载与调试

CeRHost是微软公司的一款从PC接管Windows CE桌面的工具，用户可使用CeRHost工具可实现接管windowsCE操作系统桌面，根据系统的需求对嵌入式操作系统进行相关的配置。

在程序下载和调试前，需要使用网线作为连接线，实现安装TwinCAT的编程计算机与倍福PLC的通信。CX系列嵌入式控制器的默认IP地址可以从TwinCAT System Manager中通过广播方式查找到，与控制器建立连接后，依次将配置文件和PLC程序下载到控制器后，在PC端的TwinCAT软件下通过在线联机调试PLC程序。整个程序启动运行步骤描述为：系统上电开机后，PLC系统开始初始化状态，主要包括系统自检，对各种输入信号进行读取，初始化全局变量和控制参数，之后系统根据系统设置参数自动顺序循环运行各程序模块，实现对变频器、电动调节阀等现场设备输出控制。

3 系统的应用实例

将本文设计的系统应用于以临沂市集中供热项目的某小区，设计工程概况为总供热建筑面积约6.1万平方米，换热站分为低、高2个区运行：低区为1至15层，供暖面积为3.7万平方米；高区为16至24层，高区供暖面积为2.4万平方米。小区的所有建筑均为节能建筑，住户的采暖方式均为地暖，换热站建设在地下一层，使用自来水供水，采用板式换热机组对应分2个泵组运行，设备均为一主一备的方式运行，水泵采用变频一拖一的控制方式，水泵采用定压自动补水和压差循环的变频运行方式。根据换热站的工程设计，每台机组配备2台板式换热器、2台循环水泵和2台补水泵。

将换热站自动控制系统的PLC连接至路由器或交换机，倍福CX系列PLC作为客户端，热网数据采集与监视控制系统（SCADA）作为服务器端，通过基于TCP/IP协议的Ethernet（以太网）完成实时通信，实现热力公司调度中心对各换热站点的远程监控功能[5]。该系统于2022年1月起投入运行，现导出换热站2月份低区的压力温度运行数据如表1，从表1的数据中可以看出，压力、温度数值运行表现良好，表明该设计系统整体运行稳定，为嵌入式控制器在供热系统中的设计及应用提供了可靠的数据参考。

表1 换热站2月份运行数据

4 结语

本文在提出设计一种嵌入式PLC的换热站控制系统的基础上，依次对控制系统的总体概述、硬件选型和软件设计进行了详细的说明，实现了对整个换热站自动控制系统的设计，应用于某小区后表明该设计可满足项目对于系统的控制要求。随着未来社会在自动化控制方面的快速发展，该设计对于嵌入式控制器在集中供热系统中的设计及应用具有重要的参考意义。