臺(tái)達(dá)PLC和HMI的換熱站的系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 引言
換熱站是北方民居冬季供熱系統(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。
2 換熱站工藝概貌
2.1換熱站監(jiān)控問題
傳統(tǒng)換熱站多采用人工管理人力資源成本和事故監(jiān)控問題突出，還易造成熱力失衡，影響供熱效果，造成能源的浪費(fèi)。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)場設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，不僅大大提高了工作效率，降低了故障發(fā)生率，還使控制過程更加直觀、調(diào)節(jié)和控制更加方便。
2.2換熱站監(jiān)控工藝分析
換熱站自控系統(tǒng)按設(shè)備類型分，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)換熱站的一次管網(wǎng)回路控制：主要是熱負(fù)荷控制。通過控制調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)回路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，來調(diào)節(jié)流過換熱站的一次管網(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。
（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)泵是通過變頻器來調(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?？刂葡到y(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)通過測量供回水溫差來對(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。
（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。
3 硬件設(shè)計(jì)
該東北小區(qū)換熱站以就地控制為核心，將現(xiàn)場的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門開度、泵的起停狀態(tài)等信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鳎善溥M(jìn)行采集和控制，再通過以太網(wǎng)通訊的方式，與上位機(jī)保持實(shí)時(shí)連接。該系統(tǒng)控制方案同時(shí)可連接GPRS無線模塊，還可通過串行通訊或現(xiàn)場總線方式連接分布式IO，滿足客戶各種擴(kuò)容需求。
3.1現(xiàn)場儀表和執(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。現(xiàn)場使用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。
表1 儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)清單
3.2硬件構(gòu)成
針對(duì)東北某小區(qū)換熱站現(xiàn)場控制需求，臺(tái)達(dá)PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表如表2所示。
表2 PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表
3.3PLC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)供水壓力超過規(guī)定值時(shí)，打開泄壓電磁閥泄壓；
（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。
4 換熱站軟件設(shè)計(jì)
4.1溫度監(jiān)控
溫度監(jiān)控PLC部分程序如圖1所示。
圖1 PLC部分程序示意圖
4.2PID手自動(dòng)無擾切換
SA2系列PID指令支持手自動(dòng)無擾切換功能，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)無擾切換部分程序如圖2所示。
圖2 PID手自動(dòng)無擾切換程序
4.3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)而專門開發(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。
圖3 氣候補(bǔ)償曲線示意圖
圖4 氣候補(bǔ)償曲線程序
5 監(jiān)控管理界面設(shè)計(jì)
5.1HMI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通過臺(tái)達(dá)Q-bbbb協(xié)議相連，通訊速率比常規(guī)通訊快30%。通過配置觸摸屏數(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，方便調(diào)節(jié)和控制整個(gè)工作過程B07S515觸摸屏通過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。
換熱站是北方民居冬季供熱系統(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。
2 換熱站工藝概貌
2.1換熱站監(jiān)控問題
傳統(tǒng)換熱站多采用人工管理人力資源成本和事故監(jiān)控問題突出，還易造成熱力失衡，影響供熱效果，造成能源的浪費(fèi)。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)場設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，不僅大大提高了工作效率，降低了故障發(fā)生率，還使控制過程更加直觀、調(diào)節(jié)和控制更加方便。
2.2換熱站監(jiān)控工藝分析
換熱站自控系統(tǒng)按設(shè)備類型分，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)換熱站的一次管網(wǎng)回路控制：主要是熱負(fù)荷控制。通過控制調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)回路上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，來調(diào)節(jié)流過換熱站的一次管網(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。
（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)泵是通過變頻器來調(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?？刂葡到y(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)通過測量供回水溫差來對(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。
（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。
3 硬件設(shè)計(jì)
該東北小區(qū)換熱站以就地控制為核心，將現(xiàn)場的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門開度、泵的起停狀態(tài)等信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鳎善溥M(jìn)行采集和控制，再通過以太網(wǎng)通訊的方式，與上位機(jī)保持實(shí)時(shí)連接。該系統(tǒng)控制方案同時(shí)可連接GPRS無線模塊，還可通過串行通訊或現(xiàn)場總線方式連接分布式IO，滿足客戶各種擴(kuò)容需求。
3.1現(xiàn)場儀表和執(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。現(xiàn)場使用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。
表1 儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)清單
3.2硬件構(gòu)成
針對(duì)東北某小區(qū)換熱站現(xiàn)場控制需求，臺(tái)達(dá)PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表如表2所示。
表2 PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表
3.3PLC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)供水壓力超過規(guī)定值時(shí)，打開泄壓電磁閥泄壓；
（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。
4 換熱站軟件設(shè)計(jì)
4.1溫度監(jiān)控
溫度監(jiān)控PLC部分程序如圖1所示。
圖1 PLC部分程序示意圖
4.2PID手自動(dòng)無擾切換
SA2系列PID指令支持手自動(dòng)無擾切換功能，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)無擾切換部分程序如圖2所示。
圖2 PID手自動(dòng)無擾切換程序
4.3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)而專門開發(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。
圖3 氣候補(bǔ)償曲線示意圖
圖4 氣候補(bǔ)償曲線程序
5 監(jiān)控管理界面設(shè)計(jì)
5.1HMI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通過臺(tái)達(dá)Q-bbbb協(xié)議相連，通訊速率比常規(guī)通訊快30%。通過配置觸摸屏數(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，方便調(diào)節(jié)和控制整個(gè)工作過程B07S515觸摸屏通過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。
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