沈磊,郭西進(jìn),苑存超
(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院,江蘇 徐州221008)
集中供暖是我國(guó)目前廣泛使用的供暖方式,它能夠減少對(duì)環(huán)境的污染,充分有效地利用能源[1]。
由于部分城市供熱系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,整個(gè)供熱系統(tǒng)的控制和管理也日趨復(fù)雜。 因此,采用工業(yè)控制技術(shù)對(duì)熱交換站實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制和監(jiān)控管理已成為必然的趨勢(shì)。
目前,對(duì)換熱站控制系統(tǒng)的自動(dòng)化改造分為2 種方式:第1 種是集中式控制,就是在換熱站現(xiàn)場(chǎng)完成對(duì)供熱溫度的調(diào)節(jié)和對(duì)設(shè)備運(yùn)行的監(jiān)控;第2 種是現(xiàn)場(chǎng)與控制室分級(jí)式控制,控制室負(fù)責(zé)整個(gè)參數(shù)的監(jiān)視以及對(duì)總供熱量、總循環(huán)流量的調(diào)度與調(diào)控,而現(xiàn)場(chǎng)只是組成整個(gè)控制系統(tǒng),提供設(shè)備運(yùn)行的場(chǎng)所。 由于大屯煤電換熱站實(shí)地面積不大,設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪聲較大,再加上第1 種改造方式靈活性較差,所以采用分級(jí)式控制。 這種控制方案比較靈活,也能滿(mǎn)足供熱系統(tǒng)實(shí)際的需要。 按照分級(jí)式控制的方案對(duì)換熱站進(jìn)行以下幾個(gè)方面的改造。
1)現(xiàn)場(chǎng)的控制系統(tǒng)。以O(shè)CS 控制為核心的換熱站控制系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)的閥門(mén)開(kāi)度、一次供水的溫度和壓力、二次回水的溫度和壓力、蒸汽的溫度和壓力等信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換傳輸?shù)娇刂破髦校M(jìn)行實(shí)地的控制。
2)控制室的監(jiān)控。 通過(guò)上位機(jī)的組態(tài)軟件繪制出與實(shí)地?fù)Q熱站相似的模擬畫(huà)面,做好相關(guān)控制變量的數(shù)據(jù)連接; 繪制出實(shí)時(shí)曲線和報(bào)警等畫(huà)面,從而能夠更加直觀地反映出控制現(xiàn)場(chǎng)的情景。
3)無(wú)線通訊。利用DTU 模塊與控制器進(jìn)行連接,采集到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),通過(guò)GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂剖业谋O(jiān)控計(jì)算機(jī)中,便于操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
如圖1所示,室外的溫度傳感器采集到室外溫度傳送到控制器,通過(guò)控制器來(lái)對(duì)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)行控制,控制蒸汽流量,通過(guò)熱交換器實(shí)現(xiàn)給用戶(hù)供熱; 同時(shí)根據(jù)室外溫度及用戶(hù)的需求量,控制器對(duì)變頻器的及時(shí)控制,產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。 當(dāng)二次回水的水量不夠時(shí),通過(guò)補(bǔ)水箱對(duì)其補(bǔ)水。 而熱交換器產(chǎn)生的冷凝水直接流入補(bǔ)水箱進(jìn)行補(bǔ)充。
圖1 工藝流程圖Fig.1 The flow diagram of craft
PID 控制是當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化廣泛運(yùn)用的工程技術(shù)手段之一,以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而著稱(chēng)。 但是常規(guī)的PID 在一些非線性、時(shí)變系統(tǒng)中很難達(dá)到預(yù)期的控制效果。 而模糊PID 控制整合了模糊控制器和常規(guī)PID 控制的優(yōu)點(diǎn),既能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差,又能對(duì)一些非線性、時(shí)變系統(tǒng)有著很好的控制效果。 由于換熱站溫度控制具有非線性滯后的特點(diǎn),所以必須采用模糊PID 控制[2]。
模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示,其分為常規(guī)PID 和模糊控制器2 個(gè)部分。 在運(yùn)行中,系統(tǒng)通過(guò)不斷地檢測(cè)偏差e 和偏差變化率ec,將其模糊化并輸入模糊控制器; 在進(jìn)行模糊推理、模糊運(yùn)算后,對(duì)PID 的3 個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改,以滿(mǎn)足不同控制對(duì)象的要求。
實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果如圖3所示,模糊PID 控制比常規(guī)PID 控制超調(diào)量小,更加快速地達(dá)到穩(wěn)態(tài),克服了非線性滯后,控制效果相當(dāng)不錯(cuò)。
圖3 2 條控制曲線的比較Fig.3 The comparison of the two curves
利用OCS 控制器與變頻器進(jìn)行串行通訊,解決循環(huán)泵始終以一成不變的轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作的問(wèn)題,能夠節(jié)約一定的能量消耗。 通過(guò)ModbusRTU通訊協(xié)議和RS-485 的通訊方式實(shí)現(xiàn)OCS 控制器與變頻器進(jìn)行通信[3]。 利用二次供水和二次回水的壓力差,即啟動(dòng)第1 臺(tái)循環(huán)泵讓其在變頻狀態(tài)下工作,如果它的滿(mǎn)量程輸出也不夠要求的話(huà),啟動(dòng)第2 臺(tái)循環(huán)泵,讓其在變頻下工作,將第1 臺(tái)切換成工頻下工作。
系統(tǒng)通過(guò)OCS 控制器來(lái)控制變頻器,通過(guò)變頻器適時(shí)適量地控制循環(huán)泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的輸出流量,滿(mǎn)足供暖的負(fù)荷要求,從而使電機(jī)在整個(gè)負(fù)荷變化過(guò)程中的能量消耗降低到最小,達(dá)到一定的節(jié)能效果[4]。
系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)就是指現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表與OCS 控制器,通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破髦校M(jìn)行實(shí)地的控制。
1)換熱控制柜。 內(nèi)置控制器選用美國(guó)HORNER 公司研發(fā)的XL 系列的XL6-HEXL105型OCS 控制器,選用了SmartSttix I/O 模塊,24 V開(kāi)關(guān)電源模塊,斷路器模塊等。
2)傳感器、執(zhí)行器、變頻器的選型。 室外的溫度傳感器選用VTH4 型掛壁式溫度傳感器,現(xiàn)場(chǎng)的溫度傳感器選用EX-VT1051 型溫度傳感器,現(xiàn)場(chǎng)的壓力傳感器選用DT20-1111 型壓力傳感器,現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器選用西門(mén)子AcvatixTM型執(zhí)行器,變頻器選用西門(mén)子MicroMaster440 型變頻器。
3)工控機(jī)選型。 研華P4 工控機(jī)2 臺(tái),512 MB 內(nèi)存,80 G 硬盤(pán)。
1)模擬量輸入子程序。將室外溫度傳感器和現(xiàn)場(chǎng)的溫度傳感器、壓力傳感器所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化分別傳送到OCS 控制器所對(duì)應(yīng)分配的寄存器中,并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。
2)溫度設(shè)定值子程序。 事先將設(shè)定溫度值分成幾個(gè)溫度區(qū)間,這樣室外溫度傳感器采集的溫度值就能對(duì)應(yīng)相應(yīng)的溫度區(qū)間,從而將采集的溫度值傳送給OCS 控制器所對(duì)應(yīng)分配的寄存器中。
3)通用管理子程序。 系統(tǒng)管理程序,如控制器電池電量過(guò)低提示,鎖定System 鍵等。
4)PID 控制子程序。 設(shè)定PID 所在寄存器的初始狀態(tài)及其初始值,自學(xué)習(xí)功能運(yùn)行前后的一些參數(shù)設(shè)定。
5)模擬量輸出子程序。 將PID 調(diào)節(jié)后的控制值作為最后模擬量的輸出。
6)報(bào)警子程序。 設(shè)定各參數(shù)的警界值,一旦超過(guò)警界值,系統(tǒng)立刻觸發(fā)報(bào)警。
利用紫金橋軟件對(duì)熱交換站自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控,其主界面如圖4所示。
圖4 熱交換站主界面Fig.4 The main interface of heat exchange station
對(duì)二次供水溫度及二次供水壓力繪制歷史趨勢(shì)曲線,此時(shí)溫度的設(shè)定值為75 ℃,二次供水的實(shí)際溫度值為74.3 ℃,如圖5所示。
圖5 實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線Fig.5 The trend curves of real-time
系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)的DTU 通過(guò)GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)換熱站現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心之間的無(wú)線遠(yuǎn)程通訊,為了保證兩者之間能夠長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)通訊,除了保證網(wǎng)絡(luò)的通暢外,還必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)域名解析[4]。
所謂的動(dòng)態(tài)域名解析就是將動(dòng)態(tài)的IP 地址映射到一個(gè)固定的域名解析服務(wù)上(DDNS)。需要登錄域名網(wǎng)站申請(qǐng)一個(gè)可用的域名; 打開(kāi)監(jiān)控中心所在的路由器軟件里的虛擬服務(wù)器界面,在連接監(jiān)控電腦所在的路由端口中輸入正確的服務(wù)端口、局域網(wǎng)IP 地址以及通訊協(xié)議,如圖6所示;在DDNS 界面中,正確輸入服務(wù)提供者,用戶(hù)名及其密碼,點(diǎn)擊激活,動(dòng)態(tài)域名解析完畢,如圖7所示。
圖6 虛擬服務(wù)器界面Fig.6 The interface of virtual server
圖7 DDNS 界面Fig.7 The interface of DDNS
換熱站現(xiàn)場(chǎng)與監(jiān)控中心進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊時(shí),首先打開(kāi)GFS 中測(cè)控終端設(shè)置軟件,對(duì)DTU 的一些基本參數(shù)進(jìn)行定義,如波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位等;在連接方式中選擇動(dòng)態(tài)DNS,將DNS 域名和服務(wù)器IP 設(shè)置好;最后將協(xié)議類(lèi)型、目標(biāo)端口和序號(hào)設(shè)置好,如圖8所示。 在紫金橋組態(tài)軟件中,定義設(shè)備名稱(chēng)、端口及控制器的地址,并將計(jì)算機(jī)的通訊端口COM1 設(shè)置的波特率、校驗(yàn)和通訊模式等功能設(shè)置為與控制的相一致,然后再定義程序中的各個(gè)變量,并在畫(huà)面中進(jìn)行動(dòng)畫(huà)連接。最后運(yùn)行組態(tài)的畫(huà)面和啟用DTU 的通訊功能,就能夠在監(jiān)控中心的工控機(jī)上顯示現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)變化。
圖8 GFS 測(cè)控終端的設(shè)置Fig.8 The set of GFS measurement and control terminals
美國(guó)HORNER 公司生產(chǎn)的OCS 控制器集成了PLC,I/O,HMI,通信于一體,在控制上,能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器傳輸?shù)男盘?hào)做出必要的控制指令;在通信上,能夠通過(guò)ModbusRTU 通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行;在操作上,利用其本身集成的HMI 操作界面,能夠在控制現(xiàn)場(chǎng)修改控制參數(shù),該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠,有一定的節(jié)能效果,具有推廣價(jià)值[5]。
[1] 陳廣慶,王吉岱,劉廷瑞,等.基于PLC 和MCGS 的換熱站監(jiān)控系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010,32(10):8-9,13.
[2] Xia H,Song J C.Development of Fuzzy PID Controller [J].Survey of Chemical Industry,2003,11(7):1-5.
[3] 林柏松,曹文光,劉志杰.換熱站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表,2009,30(7):49-51.
[4] 張明光,吳明永,楊素娟.基于GPRS-Internet 的換熱站無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表,2009,30(9):46-48.
[5] 周虹伯.可編程控制器在換熱站自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動(dòng),2006,36(1):59-61.