可編程序控制器在大同市供熱監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

李興凱 賈向前 趙陽明

（天津市達(dá)恩華天智能科技有限公司，中國 天津300100）

1 可編程序控制器概述

可編程序控制器，自從誕生以來，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。通?？删幊绦蚩刂破饔蓛刹糠纸M成，即可編程序控制器本身和編程裝置；近年來，隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，也促進(jìn)可編程序控制器的技術(shù)不斷發(fā)展，功能極大增強(qiáng)。處理器速度的提高和器件的表面封裝化，使得可編程序控制器的體積趨于更加小型化，其可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾能力更高，更適合于工業(yè)控制現(xiàn)場環(huán)境。 可編程序控制器的功能也在不斷擴(kuò)展，從早期代替繼電器的順序邏輯控制發(fā)展到模擬量數(shù)字化的過程控制，從簡單的整型數(shù)處理發(fā)展到浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、復(fù)雜函數(shù)的處理。高速計數(shù)器，高速脈沖輸出功能擴(kuò)展，使其應(yīng)領(lǐng)域從早期制造領(lǐng)域的機(jī)械順序控制，延伸到模擬量過程控制和機(jī)床的數(shù)控領(lǐng)域。以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和在可編程序控制器中的使用，更使得可編程序控制器通信功能、通信速度和信息處理等方面產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

編程器通過編程口對可編程序控制器進(jìn)行編程和調(diào)試。一臺可編程序控制器可以將多種不同的通信接口集成到一起，與不同接口標(biāo)準(zhǔn)的智能裝置、人機(jī)接口觸摸屏單元和計算機(jī)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通信，完成數(shù)據(jù)采集和控制操作。

隨著計算機(jī)的普及，目前可編程序控制器的編程器大多采用計算機(jī)進(jìn)行編程，專用的可編程序控制器的編程器幾乎淘汰。 編程軟件的功能更加多樣化、編程語言更加豐富，以適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域。這使得現(xiàn)場控制系統(tǒng)的調(diào)試和故障查找愈加方便和快捷。

目前，小型可編程序控制器已將開關(guān)量的機(jī)械順序控制、模擬量的數(shù)字化過程控制、機(jī)床數(shù)控的高速脈沖的控制結(jié)合在一起，并集成了高速以太網(wǎng)的通信組網(wǎng)功能，使用戶可以方便可靠地實現(xiàn)基于高速以太網(wǎng)絡(luò)的集中控制、分散控制以及數(shù)據(jù)管理。 大同市供熱監(jiān)控系統(tǒng)由多臺可編程序控制器通過以太網(wǎng)絡(luò)相互連接構(gòu)成集中、分散遠(yuǎn)程控制及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。 實現(xiàn)全市供熱系統(tǒng)熱網(wǎng)的調(diào)度和集中控制。

2 系統(tǒng)要求

本工程是已有大同市集中供熱網(wǎng)的擴(kuò)供工程。高溫?zé)崴O(shè)計供回水溫度：120℃/65℃，二次網(wǎng)設(shè)計供回水溫度：85℃/60℃。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由調(diào)度室即監(jiān)控中心、 首站控制系統(tǒng)和熱力站控制系統(tǒng)等部分組成。熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的目標(biāo)是通過對供熱管網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)，以便在預(yù)定條件下保證終端用戶室溫高于18°C，同時最大可能地節(jié)約熱能。

根據(jù)上述目標(biāo)，供熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采用上位計算機(jī)、前端通信處理器和換熱站控制單元，通過通信網(wǎng)相互連接組成一個完整的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)對首站和換熱站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和控制調(diào)節(jié)。按照工程的要求，通信網(wǎng)絡(luò)采用公共網(wǎng)ADSL，實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)控制設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳遞。 監(jiān)控系統(tǒng)要完成對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制等功能， 需要對連接到ADSL 網(wǎng)中的換熱站內(nèi)的控制設(shè)備PLC 進(jìn)行管理。

3 供熱自控系統(tǒng)的控制方案

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

如控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖所示，前端通信處理器PLC、換熱站控制器PLC 和首站控制器PLC 的CPU 模板上帶有Ethernet 口，Ethernet口與路由器口相連， 路由器的Ethernet 口與ADSL 調(diào)制解調(diào)器上的Ethernet 口相連接。 該網(wǎng)絡(luò)的通信方式為服務(wù)器客戶端方式，即前端通信處理器PLC 作為服務(wù)器， 換熱站控制器PLC 和首站控制器PLC作為客戶端。 前端通信處理器PLC 負(fù)責(zé)對整個網(wǎng)絡(luò)的通信狀態(tài)、通信質(zhì)量和通信故障報警進(jìn)行管理。 同時一次供熱網(wǎng)的負(fù)荷平衡的調(diào)節(jié)，供熱網(wǎng)的熱負(fù)荷計算， 供熱調(diào)度等功能也由前端通信處理器PLC 的程序配合完成。

為保證監(jiān)控系統(tǒng)的準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)采用三個獨(dú)立的通信網(wǎng)完成各設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，即工控計算機(jī)和服務(wù)器之間的以太網(wǎng)、工控計算機(jī)服務(wù)器與前端通信處理器之間的以太網(wǎng)和前端通信處理器與換熱站（或首站）控制器組成的工業(yè)以太網(wǎng)。通過這種以太網(wǎng)絡(luò)配置方式，將管理信息以太網(wǎng)，數(shù)據(jù)交換以太網(wǎng)和實時控制以太網(wǎng)相互隔離、相互獨(dú)立、互不干擾；使各網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷平衡，有效地減少通信阻塞和通信中斷現(xiàn)象，保證系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。 如圖所示，監(jiān)控系統(tǒng)由工控計算機(jī)，以太網(wǎng)，前端通信處理器，換熱站（或首站）就地控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)一起組成SCADA 監(jiān)控系統(tǒng)。

3.2 基本控制方案

綜合考慮經(jīng)濟(jì)、供熱效果和實際操作等諸方面的因素，大同市區(qū)集中供熱系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)包括以下兩個部分：

一次網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)除滿足供熱負(fù)荷要求外，還應(yīng)符合熱源熱源的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的要求。二次網(wǎng)循環(huán)水泵采用變頻器壓力調(diào)節(jié)，減少管網(wǎng)的水平和垂直水力失調(diào)對熱力失調(diào)的影響， 滿足供熱效果的同時，達(dá)到較好的節(jié)能效果。 二次網(wǎng)控制模式采用質(zhì)、量并調(diào)的方式。

3.3 熱力站、供熱首站和調(diào)峰熱源控制基本策略

圖1 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

測量各熱力站的二次側(cè)供回水溫度，確定各熱力站電動閥或回水加壓泵的調(diào)節(jié)量，使得各熱力站二次側(cè)供回水平均溫度或供回水加權(quán)平均溫度趨于一致，盡可能地降低水平失調(diào)度。

測量熱網(wǎng)的總供回水溫度、外溫和流量。 根據(jù)測量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測熱網(wǎng)負(fù)荷。 由于供熱系統(tǒng)的大慣性，負(fù)荷的預(yù)測需要綜合考慮前幾天的室外溫以及供熱情況， 采用時間序列法來進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)計算機(jī)預(yù)測的負(fù)荷情況確定供水溫度、流量。調(diào)節(jié)循環(huán)水泵流量參數(shù)使得外網(wǎng)總流量達(dá)到設(shè)定值；調(diào)節(jié)蒸汽閥門或燃燒工況使得外網(wǎng)供水溫度達(dá)到設(shè)定值。

3.4 集中調(diào)度與分散控制

對于本供熱系統(tǒng)， 一些基本的控制管理功能由現(xiàn)場控制站完成，而整體的協(xié)調(diào)則在中央站實現(xiàn)。 當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時，主要由中央站來進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，由現(xiàn)場控制站具體執(zhí)行調(diào)節(jié)并完成必要的監(jiān)測和安全保護(hù)等工作；一旦系統(tǒng)出現(xiàn)通訊等方面的故障，現(xiàn)場控制站與上位機(jī)失去聯(lián)系，現(xiàn)場控制站自動進(jìn)行獨(dú)立小循環(huán)回路的控制，根據(jù)室外溫度的測量結(jié)果來設(shè)定供熱參數(shù)。此時，雖然調(diào)節(jié)的效果較差，節(jié)能效果可能不夠理想，但可保證系統(tǒng)在一定時間內(nèi)的基本運(yùn)行。

3.5 各熱力站水力失調(diào)的消除

對于采用按面積收費(fèi)的集中供熱系統(tǒng)來說，應(yīng)以消除水平熱力失調(diào)，實現(xiàn)各熱力站均勻供熱應(yīng)是供熱網(wǎng)的總調(diào)節(jié)目標(biāo)。 由于不可能對所有熱用戶的室溫進(jìn)行實時測量，個別用戶的室溫狀況亦不能代表本片熱網(wǎng)的實際情況，因此必需考慮其它的實現(xiàn)途徑。經(jīng)分析，對于房間熱特性及散熱器設(shè)計相差不大的熱網(wǎng)，實現(xiàn)各熱力站二次網(wǎng)供回水平均溫度均勻一致，即可保證所有采暖用戶室溫大體相同。因此，各站二次網(wǎng)平均水溫均勻與否，基本反映了系統(tǒng)調(diào)節(jié)的好壞。基于此，我們采用熱網(wǎng)的水平失調(diào)度作為定量評價的指標(biāo)：

公式中m 為熱力站個數(shù)，tsri、trri分別為第i 熱力站二次網(wǎng)供水、回水溫度，tw為室外溫度，αi熱力站供暖面積占全網(wǎng)總面積的比例，tr是由房間散熱器結(jié)構(gòu)以及用戶特殊要求而決定的溫度修正量。trp是以熱力站熱力特性參數(shù)加權(quán)全網(wǎng)平均二次網(wǎng)水溫。

水平失調(diào)度綜合反映了全網(wǎng)熱力工況均勻程度，其值越小，說明系統(tǒng)調(diào)節(jié)越均勻，控制效果越好。 消除水力失調(diào)的最終目的是為了消除系統(tǒng)的水平熱力失調(diào)，因此兩者是一致的。對于集中供熱工程，若全網(wǎng)采用按面積收費(fèi)，水平失調(diào)度可以控制到3%以內(nèi)。

3.6 遠(yuǎn)程、就地與手動

在特殊情況下，用戶可能希望直接對某一熱力站閥門的開度或回水加壓泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行干預(yù)。 對于有操作權(quán)限的調(diào)度人員，可以在調(diào)度室直接通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊計算機(jī)屏幕上相應(yīng)的位置并通過設(shè)定來實現(xiàn)，也可以在熱力站通過手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。 對于遠(yuǎn)程控制方式，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)通訊等故障，現(xiàn)場控制站無法與中央站服務(wù)器聯(lián)絡(luò)時，自動轉(zhuǎn)換為就地自動控制方式，并發(fā)出報警，直到系統(tǒng)通訊故障排除。

4 編程、組態(tài)及特點(diǎn)

從供熱自控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，該系統(tǒng)劃分成三個層次。 首層為中心調(diào)度管理層（設(shè)在調(diào)度中心），負(fù)責(zé)對采集數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)控制參數(shù)的管理。該層通訊協(xié)議為以太網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP 100M）。中間層為前端通信處理器層，該層主要負(fù)責(zé)與各換熱站和首站的數(shù)據(jù)交換，并對通信狀態(tài)、報警進(jìn)行有監(jiān)控和管理。 同時根據(jù)預(yù)定算法和策略對首站和一次管網(wǎng)的被控參數(shù)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)。該層的通訊協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP 100M）。 換熱站層，由帶以太網(wǎng)接口小型PLC 系統(tǒng)構(gòu)成，對站內(nèi)數(shù)據(jù)采集，直接與中間層（前端通信處理器）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 并對換熱站內(nèi)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

4.1 通信模式

將三個層面的設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)互相連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換是實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化控制和數(shù)據(jù)采集管理的關(guān)鍵。盡管以太網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是高速可靠的通信手段，但選擇合理高效、適合的通信模式對通信的速度、可靠性、通信調(diào)度管理或調(diào)試能否成功起著關(guān)鍵的作用。 通信模式和通信協(xié)議多中多樣，適用于不同的使用需求。 如何選擇適合的通信模式和通信協(xié)議應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

4.1.1 該供熱自控系統(tǒng)的特點(diǎn)是通信網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)多，目前已達(dá)到200多個節(jié)點(diǎn)

無論采用主從掃描通信模式， 點(diǎn)對點(diǎn)通信模式或服務(wù)器/客戶端通信模式，都要在通信數(shù)據(jù)規(guī)劃時考慮負(fù)荷的穩(wěn)定性。 主從掃描通信模式一般是用于網(wǎng)絡(luò)站節(jié)點(diǎn)不很多的通信系統(tǒng)中。系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)通信均工作正常時效率最高； 如果經(jīng)常出現(xiàn)多個停止工作的網(wǎng)絡(luò)站節(jié)點(diǎn)，通信效率迅速下降。 點(diǎn)對點(diǎn)通信模式雖然速度快，但涉及令牌管理等問題也不適用于這種多節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制通信網(wǎng)。同時以上兩種通信模式均需要固定網(wǎng)址。 服務(wù)器/客戶端通信模式是一種比較理想的通信模式。 其特點(diǎn)是，服務(wù)器處于等待狀態(tài)，客戶端啟動通信命令，無論系統(tǒng)有多少不工作的網(wǎng)絡(luò)站節(jié)點(diǎn)，對系統(tǒng)通信效率幾乎無影響。 這種通信模式只需要服務(wù)器端是固定網(wǎng)址。

4.1.2 通信協(xié)議是由硬件可編程序控制器決定的。

我們選用可編程序控制器型號是Schneider 昆騰系列作為通信前端控制器， 換熱站采用Twido 系列小型可編程序控制器， 都支持MODBUS 通信協(xié)議。 也可使用RTU 單元模塊與人機(jī)接口顯示操作單元組成換熱站控制器，但是它的響應(yīng)時間、掃描周期、故障處理能力無法與可編程序控制器相比。

4.2 上位機(jī)配置

上位機(jī)中運(yùn)行監(jiān)控軟件，目前上位機(jī)監(jiān)控軟件技術(shù)趨于成熟。 如果預(yù)先規(guī)劃好數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，就給上位機(jī)監(jiān)控軟件配置、組態(tài)及調(diào)試帶來方便。 其它與數(shù)據(jù)庫連接、電子地圖連接、報表打印等多屬于管理軟件范疇，實現(xiàn)的技術(shù)瓶頸和障礙不是很多。

4.3 換熱站可編程序控制器編程

換熱站可編程序控制器的編程，涉及到可編程序控制器配置，DI/DO、AI/AO 信號的處理和PID 調(diào)節(jié)功能塊的使用。 現(xiàn)場儀表主要是供回水出口壓力變送器、溫度變送器、流量計、補(bǔ)水箱液位計、流量調(diào)節(jié)閥、變頻器等。 稍微繁瑣的是流量計智能表的通信，通信接口為485。經(jīng)常遇到各站的流量計型號不同、協(xié)議不同，給編程帶來麻煩。通信管理的編程也在這里實現(xiàn)，通常使用量組數(shù)據(jù)包，一組為讀數(shù)據(jù)包，另一組為寫數(shù)據(jù)包。 通信故障的檢測一般采用脈動開關(guān)量信號方法，前端處理器PLC 通過檢測該信號，確認(rèn)通信是否正常，數(shù)據(jù)是否有效。 也曾考慮使用數(shù)據(jù)時間標(biāo)簽方式，但是這種方式占用數(shù)據(jù)量較大，而且涉及到時間同步問題，會影響通信效率而未采用。 換熱站可編程序控制器運(yùn)行方式有三種，即手動模式、就地模式和遠(yuǎn)程模式。

4.4 通信前端處理器PLC 編程

通信前端處理器PLC 的編程內(nèi)容包括三部分，一是PLC 的配置，需要考慮足夠的寄存器空間，二是首站的調(diào)節(jié)控制程序，三是涉及一些通信狀態(tài)和報警處理的程序。 調(diào)度程序在計算機(jī)內(nèi)運(yùn)行，調(diào)度軟件要對采集的當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及各種參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理，計算出輸出給定值。輸出給定值送到通信前端處理器PLC，通過遠(yuǎn)程控制網(wǎng)，再發(fā)送到換熱站可編程序控制器內(nèi)，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)閥門的開度（或調(diào)節(jié)變頻器頻率），控制供熱溫度、管道壓力及流量。 調(diào)節(jié)頻率與響應(yīng)時間滯后有關(guān)，一般要20 分鐘。

5 系統(tǒng)主要功能及技術(shù)參數(shù)

5.1 供熱系統(tǒng)參數(shù)及數(shù)據(jù)監(jiān)控管理

實時采集及顯示首站、 熱力站一級網(wǎng)和二級網(wǎng)供回水溫度和壓力、流量、熱量、閥門開度、水泵開啟狀態(tài)、循環(huán)泵變頻、補(bǔ)水泵變頻、液位等參數(shù)。 實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理及報表打印功能， 包括數(shù)據(jù)備份儲存、維護(hù)、轉(zhuǎn)換并能方便查詢和顯示參數(shù)變化曲線。 監(jiān)控站根據(jù)現(xiàn)場機(jī)的測量參數(shù)信息對能耗、水耗等進(jìn)行計量和統(tǒng)計，計算出其平均值和累計值。 對于監(jiān)控站的操作人員設(shè)定優(yōu)先級限制，分成一般操作人員與維護(hù)工程師等幾個等級，一般操作人員不能修改水泵、閥門的設(shè)定值，而維護(hù)工程師應(yīng)能進(jìn)行所有操作。

5.2 供熱系統(tǒng)自動控制功能

監(jiān)控站能將由人或計算機(jī)運(yùn)算分析后重新得到的被控參數(shù)設(shè)定值發(fā)送至相應(yīng)的現(xiàn)場控制單元，改變現(xiàn)場機(jī)的控制趨勢。 監(jiān)控站不僅可以監(jiān)視整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況，而且可以簡單、迅速的方法調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

換熱站PLC 系統(tǒng)獨(dú)立完成運(yùn)行參數(shù)、 故障參數(shù)等各類參數(shù)的采集、存儲、傳送。首站PLC 系統(tǒng)實施對熱源調(diào)度控制。PLC 系統(tǒng)站內(nèi)控制裝置如：循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、電動調(diào)節(jié)閥等進(jìn)行設(shè)定參數(shù)調(diào)節(jié)控制，確保其運(yùn)行在設(shè)定范圍內(nèi)。巡檢人員可通過人機(jī)界面進(jìn)行站內(nèi)參數(shù)監(jiān)視及控制操作。

供熱管網(wǎng)運(yùn)行正常狀態(tài)下，整個管網(wǎng)需進(jìn)行均勻性調(diào)節(jié)，實現(xiàn)熱量的均勻分配。 在通訊故障時各熱力站可根據(jù)熱用戶的熱需求（主要是根據(jù)二級熱網(wǎng)供回水溫度、室外溫度及室內(nèi)的舒適溫度），通過現(xiàn)場控制單元對各熱力站內(nèi)電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，保證熱量供應(yīng)。 在量調(diào)節(jié)階段，中央監(jiān)控站根據(jù)用戶流量變化，按照末端用戶壓差調(diào)節(jié)首站的變速泵轉(zhuǎn)速， 保證不利點(diǎn)有足夠的資用壓頭。 在質(zhì)調(diào)節(jié)階段，中央監(jiān)控站要根據(jù)用戶熱需要，協(xié)調(diào)供熱量，從而使供熱與熱需求相適應(yīng)，實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)節(jié)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

表1

5.3 故障診斷及報警功能

故障診斷及報警功能， 根據(jù)參數(shù)信息及時診斷出各系統(tǒng)的故障，指導(dǎo)系統(tǒng)維護(hù)。 可以自動診斷下列故障：

·壓力、溫度、流量傳感器故障；

·通訊系統(tǒng)故障；

·各熱力站水泵、電動閥與等設(shè)備的故障；

·各種故障能及時在屏幕上顯示， 并打印記錄；

·各遠(yuǎn)端控制站停電報警故障。

數(shù)據(jù)采集表： 每個換熱站采集數(shù)據(jù)總共為78個采集控制點(diǎn)，具體分布如表1。

6 結(jié)語

隨著對能源節(jié)約的重視，對能源管理要求愈加深入和細(xì)化，對作為城市供熱自動化控制水平的要求不斷提高。 對于采用可編程序控制器實現(xiàn)供熱系統(tǒng)自動化控制將有廣闊的發(fā)展前景和機(jī)遇。