采用Micro2080 Controller與MCGS的熱力站自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁海霞，劉慶剛，孟凡文

（1.濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子與信息工程系，濟(jì)寧 272037；2.濟(jì)寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，濟(jì)寧 272037）

0 引言

在目前的城市供熱系統(tǒng)中，采用集中供熱是發(fā)展趨勢。熱電廠通過熱力首站對外輸送高溫?zé)崴瑢崴ㄟ^輸送管道送到城區(qū)不同位置的熱力子站。熱力子站的換熱機(jī)組實(shí)現(xiàn)首站高溫供水與用戶回水的熱交換，交換后的熱水送至用戶。美國、日本、俄羅斯、德國等國集中供熱系統(tǒng)都基本實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自動檢測與控制[1～3]。國外監(jiān)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，供暖用戶的散熱器入口安裝溫控閥，用戶自主調(diào)節(jié)供熱溫度。熱力站依據(jù)室外溫度調(diào)節(jié)供水溫度，監(jiān)控中心監(jiān)測熱閥和熱力站運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過不利點(diǎn)用戶壓差控制和調(diào)節(jié)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵，實(shí)施變流量自動控制。

與國外相比，我國的集中供熱系統(tǒng)還很落后，具體表現(xiàn)在以下三個方面。

1）自動監(jiān)控系統(tǒng)未完成或未完善。熱力站現(xiàn)場未實(shí)現(xiàn)自動控制，需要有人值守實(shí)現(xiàn)補(bǔ)水泵補(bǔ)水，不能根據(jù)工況及時調(diào)整參數(shù)，浪費(fèi)了人力和資源。

2）供暖質(zhì)量差，用戶冷熱不均衡。 由于缺失有效的調(diào)控設(shè)備，使得熱網(wǎng)嚴(yán)重失調(diào)，遠(yuǎn)端用戶的室溫達(dá)不到供暖要求。

3）運(yùn)行方式不合理，能源消耗大。由于設(shè)計(jì)觀念落后，又無合理可行的調(diào)節(jié)手段，供熱通常是“大流量，小溫差”方式運(yùn)行，系統(tǒng)損耗較大。

通過我國供熱現(xiàn)狀與國外供熱現(xiàn)狀的比較分析，結(jié)合發(fā)達(dá)國家的供暖模式，采用節(jié)能新技術(shù)新方法，利用自動控制裝置自由調(diào)節(jié)供水壓力和供熱溫度，將是集中供熱的發(fā)展趨勢。國內(nèi)采用PLC與觸摸屏進(jìn)行供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)已有報(bào)道，但未完全實(shí)現(xiàn)熱力換熱站的無人值守自動運(yùn)行[4～7]。本設(shè)計(jì)中，利用AB公司Micro2080 Controller控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理，通過MCGS實(shí)時顯示各項(xiàng)熱力參數(shù)，采用按鈕或圖形實(shí)施自動控制。用戶只需通過按鈕或圖形便可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的參數(shù)設(shè)置、設(shè)備啟停和控制，運(yùn)行過程無需人工參與，系統(tǒng)自動最優(yōu)運(yùn)行，將大大節(jié)約人力和能源成本，發(fā)展前景非常廣闊。

1 Micro2080 Controller數(shù)據(jù)采集與實(shí)時控制

1.1 Micro2080 Controller硬件組態(tài)

以AB公司Micro2080 Controller為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，首先要進(jìn)行硬件組態(tài)， CPU模塊本身集成DI 28個，DO 20個，無需再添加數(shù)字量擴(kuò)展模塊，CPU本機(jī)集成一個網(wǎng)口，一個485串口和一個USB口，可實(shí)現(xiàn)與觸摸屏的信息交換、程序上傳下載以及與現(xiàn)場485設(shè)備（如遠(yuǎn)傳水表）的通訊。由于熱力站現(xiàn)場模擬信號較多，選用8通道AI模塊2085-IF8三塊，2通道AO模塊2085-OF2三塊。組態(tài)好的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

1.2 模擬量模塊程序設(shè)計(jì)

熱力交換站需要檢測的模擬量主要有一次供水溫度、一次回水溫度、一次供水壓力、一次回水壓力、二次供水溫度、二次回水溫度、二次供水壓力、二次回水壓力、一次回水流量和補(bǔ)水箱液位等?，F(xiàn)場變送器均采用二線制儀表，輸出4mA～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，該信號通過外部電源供電的方式接入到PLC的AI通道上，PLC的CPU單元經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，將標(biāo)準(zhǔn)的電流信號轉(zhuǎn)換為工程量輸出。以壓力變送器為例，與PLC AI模塊的接線圖如圖2所示，其實(shí)質(zhì)是把變送器串聯(lián)到PLC通道上，構(gòu)成回路。

圖2 壓力變送器與AI通道連接示意圖

為實(shí)現(xiàn)模塊化編程，自己開發(fā)出專用模擬量信號采集模塊和模擬量輸出控制模塊。其基本原理是輸入電流信號與輸出的工程量之間為對應(yīng)線性關(guān)系，可用下式表達(dá)：

其中: OUT：輸出的工程量；IN：變送器輸出的電流信號；

IN_LIMIT_HI：變送器輸出電流上限；IN_LIMIT_LOW：變送器輸出電流下限；

OUT_LIMIT_HI：輸出工程量上限；OUT_LIMIT_LOW：輸出工程量下限；

將上面的轉(zhuǎn)換原理應(yīng)用到程序模塊上，所得到的專用模擬信號處理模塊如圖3所示。IN_LIMIT_HI對應(yīng)值為20000，IN_LIMIT_LOW對應(yīng)值為4000，OUT_LIMIT_HI和OUT_LIMIT_LOW對應(yīng)壓力變送器的量程上限1.6MPa和下限0MPa，將變送器輸出電流信號接入到模擬量輸入模塊的第一個通道_IO_AI_00，模塊輸出端a1為所測一次供水壓力。

圖3 模擬信號采集程序塊

1.3 補(bǔ)水泵恒壓供水控制

供給用戶的二次回水壓力應(yīng)控制住一定范圍，主要采用工頻補(bǔ)水泵和變頻補(bǔ)水泵的啟停和切換實(shí)現(xiàn)。 可采用手動和自動兩種補(bǔ)水方式，在自動方式時，首先啟動變頻補(bǔ)水泵，到達(dá)壓力上限時，自動停止變頻補(bǔ)水泵。當(dāng)變頻補(bǔ)水泵實(shí)現(xiàn)不了供水壓力要求時，再啟動工頻補(bǔ)水泵，壓力上升到設(shè)定壓力時，優(yōu)先停止工頻補(bǔ)水泵。自動補(bǔ)水主要依靠PLC自帶的比較指令、置位和復(fù)位指令實(shí)現(xiàn)。

1.4 循環(huán)泵及電動閥門控制

循環(huán)泵的啟動和停止控制采用手動控制方式，可從觸摸屏上進(jìn)行操作。電動閥門控制主要是通過PLC的AO模塊實(shí)現(xiàn)，也開發(fā)出專用的模擬量輸出程序模塊， 其設(shè)計(jì)原理類似于模擬量輸入程序模塊。

2 MCGS數(shù)據(jù)顯示與控制

2.1 MODBUS協(xié)議與地址

采用昆侖通態(tài)的M C G S觸摸屏實(shí)現(xiàn)與Micro2080 Controller的數(shù)據(jù)交換，二者是以MODBUS協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)平臺的。如表1所示為部分模擬量信號所對應(yīng)的MODBUS地址。

觸摸屏上顯示的數(shù)據(jù)與PLC內(nèi)部之間的數(shù)據(jù)只要MODBUS地址一致，就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和以及設(shè)備參數(shù)設(shè)置及設(shè)備控制，如循環(huán)泵的啟動停止、電動閥門的閥度控制等。

表1 模擬量信號對應(yīng)的MODUBUS地址

2.2 MCGS數(shù)據(jù)顯示

根據(jù)供熱工藝流程設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)顯示畫面，如圖4所示。畫面上直觀顯示出一次供水壓力、一次回水壓力、一次供水溫度、一次回水溫度、二次供水壓力、二次回水壓力、二次供水溫度、二次回水溫度、流量和閥位反饋等信息，并可實(shí)時監(jiān)測循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的運(yùn)行狀態(tài)。

圖4 MCGS觸摸屏數(shù)據(jù)顯示

2.3 MCGS設(shè)備控制

根據(jù)用戶供熱要求以及上位監(jiān)測需要，設(shè)計(jì)出觸摸屏參數(shù)設(shè)置與控制界面，如圖5所示。

在該操作界面上，可以根據(jù)供水溫度控制閥門開度，循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的頻率可根據(jù)工況設(shè)定。工頻循環(huán)泵和變頻循環(huán)泵的啟?？刂埔苍诖水嬅孢M(jìn)行設(shè)置。補(bǔ)水泵采用自動和手動補(bǔ)水兩種方式，當(dāng)補(bǔ)水泵處于自動方式時，可手動設(shè)定工頻和變頻啟停壓力值。

圖5 觸摸屏參數(shù)設(shè)置與控制界面

3 結(jié)束語

為實(shí)現(xiàn)換熱站無人值守自動運(yùn)行，研制出熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。采用美國AB公司Micro2080 Controller采集現(xiàn)場熱力參數(shù)，并將采集的到的數(shù)據(jù)傳輸給觸摸屏進(jìn)行顯示，監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定壓力和溫度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，節(jié)約人力成本，減少能源消耗，并形成以下主要結(jié)論。

1）以Mirco2080 Controller為處理核心進(jìn)行硬件組態(tài)、數(shù)據(jù)采集與自動控制。

2）基于MODBUS協(xié)議進(jìn)行MCGS與PLC之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)模擬量、數(shù)字量信號的無失真?zhèn)鬏敽蛯?shí)時顯示。

3）自行開發(fā)模擬量輸入和模擬量輸出專用程序模塊，具有顯示直觀、通用性強(qiáng)、操作簡單等特點(diǎn)。

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