基于西門(mén)子S7-300與威綸通觸摸屏的換熱站自控系統(tǒng)

梅幼亞,姚 毅,于 洋,劉春鵬（.四川理工學(xué)院自電學(xué)院,四川 自貢 643000；.南京科奧自控科技有限公司,南京 00）

基于西門(mén)子S7-300與威綸通觸摸屏的換熱站自控系統(tǒng)

梅幼亞1,姚 毅1,于 洋2,劉春鵬1
（1.四川理工學(xué)院自電學(xué)院,四川 自貢 643000；2.南京科奧自控科技有限公司,南京 211100）

摘 要：本設(shè)計(jì)為濟(jì)南某小區(qū)換熱站自控系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-300 PLC對(duì)其循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的變頻器以及一次閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)行控制，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并利用威綸通觸摸屏對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制調(diào)節(jié)以及顯示數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)與上位機(jī)之間通過(guò)無(wú)線3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)Q熱站的各項(xiàng)數(shù)據(jù)并可直接對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，大大降低了人力成本，提高了換熱站的自動(dòng)化程度和可靠性。

關(guān)鍵詞：換熱站；自控系統(tǒng)；PLC

0 引言

我國(guó)北方城市冬季供暖大都采用集中供暖的方式向全市供暖。換熱站是熱網(wǎng)系統(tǒng)向用戶供熱的最后一級(jí)系統(tǒng)，承擔(dān)著無(wú)可替代的責(zé)任。傳統(tǒng)的換熱站大都是有人值守，人工負(fù)責(zé)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)以及換熱站內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)的記錄，確保供暖的正常和換熱站的安全。隨著自動(dòng)控制的發(fā)展，越來(lái)越多的換熱站進(jìn)行改造，采用可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器對(duì)換熱站進(jìn)行控制，與之前人工操作相比，可靠性大大增加。

1　換熱站自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

換熱站中，二次網(wǎng)供回水壓力、溫度以及流量都是影響供熱效果的重要因素，因此，我們系統(tǒng)可依據(jù)這些參數(shù)及時(shí)調(diào)節(jié)該換熱站內(nèi)的三臺(tái)循環(huán)泵、兩臺(tái)補(bǔ)水泵以及電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和兩臺(tái)水水換熱器。

（1）換熱站的熱源來(lái)自濟(jì)南市南郊熱電廠的熱水，通過(guò)兩臺(tái)換熱器進(jìn)行熱量交換。系統(tǒng)正常工作時(shí)使用兩臺(tái)循環(huán)泵，另外一臺(tái)作為備用，使用ABB變頻器控制水泵，系統(tǒng)可以通過(guò)三種方式來(lái)進(jìn)行循環(huán)泵的PID調(diào)節(jié)：

1）給定變頻器固定頻率；

2）通過(guò)PID調(diào)節(jié)保持二次回水的固定壓力值；

3）通過(guò)PID調(diào)節(jié)保持二次供水和二次回水之間的壓力值差不變。

通過(guò)人機(jī)界面上的選擇項(xiàng)可以選擇所需要的控制方式，通常使用二次回水固定壓力值方式作為循環(huán)泵的調(diào)節(jié)方式。

系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，免不了有水的損耗，因此需在一定的時(shí)候進(jìn)行補(bǔ)水。補(bǔ)水系統(tǒng)由補(bǔ)水泵、水箱等組成，通過(guò)實(shí)測(cè)二次側(cè)壓力與一次側(cè)壓力的差值進(jìn)行補(bǔ)水使二次網(wǎng)得以穩(wěn)定。當(dāng)一次二次側(cè)水壓差小于等于設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)水泵不工作；當(dāng)水壓差大于設(shè)定值時(shí)，補(bǔ)水泵工作。兩臺(tái)補(bǔ)水泵互為備用，當(dāng)一臺(tái)補(bǔ)水泵不足以達(dá)到所需的水壓時(shí)，此時(shí)需要同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)補(bǔ)水泵。控制系統(tǒng)通過(guò)MODBUS通訊使變頻器對(duì)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵進(jìn)行控制，使各個(gè)水泵按照各自所需要的負(fù)荷進(jìn)行工作。變頻器和PLC的靈活使用，充分發(fā)揮了變頻器方便調(diào)速和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，減少了不必要的能源浪費(fèi)。

（2）自控系統(tǒng)可以通過(guò)六種PID方式來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥使得二次供水溫度達(dá)到設(shè)定值，即：

1）二次側(cè)供水溫度恒定；

2）二次側(cè)供水溫度和回水溫度平均值恒定；

3）一次側(cè)回水溫度恒定；

4）恒定流量調(diào)節(jié)；

5）恒定熱量調(diào)節(jié)；

6）通過(guò)本地氣溫補(bǔ)償。通常我們使用本地氣候補(bǔ)償方式來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。本地氣溫補(bǔ)償中，設(shè)定一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)本地室外氣候條件的測(cè)量來(lái)自動(dòng)選擇所對(duì)應(yīng)的供溫。另外，可以每隔兩小時(shí)設(shè)定一個(gè)溫度修正值，以達(dá)到一天內(nèi)不同時(shí)間段內(nèi)所對(duì)應(yīng)的不同的溫度來(lái)二次供水，達(dá)到減少能源浪費(fèi)的功效。（設(shè)定溫度SP=基準(zhǔn)點(diǎn)+二次供溫時(shí)段修正+室外對(duì)應(yīng)溫度）。如圖1所示。

（3）系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換熱站的各項(xiàng)工作參數(shù)，如一次二次側(cè)供回水溫度、壓力、流量、閥門(mén)的開(kāi)度反饋、各個(gè)變頻器的頻率電流等數(shù)據(jù)，循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的運(yùn)行反饋故障反饋以及數(shù)據(jù)的歷史記錄曲線。系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)異常的設(shè)備自動(dòng)報(bào)警，并且能夠?qū)⑸鲜鏊行畔@示在觸摸屏與系統(tǒng)的上位機(jī)上。如圖2所示。

2　系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)要求，選用西門(mén)子s7-300型可編程控制器完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與過(guò)程控制。硬件系統(tǒng)由一個(gè)CPU314，一個(gè)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)關(guān)量的DI模塊，一個(gè)下發(fā)開(kāi)關(guān)指令給現(xiàn)場(chǎng)水泵的DO模塊，一個(gè)接受現(xiàn)場(chǎng)的模擬量數(shù)據(jù)的AI模塊，AO模塊給定閥門(mén)開(kāi)度，另外配置一個(gè)AI RTD模塊直接測(cè)量溫度值以及通訊模塊CP341和CP343-1模塊。配置威綸通MT8000系列觸摸屏，觸摸屏為主要的人機(jī)界面，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)進(jìn)行顯示以及控制系統(tǒng)的運(yùn)行，同時(shí)，采用宏電H7392型工業(yè)3G路由器通過(guò)無(wú)線傳輸將數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)監(jiān)控室。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示：

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 可編程邏輯控制器

系統(tǒng)采用step7 v5.5編程軟件進(jìn)行PLC的邏輯編程。硬件配置如圖4所示，程序采用梯形圖編寫(xiě)，程序主要的功能是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備啟停的控制，閥門(mén)開(kāi)度的給定，轉(zhuǎn)換現(xiàn)場(chǎng)的溫度變送器、壓力變送器、流量計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)的采集報(bào)警控制以及系統(tǒng)所需的相關(guān)通訊程序的編寫(xiě)。程序?qū)⑺械臄?shù)據(jù)儲(chǔ)存到一個(gè)數(shù)據(jù)塊（DB200）中，通過(guò)對(duì)此數(shù)據(jù)塊的查看修改以讀寫(xiě)控制參數(shù)3.2 威綸通觸摸屏

本系統(tǒng)采用的是深圳威綸通觸摸屏作為現(xiàn)場(chǎng)的人機(jī)界面（HMI）。用Easybuilder8000

編程軟件對(duì)觸摸屏進(jìn)行編程編譯。主界面如下圖5所示。

觸摸屏主要用于各項(xiàng)數(shù)據(jù)的顯示以及供現(xiàn)場(chǎng)

工作人員的操作。HMI設(shè)有各種不同等級(jí)的密碼可以供不同權(quán)限的人員使用。在調(diào)試PID參數(shù)時(shí)，可以顯示PID曲線變化，更方便的進(jìn)行PID參數(shù)整定。根據(jù)用戶的要求可以將參數(shù)、報(bào)警等以畫(huà)面、歷史曲線、報(bào)表等形式在屏幕上顯示。

4　系統(tǒng)的通訊

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)設(shè)備的聯(lián)合使用，現(xiàn)階段有多種通訊方式可以選擇，綜合考慮各個(gè)方案后我們選擇如下的通訊方法：

（1）現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)界面觸摸屏通過(guò)RS485接口直接與PLC相連接，設(shè)置觸摸屏的串口通訊參數(shù)與PLC的一致即可。

（2）PLC與變頻器利用CP-341模塊通過(guò)MODBUS協(xié)議進(jìn)行通訊。三臺(tái)變頻器作為從機(jī)，plc作為主機(jī)，設(shè)定PLC通訊參數(shù)與變頻器通訊參數(shù)一致即可。S7-300根據(jù)不同的功能碼通過(guò)輪詢程序和FB7、FB8功能塊向各個(gè)從站發(fā)送請(qǐng)求字節(jié)幀以及返回?cái)?shù)據(jù)，從而讀取變頻器的狀態(tài)以及寫(xiě)入變頻器參數(shù)。

（3）監(jiān)控中心上位機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用宏電H7932無(wú)線路由器以及西門(mén)子cp343-1 lean模塊，利用中國(guó)聯(lián)通3G無(wú)線上網(wǎng)卡上傳數(shù)據(jù)。熱電公司使用中國(guó)聯(lián)通的VPN虛擬專用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，給予每個(gè)換熱站一個(gè)固定的IP地址。上位機(jī)通過(guò)Industrial Ethernet協(xié)議直接讀寫(xiě)此IP地址所對(duì)應(yīng)的PLC的DB200數(shù)據(jù)塊里面的數(shù)據(jù)，從而能夠?qū)Υ罅康念愃朴诖说膿Q熱站進(jìn)行監(jiān)控和控制，大大的節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M(fèi)用。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)換熱站自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，由主要通過(guò)人工調(diào)節(jié)的換熱站逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)人值守?fù)Q熱站，大大的節(jié)省了人力財(cái)力。系統(tǒng)充分發(fā)揮了西門(mén)子PLC配置靈活、控制可靠的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)有了可靠性的保障，因此在許多換熱站中得到了廣泛的應(yīng)用。此外，系統(tǒng)所用的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)還可以應(yīng)用到其他許多條件惡劣的工業(yè)環(huán)境下，在以后的監(jiān)控等領(lǐng)域有著較好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣琳琳. 變頻器及自控系統(tǒng)在集中供暖里換熱站控制中的應(yīng)用[J].北京:科學(xué)時(shí)代,2010(01):73-74.

[2]王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.

[3]章翔峰，周建平，梁楚華.基于PLC的換熱站遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的研制[J].內(nèi)江科技，2011,3(01):103.