基于DCS的換熱站管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王連進(jìn)，孫少杰2，李建榮2，趙一凡，宿元亮3，儀垂杰

(1.青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266071； 2.華能青島熱電有限公司，山東 青島 266400；3.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266520)

我國的老舊小區(qū)的換熱站大部分是上世紀(jì)80年代所建，因當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的局限性和集送處理量少，靠普通儀表、人工采集和手動(dòng)控制即可完成當(dāng)日的生產(chǎn)管理工作。但隨著我國的城鄉(xiāng)建設(shè)飛速發(fā)展，城鄉(xiāng)居民對于供暖個(gè)性化和舒適化的要求不斷提高，需要有更加系統(tǒng)和科學(xué)的小區(qū)換熱站監(jiān)控系統(tǒng)。原有老舊小區(qū)的換熱站存在許多問題：由于監(jiān)控測點(diǎn)數(shù)量不足，監(jiān)控參數(shù)數(shù)量少，導(dǎo)致用戶出現(xiàn)的問題發(fā)現(xiàn)不及時(shí)；現(xiàn)有熱力管網(wǎng)分配熱能不合理；現(xiàn)有的熱力管網(wǎng)控制大多數(shù)是依靠有經(jīng)驗(yàn)的工人手動(dòng)調(diào)節(jié)控制，極少數(shù)的采用電動(dòng)控制，使得控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和即時(shí)性差。因此，急需設(shè)計(jì)研發(fā)一種基于Opto分布式監(jiān)控系統(tǒng)，來提高新建小區(qū)供暖系統(tǒng)數(shù)字化、自動(dòng)化水平。

DCS(Distributed Control System,集散分布式控制系統(tǒng))[1]基本設(shè)計(jì)思想是控制分散、操作和管理集中，就是將管理和操作集中，功能和危險(xiǎn)分散。所以,DCS是較為理想的工業(yè)過程控制的體系構(gòu)架，符合工業(yè)控制自動(dòng)的基本要求?；诿绹鳲pto 22公司的Opto 22 SNAP PAC開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)的分布式檢測控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)和高可靠性的現(xiàn)場總線技術(shù)，形成了控制相對集中、危險(xiǎn)和功能相對分散的開放型集散控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對新建小區(qū)換熱站的各個(gè)監(jiān)控測點(diǎn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)顯示；具有良好的可靠性、可用性、靈活性和擴(kuò)展性；還可以在非正常工作情況下，實(shí)時(shí)進(jìn)行聲光等信號報(bào)警，根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行遠(yuǎn)程閉環(huán)控制和遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)?。該系統(tǒng)還具有可讀性好、易于現(xiàn)場人員調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。

1 DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

DCS作為一種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，其核心思想就是分散采集控制，集中監(jiān)視管理。雖然經(jīng)過近40年的發(fā)展，但是其基本結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變，DCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原型如圖1所示。

CS—控制站；OS—操作員站；ES—工程師站；SCS—監(jiān)控計(jì)算機(jī)站；CG—計(jì)算機(jī)網(wǎng)關(guān)；CNET—控制網(wǎng)絡(luò)

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，集散控制系統(tǒng)一般都包括三大基本部分，分別是分散控制裝置、集中操作管理系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)。通過上述結(jié)構(gòu)，可以看出集散控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的分散功能，各個(gè)局部系統(tǒng)能夠獨(dú)立工作，各局部系統(tǒng)之間通過高速數(shù)據(jù)總線和以太網(wǎng)進(jìn)行通信。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)和換熱站的數(shù)據(jù)采集通信要求，可將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成3部分，分別對應(yīng)著企業(yè)管理級、過程控制級和現(xiàn)場控制級，如圖2所示。其中，現(xiàn)場控制級為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的過程控制和采集數(shù)據(jù)，需要控制模塊、以太網(wǎng)交換機(jī)、遠(yuǎn)程I/O、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等設(shè)備協(xié)同工作；過程管理級由操作員站、工程師站、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等組成，完成系統(tǒng)的監(jiān)控[2]、現(xiàn)場的組態(tài)及復(fù)雜控制算法的實(shí)施等工作，是數(shù)據(jù)采集的中間級；企業(yè)管理級包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、企業(yè)MIS系統(tǒng)、Web服務(wù)器、ERP系統(tǒng)，主要完成歷史數(shù)據(jù)的收集、分析和處理，提升企業(yè)的管控一體化程度。

圖2 基于以太網(wǎng)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)方案

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，企業(yè)管理級通過主干網(wǎng)與過程控制級進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采用光纖或屏蔽雙絞線；監(jiān)控計(jì)算機(jī)和控制器通過100 Mbit/s以太網(wǎng)連接，完成了過程控制級和現(xiàn)場控制級之間的通信；現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)采用流行的現(xiàn)場總線[3](RS485和RS232)，其中主干網(wǎng)和過程控制網(wǎng)都基于以太網(wǎng)通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。華能青島熱電內(nèi)網(wǎng)通過C/S訪問數(shù)據(jù)庫，外網(wǎng)可采用B/S訪問數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。

2 Opto 22 SNAP PAC 硬件配置

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

設(shè)計(jì)開發(fā)的換熱站監(jiān)控系統(tǒng)采用SNAP PAC系列(美國Opto 22公司開發(fā))。該系列的系統(tǒng)是一款基于工業(yè)以太網(wǎng)和PC的集散分布式I/O控制系統(tǒng)，主要應(yīng)用于石油化工、新能源電力、水處理、交通管控、生產(chǎn)制造等領(lǐng)域。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，可以根據(jù)現(xiàn)場不同的數(shù)據(jù)采集需要，形成從一個(gè)點(diǎn)到幾十萬個(gè)點(diǎn)的可多可少的監(jiān)控系統(tǒng)[4]。

根據(jù)青島市黃島區(qū)泊里鎮(zhèn)某小區(qū)換熱站的實(shí)際需要和測量的點(diǎn)數(shù),系統(tǒng)選用了Opto 22 SANP-PAC-R2的控制器、Opto 22 SNAP-PAC-RCK16的底板、8個(gè)Opto 22 SNAP模擬量輸入I/O、2個(gè)模擬量輸出I/O、2個(gè)數(shù)字量輸入I/O、2個(gè)數(shù)字量輸出I/O，可完成對32個(gè)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集。Opto 22公司提供的軟件開發(fā)環(huán)境PAC Project 9.1具備了完整的組態(tài)開發(fā)平臺(tái)，具備強(qiáng)大的I/O和網(wǎng)絡(luò)通信分析處理能力，可以實(shí)現(xiàn)與具有相同通信協(xié)議的設(shè)備實(shí)時(shí)通信[5]。

2.2 I/O控制策略配置

I/O控制策略主要是完成數(shù)據(jù)的采集和過程的控制的硬件單元。I/O控制策略的配置主要是依靠PAC Project 9.1開發(fā)平臺(tái)的PAC Control軟件來編寫程序，然后編譯下載到控制器，實(shí)現(xiàn)脫離PC機(jī)獨(dú)立完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和現(xiàn)場的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[6]。

2.2.1 硬件配置

建立I/O策略，就是要配置控制引擎、I/O單元和I/O點(diǎn)。

策略的核心部分為控制引擎，它可以管理現(xiàn)場的所有控制器，指揮各個(gè)控制器完成自己相應(yīng)的工作，本系統(tǒng)以一個(gè)新建小區(qū)換熱站為例，只應(yīng)用了一個(gè)控制器c1(IP地址為192.168.1.103)。這樣上位操作機(jī)就可以訪問該控制器的注冊表獲取其數(shù)據(jù)信息[7]。

配置I/O單元，需要配置I/O單元的處理器和I/O模塊。每個(gè)控制策略可以包含多個(gè)I/O單元。本系統(tǒng)中用到的I/O模塊包括：模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出。其中換熱站的I/O單元處理器配置界面如圖3所示。

圖3 I/O單元處理器配置界面

2.2.2 流程圖編程和下載運(yùn)行

PAC Control為編程人員提供的是一種流程圖式的編程方式，這種編程方式十分形象地展示了程序的運(yùn)行過程，通過一個(gè)個(gè)流程框圖來完成程序的編寫，復(fù)雜的程序可以用Opto Script腳本控制語言來編寫。這種編程方式給出了4類程序塊：動(dòng)作塊、條件塊、繼續(xù)塊和腳本語言塊。通過連線將各個(gè)塊進(jìn)行連接，完成其流程圖的順序、循環(huán)和選擇的結(jié)構(gòu)。編寫好的程序?qū)⒁訡hart的形式保存下來，由相應(yīng)的處理器自動(dòng)調(diào)用。流程圖編程的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 流程圖編程示意圖

當(dāng)策略編寫調(diào)試完成后，通過PAC Control下載到控制器中，保存在控制器的閃存中,當(dāng)控制器上電并與上位機(jī)連接后，可完成系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。

3 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)和組態(tài)

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本集散檢測控制系統(tǒng)的核心是系統(tǒng)軟件的構(gòu)架，主要是由現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)構(gòu)成。現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的作用是采集和匯總現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示控制界面和數(shù)據(jù)趨勢，及發(fā)生危險(xiǎn)情況時(shí)的報(bào)警；數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的主要作用是分析管理采集到的數(shù)據(jù)、報(bào)表輸出數(shù)據(jù)和查詢相關(guān)歷史數(shù)據(jù)[8]。兩系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.2 現(xiàn)場監(jiān)控軟件的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件是利用Opto 22組態(tài)監(jiān)控軟件實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)主要由I/O控制策略和人機(jī)交互界面組成。PAC Project 9.1組態(tài)開發(fā)軟件是美國Opto 22公司提供的一整套大型綜合性的工業(yè)過程控制應(yīng)用軟件，主要由PAC Control、PAC Manger、PAC Display等幾部分組成。這幾部分通過共同的COM接口連接，共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。I/O控制策略的編寫由PAC Control來完成，人機(jī)交互界面的實(shí)現(xiàn)由PAC Display來完成。以讀取補(bǔ)水泵的啟停時(shí)間為例簡要說明軟件的實(shí)現(xiàn)過程。

圖6是程序運(yùn)行流程圖,人機(jī)運(yùn)行界面效果如圖7所示。

圖6 補(bǔ)水泵啟停時(shí)間讀取程序流程圖

圖7 人機(jī)交互界面

4 結(jié)束語

將分布式集散監(jiān)控系統(tǒng)(DCS)運(yùn)用于小區(qū)換熱站監(jiān)控系統(tǒng),提高了小區(qū)換熱站自動(dòng)化控制和信息化管理的水平。本系統(tǒng)核心是上位機(jī)和Opto 22軟硬件，綜合運(yùn)用現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對換熱站每個(gè)監(jiān)控測點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的顯示。從而提高了換熱站的實(shí)時(shí)和優(yōu)化控制水平。該系統(tǒng)在華能青島熱電小區(qū)換熱站運(yùn)行調(diào)試，結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、操作簡單，達(dá)到了預(yù)期的目的。