電供暖集散控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

曲娜 尤文

【摘要】? ? 依托我校新校區(qū)34萬(wàn)平米無(wú)水直熱式電供暖工程，課題組應(yīng)用PLC及單片機(jī)控制技術(shù)，以校園電供暖的各個(gè)電暖器為控制對(duì)象，以校園建筑的不同房間不同區(qū)域的取暖溫度為控制參數(shù)，設(shè)計(jì)由現(xiàn)場(chǎng)層、中間控制層、頂層管理層組成的集散控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)分散控制集中管理的電供暖溫度控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)，并將該控制系統(tǒng)打造成我校獨(dú)具特色的教學(xué)科研和“雙創(chuàng)”平臺(tái)，使我校三個(gè)學(xué)院的10余個(gè)專(zhuān)業(yè)師生受益，既滿足了學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)需要，又滿足了我校生產(chǎn)實(shí)際需求，為我校應(yīng)用型人才培養(yǎng)奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】? ? 電供暖? ? 集散控制? ? PLC? ? 單片機(jī)

引言：

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平不斷提高，但同時(shí)也帶來(lái)環(huán)境的破壞和污染，許多大中城市的環(huán)境承載能力已逼近極限，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人提出“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”的口號(hào)，城鎮(zhèn)供暖的清潔化已成為國(guó)家意志，在中央有關(guān)部門(mén)指導(dǎo)下，北方各地分別制定了利用電等清潔能源替代散煤燃燒供暖的3-5年行動(dòng)計(jì)劃，力促社會(huì)經(jīng)濟(jì)從高速增長(zhǎng)向高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展轉(zhuǎn)型。

一、校園電供暖工程介紹

我校圖書(shū)館、公共教學(xué)樓、各學(xué)院教學(xué)樓、實(shí)驗(yàn)樓、體育館、禮堂、公寓、食堂、生活服務(wù)中心、后勤保障用房等建筑采用直熱式電供暖，即供暖系統(tǒng)僅為電纜、末端散熱裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)，無(wú)任何水介質(zhì)。所有建筑物的各個(gè)房間均設(shè)置壁掛直熱式碳晶電暖器，圖書(shū)館等局部大空間，為設(shè)置地埋式碳纖維地?zé)犭娎|。電供暖電系統(tǒng)與學(xué)習(xí)生活辦公用電系統(tǒng)為相互獨(dú)立的兩套系統(tǒng)，電采暖總?cè)萘?5140KVA，配置總功率16MW。電暖供電系統(tǒng)每年非采暖季時(shí)關(guān)閉報(bào)停。

校區(qū)內(nèi)設(shè)置一座10kV開(kāi)閉所，開(kāi)閉所輻射兩個(gè)主變配電室（5臺(tái)主變壓器）和11個(gè)箱變位，其分布于校區(qū)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、圖書(shū)館、公寓、餐飲商業(yè)和后勤保障等六大區(qū)域，以滿足電采暖對(duì)用電的需求。10kV供電降壓后，經(jīng)42個(gè)低壓屏以放射式配電至各建筑物的總配電柜（120個(gè)），再經(jīng)建筑物各樓層配電箱（718個(gè)）至電采暖終端設(shè)備—壁掛直熱式全鋁翅片碳晶電暖器（11320個(gè)）。

二、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

相對(duì)于目前學(xué)?，F(xiàn)有控制平臺(tái)的上位機(jī)+單片機(jī)的簡(jiǎn)單控制模式，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以校園電供暖的各個(gè)電暖器為控制對(duì)象，以校園建筑的不同房間不同區(qū)域的取暖溫度為控制參數(shù)，自下而上組成由單片機(jī)現(xiàn)場(chǎng)層溫度控制器、中間控制層PLC控制器、頂層管理層工控機(jī)監(jiān)控界面的集散控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了分散控制集中管理的電供暖溫度控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研制。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，其中工控機(jī)作為管理層，設(shè)置在總控制中心，PLC為控制層，選用西門(mén)子的S7-300，設(shè)置在每棟樓的控制中心，溫度控制器為現(xiàn)場(chǎng)層，選用單片機(jī)作為控制核心，電暖器選用碳晶硅電暖器，工控機(jī)與PLC之間通訊采用PrefilBus通訊總線，PLC與溫度控制器之間選用485通訊總線。

2.1管理層工控機(jī)設(shè)計(jì)

管理層工控機(jī)可以將由人或計(jì)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)的控制單元，改變現(xiàn)場(chǎng)層的控制趨勢(shì)[1]。另外也可以按需要直接選定需要控制的某個(gè)電暖器，自動(dòng)或手動(dòng)給出由人或計(jì)算機(jī)運(yùn)行分析后的出的控制指令，讓相應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器執(zhí)行。這樣，管理層工控機(jī)不僅可以監(jiān)視整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，而且可以簡(jiǎn)單、迅速的調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[2]。

2.2控制層PLC控制器設(shè)計(jì)

控制層PLC控制器使用西門(mén)子S7-300來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并根據(jù)相應(yīng)算法，將溫度設(shè)定值和其它命令向現(xiàn)場(chǎng)層溫度控制器發(fā)出指令，也將現(xiàn)場(chǎng)層溫度控制器的狀態(tài)信息進(jìn)行采集與運(yùn)用。不同建筑的控制層PLC均連接至以太網(wǎng)總線上，并以S7協(xié)議與頂層的安裝有組態(tài)軟件的管理層工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

2.3現(xiàn)場(chǎng)層溫度控制器設(shè)計(jì)

溫度控制器，是由C8051單片機(jī)系統(tǒng)組成的獨(dú)立設(shè)備，可以嵌入式安裝在裝置上便于實(shí)驗(yàn)調(diào)試，也可以獨(dú)立安裝在控制現(xiàn)場(chǎng)便于實(shí)際應(yīng)用操作。同一個(gè)建筑內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)層溫度控制器，均連接在同一網(wǎng)絡(luò)的485總線上，以Modbus總線協(xié)議與本樓的控制層西門(mén)子S7-300PLC進(jìn)行通訊。PLC作為Modbus主站，通過(guò)輪詢(xún)掃描的方式與各分機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

三、溫度控制算法設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)有的電采暖控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場(chǎng)控制器通常采用基于溫度的PID閉環(huán)反饋控制，因而當(dāng)溫度傳感器或者其檢測(cè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，控制輸出要么飽和，要么截止，這會(huì)導(dǎo)致電暖器僅能處于開(kāi)通或關(guān)斷狀態(tài)，使房間溫度處于高或低兩種極端狀態(tài)，不能跟蹤給定值使供暖要求不能得到有效保證。再者，當(dāng)電暖器或者執(zhí)行通道出現(xiàn)故障時(shí)，房間的控溫要求顯然亦不能完成。此外，當(dāng)管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)控制層之間的通訊通道出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)使整個(gè)DCS控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。

針對(duì)現(xiàn)有的電采暖控制系統(tǒng)中檢測(cè)通道和執(zhí)行通道等故障，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用一種基于預(yù)測(cè)模型的故障診斷方法，該方法無(wú)需增加任何硬件資源，采用離線或在線狀態(tài)下獲得的內(nèi)部模型，構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，再利用單位階躍擾動(dòng)作用下預(yù)測(cè)模型輸出變化量和實(shí)際輸出變化量差值大小來(lái)判定執(zhí)行通道的工作狀態(tài)，當(dāng)差值超過(guò)整定閾值時(shí)，確定為故障狀態(tài)，報(bào)警提示同時(shí)轉(zhuǎn)入基于環(huán)境調(diào)節(jié)的控溫程序，類(lèi)似執(zhí)行通道故障檢測(cè)方法，在綜合考慮傳感器開(kāi)路和短路數(shù)值，進(jìn)而診斷檢測(cè)通道故障，報(bào)警提示同時(shí)轉(zhuǎn)入基于預(yù)測(cè)控制的控溫程序。對(duì)于通訊通道故障，可以采用延時(shí)查詢(xún)的方法判定其工作狀態(tài)，當(dāng)通訊故障發(fā)生時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器轉(zhuǎn)入恒溫控制程序，降低了對(duì)系統(tǒng)維護(hù)人員水平要求及維護(hù)成本，同時(shí)也提高了電供暖系統(tǒng)的可靠性。

四、負(fù)荷等級(jí)分類(lèi)設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的電采暖控制系統(tǒng)中，如果采用相同的環(huán)境溫度作為唯一的溫度設(shè)定值，就會(huì)導(dǎo)致象走廊和洗手間等一類(lèi)的熱負(fù)荷無(wú)謂消耗了大量能源，另外控制點(diǎn)全部時(shí)間使用相同的溫度設(shè)定值，同樣會(huì)造成電能的浪費(fèi)。采用類(lèi)似于電負(fù)荷分類(lèi)的方法，將校園中的辦公室、教室、實(shí)驗(yàn)室、倉(cāng)庫(kù)、走廊等熱負(fù)荷，按房間工作屬性及供暖需求，劃分其熱負(fù)荷等級(jí)，進(jìn)而依據(jù)熱負(fù)荷等級(jí)確定其給定溫度，通過(guò)優(yōu)化溫度給定值的方法，降低電能的無(wú)謂消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗。

五、平臺(tái)搭建與調(diào)試

該控制平臺(tái)采用立架式綜合裝置的硬件組成，其中頂層監(jiān)控層工控機(jī)與所配打印機(jī)外置，其余各相關(guān)器件與接線端子全部放在表面。此裝置的立架式結(jié)構(gòu)，既便于觀察器件動(dòng)作效果，也便于對(duì)外接線。

系統(tǒng)全部設(shè)置后，就可以在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)畫(huà)面查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與狀態(tài)，也可以在主畫(huà)面中點(diǎn)擊相應(yīng)建筑圖片，進(jìn)入所在樓平面圖，選擇樓層后直接以圖型的方式查看數(shù)據(jù)，不同控制點(diǎn)的溫度以不同顏色代表，效果非常直觀。如圖2所示。

六、結(jié)束語(yǔ)

該電供暖控制系統(tǒng)可替換傳統(tǒng)水暖系統(tǒng)，在學(xué)校等公共建筑中進(jìn)行電供暖控制，運(yùn)行費(fèi)用低，沒(méi)有傳統(tǒng)水暖的“跑冒滴漏”隱患，節(jié)省水資源，降低煙塵污染。我校每個(gè)采暖季相比同規(guī)模的集中供熱面積可節(jié)約電費(fèi)約430萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、減排的效果。

此外該平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)還推進(jìn)了學(xué)校自動(dòng)化類(lèi)、計(jì)算機(jī)類(lèi)、儀器儀表類(lèi)、能源動(dòng)力類(lèi)等十余個(gè)專(zhuān)業(yè)的實(shí)踐教學(xué)的改革和創(chuàng)新，新增了自動(dòng)化控制系統(tǒng)和生產(chǎn)管理軟件等應(yīng)用方面的專(zhuān)業(yè)課程和實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，達(dá)到了有針對(duì)性設(shè)置實(shí)訓(xùn)科目的目的，進(jìn)一步夯實(shí)了應(yīng)用型人才培養(yǎng)的專(zhuān)業(yè)教育與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要、課程體系與職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)需要、創(chuàng)新教學(xué)過(guò)程與實(shí)踐能力需要 “三個(gè)對(duì)接”的基礎(chǔ)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]張偉.基于PLC的熱網(wǎng)系統(tǒng)的自動(dòng)平衡分析與應(yīng)用[D].沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2009.

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[3]賈偉.物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與信息傳輸技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)， 2016， 39 （5） ：33-37.

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