沈磊，郭西進，苑存超

（中國礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，江蘇 徐州221008）

集中供暖是我國目前廣泛使用的供暖方式，它能夠減少對環(huán)境的污染，充分有效地利用能源[1]。

由于部分城市供熱系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，整個供熱系統(tǒng)的控制和管理也日趨復(fù)雜。 因此，采用工業(yè)控制技術(shù)對熱交換站實現(xiàn)過程控制和監(jiān)控管理已成為必然的趨勢。

1 控制方案

目前，對換熱站控制系統(tǒng)的自動化改造分為2 種方式：第1 種是集中式控制，就是在換熱站現(xiàn)場完成對供熱溫度的調(diào)節(jié)和對設(shè)備運行的監(jiān)控；第2 種是現(xiàn)場與控制室分級式控制，控制室負(fù)責(zé)整個參數(shù)的監(jiān)視以及對總供熱量、總循環(huán)流量的調(diào)度與調(diào)控，而現(xiàn)場只是組成整個控制系統(tǒng)，提供設(shè)備運行的場所。 由于大屯煤電換熱站實地面積不大，設(shè)備運行時的噪聲較大，再加上第1 種改造方式靈活性較差，所以采用分級式控制。 這種控制方案比較靈活，也能滿足供熱系統(tǒng)實際的需要。 按照分級式控制的方案對換熱站進行以下幾個方面的改造。

1）現(xiàn)場的控制系統(tǒng)。以O(shè)CS 控制為核心的換熱站控制系統(tǒng)，現(xiàn)場的閥門開度、一次供水的溫度和壓力、二次回水的溫度和壓力、蒸汽的溫度和壓力等信號通過A/D 轉(zhuǎn)換傳輸?shù)娇刂破髦?，進行實地的控制。

2）控制室的監(jiān)控。 通過上位機的組態(tài)軟件繪制出與實地?fù)Q熱站相似的模擬畫面，做好相關(guān)控制變量的數(shù)據(jù)連接； 繪制出實時曲線和報警等畫面，從而能夠更加直觀地反映出控制現(xiàn)場的情景。

3）無線通訊。利用DTU 模塊與控制器進行連接，采集到現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)，通過GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂剖业谋O(jiān)控計算機中，便于操作人員對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。

1.1 工藝流程

如圖1所示，室外的溫度傳感器采集到室外溫度傳送到控制器，通過控制器來對調(diào)節(jié)閥的開度進行控制，控制蒸汽流量，通過熱交換器實現(xiàn)給用戶供熱； 同時根據(jù)室外溫度及用戶的需求量，控制器對變頻器的及時控制，產(chǎn)生一定的節(jié)能效果。 當(dāng)二次回水的水量不夠時，通過補水箱對其補水。 而熱交換器產(chǎn)生的冷凝水直接流入補水箱進行補充。

圖1 工藝流程圖Fig.1 The flow diagram of craft

1.2 模糊PID 控制

PID 控制是當(dāng)今工業(yè)自動化廣泛運用的工程技術(shù)手段之一，以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而著稱。 但是常規(guī)的PID 在一些非線性、時變系統(tǒng)中很難達到預(yù)期的控制效果。 而模糊PID 控制整合了模糊控制器和常規(guī)PID 控制的優(yōu)點，既能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差，又能對一些非線性、時變系統(tǒng)有著很好的控制效果。 由于換熱站溫度控制具有非線性滯后的特點，所以必須采用模糊PID 控制[2]。

模糊PID 控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其分為常規(guī)PID 和模糊控制器2 個部分。 在運行中，系統(tǒng)通過不斷地檢測偏差e 和偏差變化率ec，將其模糊化并輸入模糊控制器； 在進行模糊推理、模糊運算后，對PID 的3 個參數(shù)進行修改，以滿足不同控制對象的要求。

實驗仿真結(jié)果如圖3所示，模糊PID 控制比常規(guī)PID 控制超調(diào)量小，更加快速地達到穩(wěn)態(tài)，克服了非線性滯后，控制效果相當(dāng)不錯。

圖3 2 條控制曲線的比較Fig.3 The comparison of the two curves

1.3 循環(huán)泵變頻控制

利用OCS 控制器與變頻器進行串行通訊，解決循環(huán)泵始終以一成不變的轉(zhuǎn)速進行工作的問題，能夠節(jié)約一定的能量消耗。 通過ModbusRTU通訊協(xié)議和RS-485 的通訊方式實現(xiàn)OCS 控制器與變頻器進行通信[3]。 利用二次供水和二次回水的壓力差，即啟動第1 臺循環(huán)泵讓其在變頻狀態(tài)下工作，如果它的滿量程輸出也不夠要求的話，啟動第2 臺循環(huán)泵，讓其在變頻下工作，將第1 臺切換成工頻下工作。

系統(tǒng)通過OCS 控制器來控制變頻器，通過變頻器適時適量地控制循環(huán)泵電機的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)循環(huán)泵的輸出流量，滿足供暖的負(fù)荷要求，從而使電機在整個負(fù)荷變化過程中的能量消耗降低到最小，達到一定的節(jié)能效果[4]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件設(shè)計就是指現(xiàn)場的儀器儀表與OCS 控制器，通過A/D 轉(zhuǎn)換將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破髦校M行實地的控制。

1）換熱控制柜。 內(nèi)置控制器選用美國HORNER 公司研發(fā)的XL 系列的XL6-HEXL105型OCS 控制器，選用了SmartSttix I/O 模塊，24 V開關(guān)電源模塊，斷路器模塊等。

2）傳感器、執(zhí)行器、變頻器的選型。 室外的溫度傳感器選用VTH4 型掛壁式溫度傳感器，現(xiàn)場的溫度傳感器選用EX-VT1051 型溫度傳感器，現(xiàn)場的壓力傳感器選用DT20-1111 型壓力傳感器，現(xiàn)場執(zhí)行器選用西門子AcvatixTM型執(zhí)行器，變頻器選用西門子MicroMaster440 型變頻器。

3）工控機選型。 研華P4 工控機2 臺，512 MB 內(nèi)存，80 G 硬盤。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 程序設(shè)計

1）模擬量輸入子程序。將室外溫度傳感器和現(xiàn)場的溫度傳感器、壓力傳感器所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)化分別傳送到OCS 控制器所對應(yīng)分配的寄存器中，并通過上位機進行實時顯示。

2）溫度設(shè)定值子程序。 事先將設(shè)定溫度值分成幾個溫度區(qū)間，這樣室外溫度傳感器采集的溫度值就能對應(yīng)相應(yīng)的溫度區(qū)間，從而將采集的溫度值傳送給OCS 控制器所對應(yīng)分配的寄存器中。

3）通用管理子程序。 系統(tǒng)管理程序，如控制器電池電量過低提示，鎖定System 鍵等。

4）PID 控制子程序。 設(shè)定PID 所在寄存器的初始狀態(tài)及其初始值，自學(xué)習(xí)功能運行前后的一些參數(shù)設(shè)定。

5）模擬量輸出子程序。 將PID 調(diào)節(jié)后的控制值作為最后模擬量的輸出。

6）報警子程序。 設(shè)定各參數(shù)的警界值，一旦超過警界值，系統(tǒng)立刻觸發(fā)報警。

3.2 上位機組態(tài)監(jiān)控界面的設(shè)計

利用紫金橋軟件對熱交換站自動控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，其主界面如圖4所示。

圖4 熱交換站主界面Fig.4 The main interface of heat exchange station

對二次供水溫度及二次供水壓力繪制歷史趨勢曲線，此時溫度的設(shè)定值為75 ℃，二次供水的實際溫度值為74.3 ℃，如圖5所示。

圖5 實時趨勢曲線Fig.5 The trend curves of real-time

4 GPRS-Internet 無線通訊

系統(tǒng)采用現(xiàn)場的DTU 通過GPRS-Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)換熱站現(xiàn)場與監(jiān)控中心之間的無線遠(yuǎn)程通訊，為了保證兩者之間能夠長時間的實時通訊，除了保證網(wǎng)絡(luò)的通暢外，還必須進行動態(tài)域名解析[4]。

所謂的動態(tài)域名解析就是將動態(tài)的IP 地址映射到一個固定的域名解析服務(wù)上（DDNS）。需要登錄域名網(wǎng)站申請一個可用的域名； 打開監(jiān)控中心所在的路由器軟件里的虛擬服務(wù)器界面，在連接監(jiān)控電腦所在的路由端口中輸入正確的服務(wù)端口、局域網(wǎng)IP 地址以及通訊協(xié)議，如圖6所示；在DDNS 界面中，正確輸入服務(wù)提供者，用戶名及其密碼，點擊激活，動態(tài)域名解析完畢，如圖7所示。

圖6 虛擬服務(wù)器界面Fig.6 The interface of virtual server

圖7 DDNS 界面Fig.7 The interface of DDNS

換熱站現(xiàn)場與監(jiān)控中心進行實時通訊時，首先打開GFS 中測控終端設(shè)置軟件，對DTU 的一些基本參數(shù)進行定義，如波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位等；在連接方式中選擇動態(tài)DNS，將DNS 域名和服務(wù)器IP 設(shè)置好；最后將協(xié)議類型、目標(biāo)端口和序號設(shè)置好，如圖8所示。 在紫金橋組態(tài)軟件中，定義設(shè)備名稱、端口及控制器的地址，并將計算機的通訊端口COM1 設(shè)置的波特率、校驗和通訊模式等功能設(shè)置為與控制的相一致，然后再定義程序中的各個變量，并在畫面中進行動畫連接。最后運行組態(tài)的畫面和啟用DTU 的通訊功能，就能夠在監(jiān)控中心的工控機上顯示現(xiàn)場的設(shè)備運行情況和數(shù)據(jù)變化。

圖8 GFS 測控終端的設(shè)置Fig.8 The set of GFS measurement and control terminals

5 結(jié)論

美國HORNER 公司生產(chǎn)的OCS 控制器集成了PLC，I/O，HMI，通信于一體，在控制上，能夠根據(jù)現(xiàn)場傳感器傳輸?shù)男盘栕龀霰匾目刂浦噶?；在通信上，能夠通過ModbusRTU 通信協(xié)議與上位機進行實時通信，從而保證了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行；在操作上，利用其本身集成的HMI 操作界面，能夠在控制現(xiàn)場修改控制參數(shù)，該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，有一定的節(jié)能效果，具有推廣價值[5]。

[1] 陳廣慶，王吉岱，劉廷瑞，等.基于PLC 和MCGS 的換熱站監(jiān)控系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動化，2010，32（10）：8－9，13.

[2] Xia H，Song J C.Development of Fuzzy PID Controller [J].Survey of Chemical Industry，2003,11（7）:1－5.

[3] 林柏松，曹文光，劉志杰.換熱站變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[J].自動化儀表，2009，30（7）:49－51.

[4] 張明光，吳明永，楊素娟.基于GPRS－Internet 的換熱站無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化儀表，2009，30（9）:46－48.

[5] 周虹伯.可編程控制器在換熱站自控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣傳動，2006，36（1）:59－61.