梅幼亞,姚 毅,于 洋,劉春鵬（.四川理工學院自電學院,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
（1.四川理工學院自電學院,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)計為濟南某小區(qū)換熱站自控系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用西門子S7-300 PLC對其循環(huán)泵、補水泵的變頻器以及一次閥門的開度進行控制，并對現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)進行實時采集，并利用威綸通觸摸屏對系統(tǒng)進行控制調(diào)節(jié)以及顯示數(shù)據(jù)。此外，系統(tǒng)與上位機之間通過無線3G網(wǎng)絡(luò)進行通訊，上位機實時監(jiān)控換熱站的各項數(shù)據(jù)并可直接對參數(shù)進行修改，大大降低了人力成本，提高了換熱站的自動化程度和可靠性。

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系統(tǒng)，承擔著無可替代的責任。傳統(tǒng)的換熱站大都是有人值守，人工負責閥門的開關(guān)以及換熱站內(nèi)各項參數(shù)的記錄，確保供暖的正常和換熱站的安全。隨著自動控制的發(fā)展，越來越多的換熱站進行改造，采用可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器對換熱站進行控制，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)及時調(diào)節(jié)該換熱站內(nèi)的三臺循環(huán)泵、兩臺補水泵以及電動調(diào)節(jié)閥和兩臺水水換熱器。

（1）換熱站的熱源來自濟南市南郊熱電廠的熱水，通過兩臺換熱器進行熱量交換。系統(tǒng)正常工作時使用兩臺循環(huán)泵，另外一臺作為備用，使用ABB變頻器控制水泵，系統(tǒng)可以通過三種方式來進行循環(huán)泵的PID調(diào)節(jié)：

1）給定變頻器固定頻率；

2）通過PID調(diào)節(jié)保持二次回水的固定壓力值；

3）通過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。

通過人機界面上的選擇項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)在運行的過程中，免不了有水的損耗，因此需在一定的時候進行補水。補水系統(tǒng)由補水泵、水箱等組成，通過實測二次側(cè)壓力與一次側(cè)壓力的差值進行補水使二次網(wǎng)得以穩(wěn)定。當一次二次側(cè)水壓差小于等于設(shè)定值時，補水泵不工作；當水壓差大于設(shè)定值時，補水泵工作。兩臺補水泵互為備用，當一臺補水泵不足以達到所需的水壓時，此時需要同時啟動兩臺補水泵?？刂葡到y(tǒng)通過MODBUS通訊使變頻器對循環(huán)泵和補水泵進行控制，使各個水泵按照各自所需要的負荷進行工作。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，減少了不必要的能源浪費。

（2）自控系統(tǒng)可以通過六種PID方式來調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥使得二次供水溫度達到設(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）通過本地氣溫補償。通常我們使用本地氣候補償方式來進行調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥。本地氣溫補償中，設(shè)定一個基準點，根據(jù)本地室外氣候條件的測量來自動選擇所對應(yīng)的供溫。另外，可以每隔兩小時設(shè)定一個溫度修正值，以達到一天內(nèi)不同時間段內(nèi)所對應(yīng)的不同的溫度來二次供水，達到減少能源浪費的功效。（設(shè)定溫度SP=基準點+二次供溫時段修正+室外對應(yīng)溫度）。如圖1所示。

（3）系統(tǒng)實時監(jiān)測換熱站的各項工作參數(shù)，如一次二次側(cè)供回水溫度、壓力、流量、閥門的開度反饋、各個變頻器的頻率電流等數(shù)據(jù)，循環(huán)泵和補水泵的運行反饋故障反饋以及數(shù)據(jù)的歷史記錄曲線。系統(tǒng)對數(shù)據(jù)異常的設(shè)備自動報警，并且能夠?qū)⑸鲜鏊行畔@示在觸摸屏與系統(tǒng)的上位機上。如圖2所示。

2　系統(tǒng)的構(gòu)成

根據(jù)要求，選用西門子s7-300型可編程控制器完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與過程控制。硬件系統(tǒng)由一個CPU314，一個測量現(xiàn)場開關(guān)量的DI模塊，一個下發(fā)開關(guān)指令給現(xiàn)場水泵的DO模塊，一個接受現(xiàn)場的模擬量數(shù)據(jù)的AI模塊，AO模塊給定閥門開度，另外配置一個AI RTD模塊直接測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界面，可以對現(xiàn)場的參數(shù)進行顯示以及控制系統(tǒng)的運行，同時，采用宏電H7392型工業(yè)3G路由器通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳到上位機監(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

3.1 可編程邏輯控制器

系統(tǒng)采用step7 v5.5編程軟件進行PLC的邏輯編程。硬件配置如圖4所示，程序采用梯形圖編寫，程序主要的功能是進行現(xiàn)場各個設(shè)備啟停的控制，閥門開度的給定，轉(zhuǎn)換現(xiàn)場的溫度變送器、壓力變送器、流量計的測量數(shù)據(jù)，現(xiàn)場各設(shè)備的運行狀態(tài)的采集報警控制以及系統(tǒng)所需的相關(guān)通訊程序的編寫。程序?qū)⑺械臄?shù)據(jù)儲存到一個數(shù)據(jù)塊（DB200）中，通過對此數(shù)據(jù)塊的查看修改以讀寫控制參數(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)場的人機界面（HMI）。用Easybuilder8000

編程軟件對觸摸屏進行編程編譯。主界面如下圖5所示。

觸摸屏主要用于各項數(shù)據(jù)的顯示以及供現(xiàn)場

工作人員的操作。HMI設(shè)有各種不同等級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，可以顯示PID曲線變化，更方便的進行PID參數(shù)整定。根據(jù)用戶的要求可以將參數(shù)、報警等以畫面、歷史曲線、報表等形式在屏幕上顯示。

4　系統(tǒng)的通訊

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

（1）現(xiàn)場人機界面觸摸屏通過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MODBUS協(xié)議進行通訊。三臺變頻器作為從機，plc作為主機，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)不同的功能碼通過輪詢程序和FB7、FB8功能塊向各個從站發(fā)送請求字節(jié)幀以及返回數(shù)據(jù)，從而讀取變頻器的狀態(tài)以及寫入變頻器參數(shù)。

（3）監(jiān)控中心上位機通過無線網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用宏電H7932無線路由器以及西門子cp343-1 lean模塊，利用中國聯(lián)通3G無線上網(wǎng)卡上傳數(shù)據(jù)。熱電公司使用中國聯(lián)通的VPN虛擬專用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，給予每個換熱站一個固定的IP地址。上位機通過Industrial Ethernet協(xié)議直接讀寫此IP地址所對應(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熱站進行監(jiān)控和控制，大大的節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁M用。

5　結(jié)束語

本文通過對換熱站自控系統(tǒng)的設(shè)計，由主要通過人工調(diào)節(jié)的換熱站逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o人值守換熱站，大大的節(jié)省了人力財力。系統(tǒng)充分發(fā)揮了西門子PLC配置靈活、控制可靠的優(yōu)點，使整個系統(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。

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