基于PLC和HMI的換熱站系統

換熱站是供熱系統中的重要組成部分，本文以東北某小區換熱站為例介紹了換熱站監控系統的組成、功能及實(shí)現方法。本案例采用的控制系統為臺達PLC，以此結合觸摸屏進(jìn)行現場(chǎng)數據采集。遠程上位機使用組態(tài)王軟件進(jìn)行搭建，通過(guò)換熱站與控制室之間的以太網(wǎng)通訊連接，實(shí)時(shí)監控供熱工況，并根據現場(chǎng)情況及時(shí)調節換熱站參數，提高換熱站的自動(dòng)化程度，降低運行成本，增強可靠性。

傳統換熱站大多采用人工監控，一方面浪費人力，另一方面在出現事故隱患時(shí)操作人員難以發(fā)現，易造成熱力失衡，影響供熱效果，還會(huì )造成能源的極大浪費。如在換熱站中引入PLC、觸摸屏及上位監控系統等自控設備，可對現場(chǎng)設備實(shí)時(shí)監測和控制，不僅大大提高了工作效率，降低了故障發(fā)生率，還使控制過(guò)程更加直觀(guān)、調節和控制更加方便。

1 換熱站

換熱站自控系統按設備類(lèi)型分，可分為溫度及壓力變送器、流量計電動(dòng)調節閥、循環(huán)泵及補水泵；按控制回路分，則可分為一次管網(wǎng)流量控制回路和二次管網(wǎng)控制回路。

1.1 一次管網(wǎng)回路控制

換熱站的一次管網(wǎng)回路控制，主要是熱負荷控制。通過(guò)控制調節一次管網(wǎng)回路上的電動(dòng)調節閥，來(lái)調節流過(guò)換熱站的一次管網(wǎng)熱水的流量，從而實(shí)現對二次管網(wǎng)出水溫度的控制。

1.2 二次管網(wǎng)循環(huán)泵控制

換熱站系統二次管網(wǎng)循環(huán)泵是通過(guò)變頻器來(lái)調節控制的。一般循環(huán)泵采用供回水溫差結合供回水壓差的控制方式?？刂葡到y根據實(shí)際情況，設定一個(gè)供回水壓差目標值以滿(mǎn)足二次管網(wǎng)的供暖水循環(huán)。在此基礎上，PLC系統通過(guò)測量供回水溫差來(lái)對循環(huán)泵進(jìn)行修正。當二次管網(wǎng)供回水溫差偏大時(shí)，則提高循環(huán)泵轉速，加大二次網(wǎng)的流量，提高二次管網(wǎng)的回水溫度，以改善供熱效果；當二次管網(wǎng)供回水溫差過(guò)小時(shí)，需適當降低循環(huán)泵轉速，減小二次管網(wǎng)的流量，實(shí)現小流量大溫差的運行模式。這種循環(huán)泵的控制方式可以起到節約電能及熱能的效果。

1.3 二次管網(wǎng)定壓補水控制

二次管網(wǎng)的補水控制采用的是定壓控制。當系統失水時(shí)，二次管網(wǎng)壓力下降，系統會(huì )通過(guò)變頻器控制補水泵以一定的轉速進(jìn)行補水，補水泵的轉速根據當前壓力與目標壓力的差值均勻調速，從而避免補水泵在啟動(dòng)和停止時(shí)對二次管網(wǎng)系統的沖擊。

2 系統設計

該東北小區換熱站以就地控制為核心，將現場(chǎng)的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門(mén)開(kāi)度、泵的起停狀態(tài)等信號傳輸到控制器，由其進(jìn)行采集和控制，再通過(guò)以太網(wǎng)通訊的方式，與上位機保持實(shí)時(shí)連接。

2.1 現場(chǎng)儀表和執行機構

換熱站儀表和執行機構清單如表1所示。

表1 儀表和執行機構清單

2.2 硬件構成

針對東北某小區換熱站現場(chǎng)控制需求，臺達PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表如表2。

表2 PLC及觸摸屏產(chǎn)品列表

2.3 PLC可編程控制器

系統方案中主機CPU采用臺達第二代PLC-DVP12SA2，該款PLC具有16k程序容量，自帶3個(gè)串行通訊口（1個(gè)RS232，2個(gè)RS485），最大擴展數字量為480點(diǎn)，右側可擴展8個(gè)特殊模塊（包括AD、DA、PT、TC等），并且支持左側高速擴展，可連接以太網(wǎng)模塊及現場(chǎng)總線(xiàn)模塊；同時(shí)，SA2提供豐富的應用指令（包括PID手自動(dòng)無(wú)擾切換、氣候補償曲線(xiàn)等）。

其中，12SA2是控制系統的核心，在換熱站中其完成的主要功能如下：

（1） 采集溫度、壓力、流量、液位、調節閥開(kāi)度及變頻器反鐀等仿真信號，并將其轉換為數字信號，送至觸摸屏及上位端；

（2） 根據二次網(wǎng)供水溫度和室外溫度通過(guò)調節閥調節一次網(wǎng)供水流量，保證采暖效果；

（3） 根據二次網(wǎng)回水壓力調節補水泵電機轉速，從而穩定管網(wǎng)壓力；

（4） 根據二次網(wǎng)供回水壓差控制循環(huán)泵，維持壓差穩定；

（5） 當供水壓力超過(guò)規定值時(shí)，打開(kāi)泄壓電磁閥泄壓；

（6） 做相關(guān)報警功能，當水箱水位高于或低于上下限時(shí)，發(fā)出報警。

PLC部分程序如圖1所示：

PID手自動(dòng)無(wú)擾切換：SA2系列PID指令支持手自動(dòng)無(wú)擾切換功能，使熱網(wǎng)運行更加穩定。當PID指令由自動(dòng)模式切換到手動(dòng)模式時(shí)（PID控制方式為K8），PID自動(dòng)輸出將停止運算，此時(shí)以手動(dòng)輸出值為準；當控制模式由手動(dòng)切回自動(dòng)時(shí)，PID指令會(huì )自動(dòng)將前一個(gè)輸出值接續控制下去（不重新做累積積分）。PID手自動(dòng)無(wú)擾切換部分程序如圖2：

氣候補償曲線(xiàn)功能：在熱網(wǎng)行業(yè)中，如能讓控制溫度根據室外溫度進(jìn)行相應的改變，將有利于供熱量的調節，從而實(shí)現節能。臺達公司根據熱網(wǎng)行業(yè)而專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的氣候補償曲線(xiàn)DTM指令滿(mǎn)足了上述需求。編程者在設置完室外溫度與控制溫度數組（最多50組）后，DTM指令會(huì )根據室外實(shí)際溫度值自動(dòng)調整控制溫度值。

圖3為氣候補償曲線(xiàn)示意圖。其中，橫軸為室外溫度，縱軸為控制溫度。

圖4為東北某小區PLC氣候補償曲線(xiàn)程序。

2.4 HMI觸摸屏

系統采用臺達DOP-B07S515具有65536色TFT顯示，支持三組串（RS232/RS485/RS422）。具有強大的通訊功能，同時(shí)開(kāi)孔尺寸與5寸屏相同，在有限的空間內提供了最大的顯示區域。

B07S515觸摸屏與PLC通過(guò)臺達Q-LINK協(xié)議相連，通訊速率比常規通訊快百分之三十。通過(guò)配置觸摸屏數據，可以改變PID設定值及參數，監控調節閥、循環(huán)泵和補水泵變頻器運行工況，顯示現場(chǎng)溫度、壓力、流量、液位等信號，內設報警極限值及報警記錄畫(huà)面，同時(shí)可將當前和歷史數據以報表或曲線(xiàn)的方式在屏上顯示出來(lái)，方便調節和控制整個(gè)工作過(guò)程。

B07S515觸摸屏通過(guò)RS485方式還與昌輝熱表通訊，可以將熱網(wǎng)的瞬時(shí)熱量、累積流量和累積熱量實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。圖5及圖6為觸摸屏部分程序畫(huà)面示意圖。

圖6 參數設定畫(huà)面

2.5 上位機與PLC通訊

系統上位機采用組態(tài)王系統（6.53版本），組態(tài)王是一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)監控軟件，組態(tài)王通過(guò)EN01網(wǎng)絡(luò )模塊與SA2主機相連，實(shí)時(shí)記錄并控制換熱站現場(chǎng)數據。

組態(tài)王設置按如下步驟：

(1) 在組態(tài)王工程項目里，選擇“設備”，新建一個(gè)“設備配置向導”，在“PLC”的選項中，選擇莫迪康ModbusTCP下的“TCP”，如圖7所示。

(2) 按照配置向導向下進(jìn)行，隨意選擇一個(gè)COM口號（只要不與計算機沖突即可），如圖8所示。

(3) 向下進(jìn)行，輸入設備地址，組態(tài)王關(guān)于Modbus TCP連接方式的地址格式為IP[:Port] Address（IP:設備IP地址，Port:設備地址端口，默認為502，Address:設備地址），該系統中實(shí)際地址設置為192.168.1.5：502 01，如圖8；

(4) 向下繼續進(jìn)行，直到完成即可；

(5) 組態(tài)王為標準Modbus協(xié)議，只需將SA2系列PLC的Modbus地址與其相加便可進(jìn)行變量控制。

圖8 地址設置示意圖

此外，EN01-SL設置，則通過(guò)DCISoft軟件配置EN01-SL網(wǎng)絡(luò )模塊，只需將IP地址設為192.168.1.5，啟運Modbus TCP功能，便可使SA2系列PLC與上位機正常通訊。

2.6 變頻器

現場(chǎng)使用ABB公司的ACS510系列變頻器兩臺，帶動(dòng)循環(huán)水泵與補水泵變頻運行，實(shí)現節能調速。

15kW變頻器帶動(dòng)兩臺循環(huán)泵運行（一用一備），3kW變頻器帶動(dòng)一臺補水泵。

2.7 其他

該系統控制方案擴展性強，同時(shí)可連接GPRS無(wú)線(xiàn)模塊，還可通過(guò)串行通訊或現場(chǎng)總線(xiàn)方式連接分布式IO，滿(mǎn)足客戶(hù)各種擴容需求。

3 結束語(yǔ)

基于臺達PLC和觸摸屏為控制核心的東北某小區換熱站系統投運三個(gè)月運行穩定，節能效果明顯，方便了現場(chǎng)人員的監控與調試，在客戶(hù)處取得了良好反響。隨著(zhù)國家對環(huán)保越來(lái)越重視和能源的匱乏，基于PLC為核心的集中供熱系統在北方發(fā)展潛力巨大，希望本文能對我司自動(dòng)化產(chǎn)品在熱網(wǎng)行業(yè)的推廣起到一定積極的意義。