陳廣慶，王吉岱，劉廷瑞，徐克寶

CHEN Guang-qing, WANG Ji-dai, LIU Ting-rui, XU Ke-bao

（山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266510）

0 引言

隨著國家對(duì)環(huán)保越來越重視和能源的匱乏，集中供熱在提高能源利用率、節(jié)約能源、改善環(huán)境、降低費(fèi)用、提高供熱質(zhì)量等方面與傳統(tǒng)供熱方式相比具有不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在我國北方寒冷地區(qū)的城鎮(zhèn)得到了較快發(fā)展，已成為現(xiàn)代化城鎮(zhèn)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，是城鎮(zhèn)公共事業(yè)的重要組成部分。集中供熱是指以熱水或蒸汽作為熱媒，由一個(gè)或多個(gè)熱源通過熱網(wǎng)向城市、鎮(zhèn)或其中某些區(qū)域熱用戶供應(yīng)熱能的方式。但是目前換熱站大都采用人工監(jiān)控，一方面浪費(fèi)人力；另一方面在出現(xiàn)事故隱患時(shí)操作人員難以發(fā)現(xiàn)，易造成設(shè)備事故，同時(shí)，難以達(dá)到供熱系統(tǒng)整體最佳狀態(tài)，易造成熱力失衡，影響供熱效果而造成能源的極大浪費(fèi)。本文針對(duì)學(xué)校換熱站，運(yùn)用PLC和MCGS組態(tài)軟件搭建了一套換熱站監(jiān)控系統(tǒng)，保證了換熱站的良好運(yùn)行。

1 換熱站的工作原理

該換熱站主要為教學(xué)區(qū)和學(xué)生宿舍區(qū)冬季供暖，其中教學(xué)區(qū)為南區(qū)供暖，教學(xué)區(qū)根據(jù)上課情況實(shí)行分時(shí)段供暖；宿舍區(qū)為北區(qū)供暖，全天候供暖。熱源為由恒源熱電廠來的過熱蒸汽，由2臺(tái)強(qiáng)制對(duì)流換熱器、3臺(tái)循環(huán)水泵組成的循環(huán)水系統(tǒng)及2臺(tái)補(bǔ)水泵組成的補(bǔ)水系統(tǒng)來構(gòu)成了供熱系統(tǒng)。正常工作時(shí)兩臺(tái)補(bǔ)水泵共用一臺(tái)變頻器，其中一臺(tái)運(yùn)行，另一臺(tái)備用。當(dāng)補(bǔ)水泵出現(xiàn)故障，投入另一臺(tái)泵變頻運(yùn)行。循環(huán)泵是兩用一備三臺(tái)泵，采用一臺(tái)變頻器，不可同時(shí)輸出，當(dāng)變頻器故障時(shí)，應(yīng)能夠投入循環(huán)泵的工頻運(yùn)行。

二次網(wǎng)供水溫度根據(jù)室外平均溫度補(bǔ)償確定二次網(wǎng)供水溫度設(shè)定值，采用變壓差變頻控制方式，通過一次網(wǎng)供水電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)二次網(wǎng)供水溫度的自動(dòng)控制。系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)二次供水和二次回水壓力差值，調(diào)節(jié)循環(huán)泵變頻轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對(duì)管網(wǎng)提供合適的流量和末端壓差，保證供暖質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。二次回水壓力采用自動(dòng)定壓補(bǔ)水控制策略，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)壓力值低于設(shè)定值開始補(bǔ)水；為避免補(bǔ)水泵頻繁啟停，我們?cè)O(shè)置了補(bǔ)水死區(qū)，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)壓力高于設(shè)定值死區(qū)則停止補(bǔ)水。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)要求，換熱站的自控系統(tǒng)采用典型的兩級(jí)監(jiān)控方式。上位機(jī)以組態(tài)軟件作為主要的人機(jī)界面，為生產(chǎn)管理級(jí)，完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控、生產(chǎn)操作管理等，監(jiān)控計(jì)算機(jī)選擇研華工控機(jī)P4，1.6G，256M內(nèi)存，40G硬盤，主要面向操作人員，操作人員可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場(chǎng)各設(shè)備的運(yùn)行。

下位機(jī)由可編程控制器(PLC) 構(gòu)成，為基礎(chǔ)測(cè)控級(jí)，完成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集及過程控制等。在該系統(tǒng)中主要包括南區(qū)供水溫度、北區(qū)供水溫度、回水溫度、室外溫度、蒸汽溫度、凝結(jié)水溫度、蒸汽壓力、供水壓力、回水壓力、1#調(diào)節(jié)閥開度、2#調(diào)節(jié)閥開度、1#變頻器頻率反饋、2#變頻器頻率反饋、補(bǔ)水泵變頻器反饋等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。本系統(tǒng)選擇S7-226型PLC作為下位機(jī)，S7-200系列PLC CPU226模塊提供基本單元數(shù)字量24點(diǎn)輸入/16點(diǎn)輸出，最多可帶7個(gè)擴(kuò)展模塊，具有PID控制器，支持RS-485 通訊/編程口，具有PPI 通信協(xié)議、MPI 通信協(xié)議和自由方式通信能力。本項(xiàng)目根據(jù)系統(tǒng)中的控制參數(shù)個(gè)數(shù)，選用了3塊EM231模塊、1塊EM232、1塊EM235對(duì)現(xiàn)場(chǎng)模擬參數(shù)進(jìn)行采集。

3 監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

MCGS系統(tǒng)包括組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境兩個(gè)部分。用戶的所有組態(tài)配置過程都在組態(tài)環(huán)境中進(jìn)行，它幫助用戶設(shè)計(jì)和構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)行環(huán)境是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行系統(tǒng)，它按照組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫中用戶指定的方式進(jìn)行各種處理，完成用戶組態(tài)設(shè)計(jì)的目標(biāo)和功能。

本設(shè)計(jì)經(jīng)過系統(tǒng)分析、搭建框架、制作動(dòng)畫顯示畫面、編寫控制流程程序、連接設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等工作實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)。本軟件包括主監(jiān)控界面、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面、參數(shù)設(shè)定界面、輸出設(shè)定界面、報(bào)警查詢界面。

主控界面如圖1所示，包括換熱器、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、測(cè)量?jī)x表等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的溫度和壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，操作人員可以在上位機(jī)上實(shí)時(shí)查看各組運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，保證了系統(tǒng)的良好運(yùn)行。

圖1 換熱站監(jiān)控系統(tǒng)主界面

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：對(duì)系統(tǒng)需要采集的溫度、壓力調(diào)節(jié)閥開度、變頻器頻率反饋等數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示出來，可以比較直觀的顯示某一個(gè)時(shí)期各參數(shù)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

歷史趨勢(shì)曲線：可以對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行1天、1周周或者1個(gè)月的曲線記錄，可以為運(yùn)行人員及管理者對(duì)生產(chǎn)過程的有效性和安全性指標(biāo)進(jìn)行測(cè)評(píng)，有助于堵塞生產(chǎn)的漏洞，消除不安全的隱患，提高管理水平。

參數(shù)設(shè)定：在參數(shù)設(shè)定界面中，操作人員可以對(duì)壓力的控制方式、壓差控制方式、溫差控制方式、恒壓差控制方式下的壓差設(shè)定值、供回水壓差、回水壓力低限報(bào)警值、供水壓力高限報(bào)警值、閥的開關(guān)時(shí)間、供水溫度設(shè)定值、調(diào)節(jié)閥開度低限設(shè)定、補(bǔ)水死區(qū)、蒸汽壓力量程、供水回水壓力量程、各泵及溫度調(diào)節(jié)閥的PID參數(shù)設(shè)定。

輸出設(shè)定：主要完成溫控閥開度設(shè)定、變頻器頻率設(shè)定、系統(tǒng)啟停、變頻器啟停、泄壓電磁閥啟停、散熱風(fēng)扇啟停、報(bào)警輸出啟停等的設(shè)定。

報(bào)警查詢：顯示目前的報(bào)警數(shù)據(jù)及其響應(yīng)情況。包括一級(jí)網(wǎng)供汽壓力高壓報(bào)警、二級(jí)網(wǎng)回水壓力高壓報(bào)警、二級(jí)網(wǎng)回水壓力低壓報(bào)警、二級(jí)網(wǎng)回水壓力超低壓報(bào)警、二級(jí)網(wǎng)供水溫度超高溫報(bào)警、二級(jí)網(wǎng)供水壓力超高壓報(bào)警、補(bǔ)水泵報(bào)警、循環(huán)泵報(bào)警。

4 PLC與上位機(jī)的通訊

4.1 PLC設(shè)備中通訊連接的設(shè)置

本系統(tǒng)中采用西門子PPI通訊協(xié)議，運(yùn)用西門子標(biāo)準(zhǔn)的PCPPI通訊電纜，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊連接。為了完成上位機(jī)組態(tài)軟件和PLC的通訊，需先對(duì)PLC和MCGS組態(tài)軟件中分別進(jìn)行通訊連接設(shè)置。在PLC的連接中，在采用PCPPI電纜與上位機(jī)連接正確的基礎(chǔ)上，通過上位機(jī)上的STEP7-Micro/WIN32編程軟件來設(shè)置PLC的參數(shù)。在主菜單VIEW下，選擇“communication”，在彈出對(duì)話框中完成對(duì)PLC通訊參數(shù)和地址的設(shè)置，本項(xiàng)目中的設(shè)置參數(shù)為遠(yuǎn)程地址選擇2，本地地址選擇0，通訊模式選擇PCPPI電纜，協(xié)議為PPI協(xié)議，傳送速率為9.6Kbps，傳送格式為11位。

4.2 MCGS中PLC構(gòu)件的設(shè)置

MCGS是一個(gè)“與設(shè)備無關(guān)”的系統(tǒng)，對(duì)于不同的硬件設(shè)備，只需定制相應(yīng)的設(shè)備構(gòu)件，放置到設(shè)備窗口中，并設(shè)置相關(guān)的屬性，系統(tǒng)就可對(duì)這一設(shè)備進(jìn)行操作，而不需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作任何改動(dòng)。

設(shè)備窗口是MCGS系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)建立系統(tǒng)與外部硬件設(shè)備的連接，使得MCGS能從外部設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并控制外部設(shè)備的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。在MCGS組態(tài)軟件開發(fā)平臺(tái)上，單擊“設(shè)備窗口”，進(jìn)入到設(shè)備窗口界面，再單擊“設(shè)備組態(tài)”按鈕進(jìn)入設(shè)備組態(tài)。在“設(shè)備工具箱”中，選中“串口通訊父設(shè)備”和“西門子S7-200PPI”，增加后設(shè)置兩者的屬性。串口父設(shè)備的屬性設(shè)置：串口端口號(hào)為COM1，通訊波特率為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，偶校驗(yàn)，同步采集方式。PPI屬性設(shè)置：設(shè)備名稱為S7200，最小采集周期200ms，PLC地址為2，通信超時(shí)等待時(shí)間為20ms，初始狀態(tài)為啟動(dòng)。

5 結(jié)束語

在本次設(shè)計(jì)過程中，以S7-200系列的CPU226作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心來實(shí)現(xiàn)對(duì)換熱站的控制，經(jīng)過控制方案的不斷優(yōu)化，可以非常高效的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。利用MCGS組態(tài)軟件來進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控管理以及數(shù)據(jù)記錄，方便直觀，能夠很好的為系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化、提升、改進(jìn)提供所需數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)、編程、組態(tài)調(diào)試完成后，各項(xiàng)控制功能都較好的達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。同時(shí)為了便于以后的功能擴(kuò)展，在硬件選擇、程序設(shè)計(jì)時(shí)均留出了相應(yīng)的空間，可以很容易的使系統(tǒng)升級(jí)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更高級(jí)的功能。

[1]MCGS用戶指南[M].北京：北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司,2003：13-180.

[2]MCGS參考手冊(cè)[M].北京：北京昆侖通態(tài)自動(dòng)化軟件科技有限公司,2003：20-160.

[3]陳廣慶,劉廷瑞,楊興華.基于MCGS組態(tài)軟件的液位串級(jí)控制系統(tǒng)[J],煤礦機(jī)械,2007,(9)：92-94.

[4]覃貴禮,吳尚慶.組態(tài)軟件控制技術(shù)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2007.