一體化控制器OCS和GPRS在小區(qū)供熱中的應(yīng)用

  隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，城市居民對居住環(huán)境的要求越來越高。 集中供熱是近年來國家提倡和要求的一項節(jié)能和環(huán)保工程，集中供熱改變了過去由單位鍋爐供熱造成的煙塵污染、供熱效率低下和難于管理等缺點；改由城市周邊的熱電廠的供熱機組提供熱源，在城市中建設(shè)熱交換站統(tǒng)一向用戶供熱。集中供熱系統(tǒng)具有熱慣性大、滯后明顯以及受溫度、天氣因素干擾較大等特點，使得整個系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制難度增大，并且傳統(tǒng)的換熱控制大多數(shù)采用繼電器、變頻器等進行簡單控制，系統(tǒng)調(diào)節(jié)*憑以往積累的經(jīng)驗，運行維護的成本過高，效率低下。針對熱網(wǎng)調(diào)節(jié)中上述的狀況，采用計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)對熱網(wǎng)實行集中監(jiān)控是一種行之有效的方法。
    由我公司承擔設(shè)計和調(diào)試的華北及東北地區(qū)近百個生活小區(qū)換熱站控制系統(tǒng)均采用了目前自控行業(yè)的最新產(chǎn)品“一體化控制器”和GPRS技術(shù)，使該控制系統(tǒng)的各項功能指標得到了顯著的提升，
    該系統(tǒng)的特點如下：
    監(jiān)控中心計算機通過各現(xiàn)場控制設(shè)備實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進行綜合分析，然后根據(jù)熱力縫補狀況及時調(diào)整供熱溫度等參數(shù)，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運行，充分發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，降低成本。
    在地理位置相對分散的各換熱站中采用美國HORNER公司的一體化控制器（OCS）進行現(xiàn)場控制，通過*的PID算法，克服了傳統(tǒng)PID控制器時間常數(shù)過大，調(diào)節(jié)慣性大，容易超調(diào)產(chǎn)生大幅度振蕩等缺點，同時通過一體化的人機界面現(xiàn)場顯示和操作十分方便。
    通過串行通信協(xié)議與現(xiàn)場多臺變頻器進行實時通訊，采集變頻器的關(guān)鍵參數(shù)并不斷進行調(diào)整，使水泵工作在最佳狀態(tài)下。
    在數(shù)據(jù)傳輸方面，通過*的GPRS網(wǎng)絡(luò)與中心計算機實時通訊，節(jié)約了大量布線網(wǎng)絡(luò)所造成的時間、人力、資金的消耗。下面就針對上述幾部分內(nèi)容進行詳細的說明。
    二、高度集成的一體化控制-“ALL IN ONE”新理念
    在本換熱系統(tǒng)中主要采用了美國HORNER公司 XL系列的兩款主流產(chǎn)品，小巧的緊湊型HEXE103控制器，和具有5.7寸真彩色觸摸屏的HEXL103控制器。這些產(chǎn)品的特點都是把傳統(tǒng)的PLC控制器、人機界面HMI、輸入輸出點I/O和網(wǎng)絡(luò)Network集成到一起，所以稱之為“一體化控制器（OCS）”，僅用一套編程軟件就可以對整個系統(tǒng)的硬件配置、邏輯程序、網(wǎng)絡(luò)連接和人機界面進行配置和編程，并且該軟件是免費的。系統(tǒng)配置圖如下，其中HEXE103帶有一個小的操作員界面（128x64背光顯示，帶有16個功能鍵），可顯示圖形或曲線，HEXL103帶有5.7寸真彩色觸摸屏界面，這兩款控制器均帶有內(nèi)置I/O：12點直流輸入（正/負邏輯）兼容12/24伏，12點直流輸出（每通道最大0.5A), 2通道10-bit模擬輸入（0-10V/4-20mA). 2路脈沖/PWM輸出功能，另外還可配置4路高速計數(shù)器（10kHz），內(nèi)置2個的RS232/485接口，支持PLC/Drive通訊協(xié)議和一個大容量可移動存儲器插槽（支持miniSD卡）。內(nèi)置的CsCAN網(wǎng)絡(luò)端口用于高速通訊和I/O擴展。每個控制器都是直流供電。它們可以面板安裝或DIN導軌安裝。另外新增加的內(nèi)置以太網(wǎng)功能可支持Web瀏覽和FTP功能，該功能可以輕松實現(xiàn)遠程維護和監(jiān)控。
    三、換熱站一體化控制器的配置圖
   
    四、 在小區(qū)供熱領(lǐng)域的功能特點和優(yōu)勢：
    1. 集成兩個485串口，支持Modbus RTU主從方式和多種通訊協(xié)議。
    2.支持郵件發(fā)送功能。
    3. Webserver功能，網(wǎng)頁監(jiān)控。
    4.梯形圖和畫面組態(tài)由一個軟件包來完成，省時方便。
    5.本體集成22-42個IO點，可擴展I/O模塊。
    6.最多支持32路PID調(diào)節(jié)，支持自學習功能。
    7. 支持TF卡存儲，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄。
    五、靈活的PID控制功能和豐富的運算能力
    現(xiàn)代化的換熱站需要實現(xiàn)全自動的恒壓恒溫供水，因此PLC要根據(jù)現(xiàn)場變送器反饋回來的溫度壓力等參數(shù)來調(diào)整比例調(diào)節(jié)閥和變頻器。通過控制一次網(wǎng)比例閥的開度和二次網(wǎng)循環(huán)泵和補水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制二次供熱的溫度和壓力。
    此系統(tǒng)的PID*由軟件編程實現(xiàn)，不需要添加任何外圍設(shè)備，最多可以實現(xiàn)32路獨立的PID控制。并且CPU的掃描速率在0.2ms左右，對PID的響應(yīng)速度很快。其中*優(yōu)勢的是其具有參數(shù)自整定的功能，使最終用戶即使不具備PID理論知識也能快速進行PID調(diào)節(jié)，用戶只需開啟PID的自學習功能，PLC就可以根據(jù)工作狀況自動找出比例系數(shù)、積分時間、微分時間等參數(shù)。等到PID參數(shù)找到后就自動切入控制程序，其PID調(diào)節(jié)的具體畫面如下所示：
    此換熱系統(tǒng)共需要3路PID控制：
   
    實現(xiàn)室外溫度補償，自動控制二次供水溫度功能，控制器既可以根據(jù)設(shè)定的供暖曲線和室外溫度的變化自動控制二次側(cè)出水溫度，又可以根據(jù)設(shè)定的固定出水溫度維持二次側(cè)出水溫度恒定，以滿足用戶最佳的節(jié)能效果需求。
    2、 二次側(cè)循環(huán)變流量調(diào)節(jié)功能，控制器可以根據(jù)系統(tǒng)熱負荷的變化，調(diào)整循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，維持二次供、回水壓差（可以調(diào)整）恒定，達到最佳的供熱效率和節(jié)能效果。新啟動前有一段時間（可以調(diào)整）的延時警報，用以提醒可能在現(xiàn)場維護的工作人員注意自身安全。
   
    3、根據(jù)二次回水的壓力調(diào)節(jié)補水泵轉(zhuǎn)速，保證二次供水的恒壓。
    六、OCS控制器與變頻器的通訊
    在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是PLC和變頻器的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，其中采用RS-485通訊方式實施控制的方案得到廣泛的應(yīng)用：因為它抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠且造價低廉。但是，RS-485的通訊必須解決數(shù)據(jù)編碼、求取校驗和、成幀、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗、超時處理和出錯重發(fā)等一系列技術(shù)問題，一條簡單的變頻器操作指令，有時要編寫數(shù)十條PLC梯形圖指令才能實現(xiàn)，編程工作量大而且繁瑣，令設(shè)計者望而生畏。
    但是在OCS中這一切都變得非常簡單，我們只需要一個功能塊就可以實現(xiàn)Modbus所有的功能，即保留了RS485通訊的優(yōu)點，又省去了復雜的編程工作。以下是一段通訊程序的例子，可以看到OCS非常簡單的就從變頻器取得了想要的參數(shù)：
   
   
    七、GPRS與OCS結(jié)合
    DTU是指數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminate unit),可以理解為下位GPRS發(fā)射終端。使用GPRS的優(yōu)點是實時在線，當有數(shù)據(jù)傳輸時才按流量收費?？梢允∪ゴ罅康牟季€、調(diào)試、維護工作，對于地理位置相對很遠的數(shù)據(jù)傳輸有很明顯的優(yōu)勢。但是其本身也存在著一些弱點，比如說系統(tǒng)延時時間長（10秒左右），信號受周圍環(huán)境影響較大、運營商支持等。
    1、 對于此換熱系統(tǒng)，計算中心要求的數(shù)據(jù)實時性不高（1分鐘左右），而且各個換熱站地理位置相對很遠，所以特別適合應(yīng)用此種傳輸方式進行PLC和上位機的通訊。
    2、 換熱控制中心監(jiān)控畫面如下：
   
   
    八、 系統(tǒng)的其他保護及報警功能
    保護功能包括常規(guī)的過壓保護、欠壓保護、缺項保護、漏電保護、過流保護等功能。報警功能包括循環(huán)泵故障報警、補水泵故障報警、補水超壓報警、補水箱水位過低、二次網(wǎng)回水壓力過低報警、換熱站故障停機報警等功能。
    HORNER OCS產(chǎn)品采用了移動存儲技術(shù)，支持miniSD卡或CF卡（最大可到2G）， 用于存儲歷史數(shù)據(jù)和報警信息。在本系統(tǒng)中我們采用了2G內(nèi)存的SD卡實時存儲報警信息和進行數(shù)據(jù)備份，當需要查看時，只需將SD卡拔出并插到計算機上就可以打開全部文件，而且所有文件均可以存為EXCEL格式。
   
   
    如果現(xiàn)場控制器可以連接互聯(lián)網(wǎng)且擁有固定IP地址或動態(tài)域名，則可利用OCS控制器內(nèi)置的Web訪問功能，輕松地實現(xiàn)異地的遠程訪問，遠端客戶只需通過IE瀏覽頁面即可實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)，或?qū)υO(shè)備進行遠程維護和調(diào)試。