一、引言
隨著國民經濟的不斷發(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)調節(jié)控制難度增大，并且傳統(tǒng)的換熱控制大多數采用繼電器、變頻器等進行簡單控制，系統(tǒng)調節(jié)完全憑以往積累的經驗，運行維護的成本過高，效率低下。針對熱網調節(jié)中上述的狀況，采用計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)對熱網實行集中監(jiān)控是一種行之有效的方法。
由我公司承擔設計和調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)的最新產品“一體化控制器”和GPRS技術，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：
Ø 監(jiān)控中心計算機通過各現場控制設備
實時采集現場數據，監(jiān)控整個供熱系統(tǒng)的關鍵數據，對熱網的水力工況和熱力工況進行綜合分析，然后根據熱力縫補狀況及時調整供熱溫度等參數，協調整個系統(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。
Ø 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）進行現場控制，通過先進的PID算法，克服了傳統(tǒng)PID控制器時間常數過大，調節(jié)慣性大，容易超調產生大幅度振蕩等缺點，同時通過一體化的人機界面現場顯示和操作十分方便。
Ø 通過串行通信協議與現場多臺變頻器進行實時通訊，采集變頻器的關鍵參數并不斷進行調整，使水泵工作在最佳狀態(tài)下。
Ø 在數據傳輸方面，通過先進的GPRS網絡與中心計算機實時通訊，節(jié)約了大量布有線網絡所造成的時間、人力、資金的消耗。下面就針對上述幾部分內容進行詳細的說明。
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和網絡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、網絡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路高速計數器（10kHz），內置2個的RS232/485接口，支持PLC/Drive通訊協議和一個大容量可移動存儲器插槽（支持miniSD卡）。內置的CsCAN網絡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。另外新增加的內置以太網功能可支持Web瀏覽和FTP功能，該功能可以輕松實現遠程維護和監(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議。
2. 支持郵件發(fā)送功能。
3. Webserver功能，網頁監(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IO模塊。
6. 最多支持32路PID調節(jié)，支持自學習功能。
7. 支持TF卡存儲，可實現數據記錄。
五、靈活的PID控制功能和豐富的運算能力
現代化的換熱站需要實現全自動的恒壓恒溫供水，因此PLC要根據現場變送器反饋回來的溫度壓力等參數來調整比例調節(jié)閥和變頻器。通過控制一次網比例閥的開度和二次網循環(huán)泵和補水泵的轉速，從而控制二次供熱的溫度和壓力。
此系統(tǒng)的PID完全由軟件編程實現，不需要添加任何外圍設備，最多可以實現32路獨立的PID控制。并且CPU的掃描速率在0.2ms左右，對PID的響應速度很快。其中最具優(yōu)勢的是其具有參數自整定的功能，使最終用戶即使不具備PID理論知識也能快速進行PID調節(jié)，用戶只需開啟PID的自學習功能，PLC就可以根據工作狀況自動找出比例系數、積分時間、微分時間等參數。等到PID參數找到后就自動切入控制程序，其PID調節(jié)的具體畫面如下所示：
此換熱系統(tǒng)共需要3路PID控制：
1、 實現室外溫度補償，自動控制二次供水溫度功能，控制器既可以根據設定的供暖曲線和室外溫度的變化自動控制二次側出水溫度，又可以根據設定的固定出水溫度維持二次側出水溫度恒定，以滿足用戶最佳的節(jié)能效果需求。
2、 二次側循環(huán)變流量調節(jié)功能，控制器可以根據系統(tǒng)熱負荷的變化，調整循環(huán)泵的轉速，維持二次供、回水壓差（可以調整）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（可以調整）的延時警報，用以提醒可能在現場維護的工作人員注意自身安全。
3、根據二次回水的壓力調節(jié)補水泵轉速，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和變頻器的組合應用，并且產生了多種多樣的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的通訊必須解決數據編碼、求取校驗和、成幀、發(fā)送數據、接收數據的奇偶校驗、超時處理和出錯重發(fā)等一系列技術問題，一條簡單的變頻器操作指令，有時要編寫數十條PLC梯形圖指令才能實現，編程工作量大而且繁瑣，令設計者望而生畏。
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：
七、GPRS與OCS的完美結合
DTU是指數據終端設備（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，當有數據傳輸時才按流量收費?？梢允∪ゴ罅康牟季€、調試、維護工作，對于地理位置相對很遠的數據傳輸有很明顯的優(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。
對于此換熱系統(tǒng)，計算中心要求的數據實時性不高（1分鐘左右），而且各個換熱站地理位置相對很遠，所以特別適合應用此種傳輸方式進行PLC和上位機的通訊。
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、二次網回水壓力過低報警、換熱站故障停機報警等功能。
HORNER OCS產品首次采用了移動存儲技術，支持miniSD卡或CF卡（最大可到2G）， 用于存儲歷史數據和報警信息。在本系統(tǒng)中我們采用了2G內存的SD卡實時存儲報警信息和進行數據備份，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。
如果現場控制器可以連接互聯網且擁有固定IP地址或動態(tài)域名，則可利用OCS控制器內置的Web訪問功能，輕松地實現異地的遠程訪問，遠端客戶只需通過IE瀏覽頁面即可實時監(jiān)控現場設備的工作狀態(tài)，或對設備進行遠程維護和調試。
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