基于PLC和MCGS的換熱站監控系統

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 機械電子工程學院，青島 266510）

0 引言

隨著國家對環保越來越重視和能源的匱乏，集中供熱在提高能源利用率、節約能源、改善環境、降低費用、提高供熱質量等方面與傳統供熱方式相比具有不可比擬的優點，在我國北方寒冷地區的城鎮得到了較快發展，已成為現代化城鎮的重要基礎設施之一，是城鎮公共事業的重要組成部分。集中供熱是指以熱水或蒸汽作為熱媒，由一個或多個熱源通過熱網向城市、鎮或其中某些區域熱用戶供應熱能的方式。但是目前換熱站大都采用人工監控，一方面浪費人力；另一方面在出現事故隱患時操作人員難以發現，易造成設備事故，同時，難以達到供熱系統整體最佳狀態，易造成熱力失衡，影響供熱效果而造成能源的極大浪費。本文針對學校換熱站，運用PLC和MCGS組態軟件搭建了一套換熱站監控系統，保證了換熱站的良好運行。

1 換熱站的工作原理

該換熱站主要為教學區和學生宿舍區冬季供暖，其中教學區為南區供暖，教學區根據上課情況實行分時段供暖；宿舍區為北區供暖，全天候供暖。熱源為由恒源熱電廠來的過熱蒸汽，由2臺強制對流換熱器、3臺循環水泵組成的循環水系統及2臺補水泵組成的補水系統來構成了供熱系統。正常工作時兩臺補水泵共用一臺變頻器，其中一臺運行，另一臺備用。當補水泵出現故障，投入另一臺泵變頻運行。循環泵是兩用一備三臺泵，采用一臺變頻器，不可同時輸出，當變頻器故障時，應能夠投入循環泵的工頻運行。

二次網供水溫度根據室外平均溫度補償確定二次網供水溫度設定值，采用變壓差變頻控制方式，通過一次網供水電動調節閥的調節，實現對二次網供水溫度的自動控制。系統通過監測二次供水和二次回水壓力差值，調節循環泵變頻轉速，實現對管網提供合適的流量和末端壓差，保證供暖質量并實現節能目的。二次回水壓力采用自動定壓補水控制策略，當實際檢測壓力值低于設定值開始補水；為避免補水泵頻繁啟停，我們設置了補水死區，當實際檢測壓力高于設定值死區則停止補水。

2 系統硬件構成

根據生產工藝設計要求，換熱站的自控系統采用典型的兩級監控方式。上位機以組態軟件作為主要的人機界面，為生產管理級，完成對下位機的監控、生產操作管理等，監控計算機選擇研華工控機P4，1.6G，256M內存，40G硬盤，主要面向操作人員，操作人員可以遠程控制現場各設備的運行。

下位機由可編程控制器(PLC) 構成，為基礎測控級，完成生產現場的數據采集及過程控制等。在該系統中主要包括南區供水溫度、北區供水溫度、回水溫度、室外溫度、蒸汽溫度、凝結水溫度、蒸汽壓力、供水壓力、回水壓力、1#調節閥開度、2#調節閥開度、1#變頻器頻率反饋、2#變頻器頻率反饋、補水泵變頻器反饋等參數的實時監測和控制。本系統選擇S7-226型PLC作為下位機，S7-200系列PLC CPU226模塊提供基本單元數字量24點輸入/16點輸出，最多可帶7個擴展模塊，具有PID控制器，支持RS-485 通訊/編程口，具有PPI 通信協議、MPI 通信協議和自由方式通信能力。本項目根據系統中的控制參數個數，選用了3塊EM231模塊、1塊EM232、1塊EM235對現場模擬參數進行采集。

3 監控軟件的設計

MCGS系統包括組態環境和運行環境兩個部分。用戶的所有組態配置過程都在組態環境中進行，它幫助用戶設計和構造自己的應用系統。運行環境是一個獨立的運行系統，它按照組態結果數據庫中用戶指定的方式進行各種處理，完成用戶組態設計的目標和功能。

本設計經過系統分析、搭建框架、制作動畫顯示畫面、編寫控制流程程序、連接設備驅動程序等工作實現了對系統的監控軟件設計。本軟件包括主監控界面、實時數據查詢界面、歷史數據查詢界面、參數設定界面、輸出設定界面、報警查詢界面。

主控界面如圖1所示，包括換熱器、循環泵、補水泵、電動調節閥、測量儀表等現場設備，系統需要監測的溫度和壓力等參數的實時動態顯示，操作人員可以在上位機上實時查看各組運行數據，實時監控系統的實時運行狀態，當系統出現異常時能及時發現并處理，保證了系統的良好運行。

圖1 換熱站監控系統主界面

實時數據：對系統需要采集的溫度、壓力調節閥開度、變頻器頻率反饋等數據以曲線的形式顯示出來，可以比較直觀的顯示某一個時期各參數的實時運行數據。

歷史趨勢曲線：可以對運行參數進行1天、1周周或者1個月的曲線記錄，可以為運行人員及管理者對生產過程的有效性和安全性指標進行測評，有助于堵塞生產的漏洞，消除不安全的隱患，提高管理水平。

參數設定：在參數設定界面中，操作人員可以對壓力的控制方式、壓差控制方式、溫差控制方式、恒壓差控制方式下的壓差設定值、供回水壓差、回水壓力低限報警值、供水壓力高限報警值、閥的開關時間、供水溫度設定值、調節閥開度低限設定、補水死區、蒸汽壓力量程、供水回水壓力量程、各泵及溫度調節閥的PID參數設定。

輸出設定：主要完成溫控閥開度設定、變頻器頻率設定、系統啟停、變頻器啟停、泄壓電磁閥啟停、散熱風扇啟停、報警輸出啟停等的設定。

報警查詢：顯示目前的報警數據及其響應情況。包括一級網供汽壓力高壓報警、二級網回水壓力高壓報警、二級網回水壓力低壓報警、二級網回水壓力超低壓報警、二級網供水溫度超高溫報警、二級網供水壓力超高壓報警、補水泵報警、循環泵報警。

4 PLC與上位機的通訊

4.1 PLC設備中通訊連接的設置

本系統中采用西門子PPI通訊協議，運用西門子標準的PCPPI通訊電纜，實現與上位機的通訊連接。為了完成上位機組態軟件和PLC的通訊，需先對PLC和MCGS組態軟件中分別進行通訊連接設置。在PLC的連接中，在采用PCPPI電纜與上位機連接正確的基礎上，通過上位機上的STEP7-Micro/WIN32編程軟件來設置PLC的參數。在主菜單VIEW下，選擇“communication”，在彈出對話框中完成對PLC通訊參數和地址的設置，本項目中的設置參數為遠程地址選擇2，本地地址選擇0，通訊模式選擇PCPPI電纜，協議為PPI協議，傳送速率為9.6Kbps，傳送格式為11位。

4.2 MCGS中PLC構件的設置

MCGS是一個“與設備無關”的系統，對于不同的硬件設備，只需定制相應的設備構件，放置到設備窗口中，并設置相關的屬性，系統就可對這一設備進行操作，而不需要對整個系統結構作任何改動。

設備窗口是MCGS系統的重要組成部分，負責建立系統與外部硬件設備的連接，使得MCGS能從外部設備讀取數據并控制外部設備的工作狀態，實現對工業過程的實時監控。在MCGS組態軟件開發平臺上，單擊“設備窗口”，進入到設備窗口界面，再單擊“設備組態”按鈕進入設備組態。在“設備工具箱”中，選中“串口通訊父設備”和“西門子S7-200PPI”，增加后設置兩者的屬性。串口父設備的屬性設置：串口端口號為COM1，通訊波特率為9600，8位數據位，1位停止位，偶校驗，同步采集方式。PPI屬性設置：設備名稱為S7200，最小采集周期200ms，PLC地址為2，通信超時等待時間為20ms，初始狀態為啟動。

5 結束語

在本次設計過程中，以S7-200系列的CPU226作為整個系統的控制核心來實現對換熱站的控制，經過控制方案的不斷優化，可以非常高效的實現系統控制。利用MCGS組態軟件來進行系統監控管理以及數據記錄，方便直觀，能夠很好的為系統的進一步優化、提升、改進提供所需數據。在設計、編程、組態調試完成后，各項控制功能都較好的達到了設計效果。同時為了便于以后的功能擴展，在硬件選擇、程序設計時均留出了相應的空間，可以很容易的使系統升級，使系統實現更復雜、更高級的功能。

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

[2]MCGS參考手冊[M].北京：北京昆侖通態自動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組態軟件的液位串級控制系統[J],煤礦機械,2007,(9)：92-94.

[4]覃貴禮,吳尚慶.組態軟件控制技術[M].北京：北京理工大學出版社,2007.