可編程序控制器在大同市供熱監控系統的應用

李興凱 賈向前 趙陽明

（天津市達恩華天智能科技有限公司，中國 天津300100）

1 可編程序控制器概述

可編程序控制器，自從誕生以來，已經廣泛應用于工業控制領域。通常可編程序控制器由兩部分組成，即可編程序控制器本身和編程裝置；近年來，隨著微電子技術、計算機技術以及網絡通信技術的進步和發展，也促進可編程序控制器的技術不斷發展，功能極大增強。處理器速度的提高和器件的表面封裝化，使得可編程序控制器的體積趨于更加小型化，其可靠性、穩定性、抗干擾能力更高，更適合于工業控制現場環境。 可編程序控制器的功能也在不斷擴展，從早期代替繼電器的順序邏輯控制發展到模擬量數字化的過程控制，從簡單的整型數處理發展到浮點數運算、復雜函數的處理。高速計數器，高速脈沖輸出功能擴展，使其應領域從早期制造領域的機械順序控制，延伸到模擬量過程控制和機床的數控領域。以太網技術的發展和在可編程序控制器中的使用，更使得可編程序控制器通信功能、通信速度和信息處理等方面產生了質的飛躍。

編程器通過編程口對可編程序控制器進行編程和調試。一臺可編程序控制器可以將多種不同的通信接口集成到一起，與不同接口標準的智能裝置、人機接口觸摸屏單元和計算機系統聯網通信，完成數據采集和控制操作。

隨著計算機的普及，目前可編程序控制器的編程器大多采用計算機進行編程，專用的可編程序控制器的編程器幾乎淘汰。 編程軟件的功能更加多樣化、編程語言更加豐富，以適用于不同的應用領域。這使得現場控制系統的調試和故障查找愈加方便和快捷。

目前，小型可編程序控制器已將開關量的機械順序控制、模擬量的數字化過程控制、機床數控的高速脈沖的控制結合在一起，并集成了高速以太網的通信組網功能，使用戶可以方便可靠地實現基于高速以太網絡的集中控制、分散控制以及數據管理。 大同市供熱監控系統由多臺可編程序控制器通過以太網絡相互連接構成集中、分散遠程控制及數據管理系統。 實現全市供熱系統熱網的調度和集中控制。

2 系統要求

本工程是已有大同市集中供熱網的擴供工程。高溫熱水設計供回水溫度：120℃/65℃，二次網設計供回水溫度：85℃/60℃。熱網監控系統由調度室即監控中心、 首站控制系統和熱力站控制系統等部分組成。熱網監控系統的目標是通過對供熱管網參數進行控制、調節，以便在預定條件下保證終端用戶室溫高于18°C，同時最大可能地節約熱能。

根據上述目標，供熱網監控系統采用上位計算機、前端通信處理器和換熱站控制單元，通過通信網相互連接組成一個完整的監控調度系統，實現對首站和換熱站設備運行狀態監視、數據采集和控制調節。按照工程的要求，通信網絡采用公共網ADSL，實現監控系統控制設備之間數據傳遞。 監控系統要完成對設備運行狀態監視、數據采集和設備控制等功能， 需要對連接到ADSL 網中的換熱站內的控制設備PLC 進行管理。

3 供熱自控系統的控制方案

3.1 監控系統網絡構成

如控制系統網絡結構圖所示，前端通信處理器PLC、換熱站控制器PLC 和首站控制器PLC 的CPU 模板上帶有Ethernet 口，Ethernet口與路由器口相連， 路由器的Ethernet 口與ADSL 調制解調器上的Ethernet 口相連接。 該網絡的通信方式為服務器客戶端方式，即前端通信處理器PLC 作為服務器， 換熱站控制器PLC 和首站控制器PLC作為客戶端。 前端通信處理器PLC 負責對整個網絡的通信狀態、通信質量和通信故障報警進行管理。 同時一次供熱網的負荷平衡的調節，供熱網的熱負荷計算， 供熱調度等功能也由前端通信處理器PLC 的程序配合完成。

為保證監控系統的準確、可靠、穩定運行，系統采用三個獨立的通信網完成各設備之間的數據交換，即工控計算機和服務器之間的以太網、工控計算機服務器與前端通信處理器之間的以太網和前端通信處理器與換熱站（或首站）控制器組成的工業以太網。通過這種以太網絡配置方式，將管理信息以太網，數據交換以太網和實時控制以太網相互隔離、相互獨立、互不干擾；使各網絡負荷平衡，有效地減少通信阻塞和通信中斷現象，保證系統的可靠、穩定運行。 如圖所示，監控系統由工控計算機，以太網，前端通信處理器，換熱站（或首站）就地控制系統和通信系統一起組成SCADA 監控系統。

3.2 基本控制方案

綜合考慮經濟、供熱效果和實際操作等諸方面的因素，大同市區集中供熱系統的運行調節包括以下兩個部分：

一次網的運行調節除滿足供熱負荷要求外，還應符合熱源熱源的安全、經濟運行的要求。二次網循環水泵采用變頻器壓力調節，減少管網的水平和垂直水力失調對熱力失調的影響， 滿足供熱效果的同時，達到較好的節能效果。 二次網控制模式采用質、量并調的方式。

3.3 熱力站、供熱首站和調峰熱源控制基本策略

圖1 控制系統網絡結構圖

測量各熱力站的二次側供回水溫度，確定各熱力站電動閥或回水加壓泵的調節量，使得各熱力站二次側供回水平均溫度或供回水加權平均溫度趨于一致，盡可能地降低水平失調度。

測量熱網的總供回水溫度、外溫和流量。 根據測量數據以及相關的歷史數據預測熱網負荷。 由于供熱系統的大慣性，負荷的預測需要綜合考慮前幾天的室外溫以及供熱情況， 采用時間序列法來進行預測。根據計算機預測的負荷情況確定供水溫度、流量。調節循環水泵流量參數使得外網總流量達到設定值；調節蒸汽閥門或燃燒工況使得外網供水溫度達到設定值。

3.4 集中調度與分散控制

對于本供熱系統， 一些基本的控制管理功能由現場控制站完成，而整體的協調則在中央站實現。 當系統正常運行時，主要由中央站來進行協調控制，由現場控制站具體執行調節并完成必要的監測和安全保護等工作；一旦系統出現通訊等方面的故障，現場控制站與上位機失去聯系，現場控制站自動進行獨立小循環回路的控制，根據室外溫度的測量結果來設定供熱參數。此時，雖然調節的效果較差，節能效果可能不夠理想，但可保證系統在一定時間內的基本運行。

3.5 各熱力站水力失調的消除

對于采用按面積收費的集中供熱系統來說，應以消除水平熱力失調，實現各熱力站均勻供熱應是供熱網的總調節目標。 由于不可能對所有熱用戶的室溫進行實時測量，個別用戶的室溫狀況亦不能代表本片熱網的實際情況，因此必需考慮其它的實現途徑。經分析，對于房間熱特性及散熱器設計相差不大的熱網，實現各熱力站二次網供回水平均溫度均勻一致，即可保證所有采暖用戶室溫大體相同。因此，各站二次網平均水溫均勻與否，基本反映了系統調節的好壞。基于此，我們采用熱網的水平失調度作為定量評價的指標：

公式中m 為熱力站個數，tsri、trri分別為第i 熱力站二次網供水、回水溫度，tw為室外溫度，αi熱力站供暖面積占全網總面積的比例，tr是由房間散熱器結構以及用戶特殊要求而決定的溫度修正量。trp是以熱力站熱力特性參數加權全網平均二次網水溫。

水平失調度綜合反映了全網熱力工況均勻程度，其值越小，說明系統調節越均勻，控制效果越好。 消除水力失調的最終目的是為了消除系統的水平熱力失調，因此兩者是一致的。對于集中供熱工程，若全網采用按面積收費，水平失調度可以控制到3%以內。

3.6 遠程、就地與手動

在特殊情況下，用戶可能希望直接對某一熱力站閥門的開度或回水加壓泵的轉速進行干預。 對于有操作權限的調度人員，可以在調度室直接通過鼠標點擊計算機屏幕上相應的位置并通過設定來實現，也可以在熱力站通過手動調節來實現。 對于遠程控制方式，當系統出現通訊等故障，現場控制站無法與中央站服務器聯絡時，自動轉換為就地自動控制方式，并發出報警，直到系統通訊故障排除。

4 編程、組態及特點

從供熱自控系統結構來看，該系統劃分成三個層次。 首層為中心調度管理層（設在調度中心），負責對采集數據管理和系統控制參數的管理。該層通訊協議為以太網協議（TCP/IP 100M）。中間層為前端通信處理器層，該層主要負責與各換熱站和首站的數據交換，并對通信狀態、報警進行有監控和管理。 同時根據預定算法和策略對首站和一次管網的被控參數進行控制調節。該層的通訊協議為標準的以太網協議（TCP/IP 100M）。 換熱站層，由帶以太網接口小型PLC 系統構成，對站內數據采集，直接與中間層（前端通信處理器）進行數據交換。 并對換熱站內控制參數進行調節控制。

4.1 通信模式

將三個層面的設備通過網絡互相連接，進行數據交換是實現遠程自動化控制和數據采集管理的關鍵。盡管以太網絡通信技術是高速可靠的通信手段，但選擇合理高效、適合的通信模式對通信的速度、可靠性、通信調度管理或調試能否成功起著關鍵的作用。 通信模式和通信協議多中多樣，適用于不同的使用需求。 如何選擇適合的通信模式和通信協議應注意以下幾點：

4.1.1 該供熱自控系統的特點是通信網中的節點多，目前已達到200多個節點

無論采用主從掃描通信模式， 點對點通信模式或服務器/客戶端通信模式，都要在通信數據規劃時考慮負荷的穩定性。 主從掃描通信模式一般是用于網絡站節點不很多的通信系統中。系統中各節點通信均工作正常時效率最高； 如果經常出現多個停止工作的網絡站節點，通信效率迅速下降。 點對點通信模式雖然速度快，但涉及令牌管理等問題也不適用于這種多節點的遠程控制通信網。同時以上兩種通信模式均需要固定網址。 服務器/客戶端通信模式是一種比較理想的通信模式。 其特點是，服務器處于等待狀態，客戶端啟動通信命令，無論系統有多少不工作的網絡站節點，對系統通信效率幾乎無影響。 這種通信模式只需要服務器端是固定網址。

4.1.2 通信協議是由硬件可編程序控制器決定的。

我們選用可編程序控制器型號是Schneider 昆騰系列作為通信前端控制器， 換熱站采用Twido 系列小型可編程序控制器， 都支持MODBUS 通信協議。 也可使用RTU 單元模塊與人機接口顯示操作單元組成換熱站控制器，但是它的響應時間、掃描周期、故障處理能力無法與可編程序控制器相比。

4.2 上位機配置

上位機中運行監控軟件，目前上位機監控軟件技術趨于成熟。 如果預先規劃好數據交換數據格式和數據結構，就給上位機監控軟件配置、組態及調試帶來方便。 其它與數據庫連接、電子地圖連接、報表打印等多屬于管理軟件范疇，實現的技術瓶頸和障礙不是很多。

4.3 換熱站可編程序控制器編程

換熱站可編程序控制器的編程，涉及到可編程序控制器配置，DI/DO、AI/AO 信號的處理和PID 調節功能塊的使用。 現場儀表主要是供回水出口壓力變送器、溫度變送器、流量計、補水箱液位計、流量調節閥、變頻器等。 稍微繁瑣的是流量計智能表的通信，通信接口為485。經常遇到各站的流量計型號不同、協議不同，給編程帶來麻煩。通信管理的編程也在這里實現，通常使用量組數據包，一組為讀數據包，另一組為寫數據包。 通信故障的檢測一般采用脈動開關量信號方法，前端處理器PLC 通過檢測該信號，確認通信是否正常，數據是否有效。 也曾考慮使用數據時間標簽方式，但是這種方式占用數據量較大，而且涉及到時間同步問題，會影響通信效率而未采用。 換熱站可編程序控制器運行方式有三種，即手動模式、就地模式和遠程模式。

4.4 通信前端處理器PLC 編程

通信前端處理器PLC 的編程內容包括三部分，一是PLC 的配置，需要考慮足夠的寄存器空間，二是首站的調節控制程序，三是涉及一些通信狀態和報警處理的程序。 調度程序在計算機內運行，調度軟件要對采集的當前數據、歷史數據以及各種參數進行運算處理，計算出輸出給定值。輸出給定值送到通信前端處理器PLC，通過遠程控制網，再發送到換熱站可編程序控制器內，通過調節調節閥門的開度（或調節變頻器頻率），控制供熱溫度、管道壓力及流量。 調節頻率與響應時間滯后有關，一般要20 分鐘。

5 系統主要功能及技術參數

5.1 供熱系統參數及數據監控管理

實時采集及顯示首站、 熱力站一級網和二級網供回水溫度和壓力、流量、熱量、閥門開度、水泵開啟狀態、循環泵變頻、補水泵變頻、液位等參數。 實現數據庫管理及報表打印功能， 包括數據備份儲存、維護、轉換并能方便查詢和顯示參數變化曲線。 監控站根據現場機的測量參數信息對能耗、水耗等進行計量和統計，計算出其平均值和累計值。 對于監控站的操作人員設定優先級限制，分成一般操作人員與維護工程師等幾個等級，一般操作人員不能修改水泵、閥門的設定值，而維護工程師應能進行所有操作。

5.2 供熱系統自動控制功能

監控站能將由人或計算機運算分析后重新得到的被控參數設定值發送至相應的現場控制單元，改變現場機的控制趨勢。 監控站不僅可以監視整個系統的運行情況，而且可以簡單、迅速的方法調整設備運行狀態。

換熱站PLC 系統獨立完成運行參數、 故障參數等各類參數的采集、存儲、傳送。首站PLC 系統實施對熱源調度控制。PLC 系統站內控制裝置如：循環泵、補水泵、電動調節閥等進行設定參數調節控制，確保其運行在設定范圍內。巡檢人員可通過人機界面進行站內參數監視及控制操作。

供熱管網運行正常狀態下，整個管網需進行均勻性調節，實現熱量的均勻分配。 在通訊故障時各熱力站可根據熱用戶的熱需求（主要是根據二級熱網供回水溫度、室外溫度及室內的舒適溫度），通過現場控制單元對各熱力站內電動調節閥進行控制調節，保證熱量供應。 在量調節階段，中央監控站根據用戶流量變化，按照末端用戶壓差調節首站的變速泵轉速， 保證不利點有足夠的資用壓頭。 在質調節階段，中央監控站要根據用戶熱需要，協調供熱量，從而使供熱與熱需求相適應，實現優化調節、經濟運行。

表1

5.3 故障診斷及報警功能

故障診斷及報警功能， 根據參數信息及時診斷出各系統的故障，指導系統維護。 可以自動診斷下列故障：

·壓力、溫度、流量傳感器故障；

·通訊系統故障；

·各熱力站水泵、電動閥與等設備的故障；

·各種故障能及時在屏幕上顯示， 并打印記錄；

·各遠端控制站停電報警故障。

數據采集表： 每個換熱站采集數據總共為78個采集控制點，具體分布如表1。

6 結語

隨著對能源節約的重視，對能源管理要求愈加深入和細化，對作為城市供熱自動化控制水平的要求不斷提高。 對于采用可編程序控制器實現供熱系統自動化控制將有廣闊的發展前景和機遇。