基于西門子S7-300與威綸通觸摸屏的換熱站自控系統

梅幼亞,姚 毅,于 洋,劉春鵬（.四川理工學院自電學院,四川 自貢 643000；.南京科奧自控科技有限公司,南京 00）

基于西門子S7-300與威綸通觸摸屏的換熱站自控系統

梅幼亞1,姚 毅1,于 洋2,劉春鵬1
（1.四川理工學院自電學院,四川 自貢 643000；2.南京科奧自控科技有限公司,南京 211100）

摘 要：本設計為濟南某小區換熱站自控系統，此系統采用西門子S7-300 PLC對其循環泵、補水泵的變頻器以及一次閥門的開度進行控制，并對現場的各項數據進行實時采集，并利用威綸通觸摸屏對系統進行控制調節以及顯示數據。此外，系統與上位機之間通過無線3G網絡進行通訊，上位機實時監控換熱站的各項數據并可直接對參數進行修改，大大降低了人力成本，提高了換熱站的自動化程度和可靠性。

關鍵詞：換熱站；自控系統；PLC

0 引言

我國北方城市冬季供暖大都采用集中供暖的方式向全市供暖。換熱站是熱網系統向用戶供熱的最后一級系統，承擔著無可替代的責任。傳統的換熱站大都是有人值守，人工負責閥門的開關以及換熱站內各項參數的記錄，確保供暖的正常和換熱站的安全。隨著自動控制的發展，越來越多的換熱站進行改造，采用可編程邏輯控制器（PLC）和變頻器對換熱站進行控制，與之前人工操作相比，可靠性大大增加。

1　換熱站自控系統的設計要求

換熱站中，二次網供回水壓力、溫度以及流量都是影響供熱效果的重要因素，因此，我們系統可依據這些參數及時調節該換熱站內的三臺循環泵、兩臺補水泵以及電動調節閥和兩臺水水換熱器。

（1）換熱站的熱源來自濟南市南郊熱電廠的熱水，通過兩臺換熱器進行熱量交換。系統正常工作時使用兩臺循環泵，另外一臺作為備用，使用ABB變頻器控制水泵，系統可以通過三種方式來進行循環泵的PID調節：

1）給定變頻器固定頻率；

2）通過PID調節保持二次回水的固定壓力值；

3）通過PID調節保持二次供水和二次回水之間的壓力值差不變。

通過人機界面上的選擇項可以選擇所需要的控制方式，通常使用二次回水固定壓力值方式作為循環泵的調節方式。

系統在運行的過程中，免不了有水的損耗，因此需在一定的時候進行補水。補水系統由補水泵、水箱等組成，通過實測二次側壓力與一次側壓力的差值進行補水使二次網得以穩定。當一次二次側水壓差小于等于設定值時，補水泵不工作；當水壓差大于設定值時，補水泵工作。兩臺補水泵互為備用，當一臺補水泵不足以達到所需的水壓時，此時需要同時啟動兩臺補水泵。控制系統通過MODBUS通訊使變頻器對循環泵和補水泵進行控制，使各個水泵按照各自所需要的負荷進行工作。變頻器和PLC的靈活使用，充分發揮了變頻器方便調速和節能的優點，減少了不必要的能源浪費。

（2）自控系統可以通過六種PID方式來調節電動調節閥使得二次供水溫度達到設定值，即：

1）二次側供水溫度恒定；

2）二次側供水溫度和回水溫度平均值恒定；

3）一次側回水溫度恒定；

4）恒定流量調節；

5）恒定熱量調節；

6）通過本地氣溫補償。通常我們使用本地氣候補償方式來進行調節電動調節閥。本地氣溫補償中，設定一個基準點，根據本地室外氣候條件的測量來自動選擇所對應的供溫。另外，可以每隔兩小時設定一個溫度修正值，以達到一天內不同時間段內所對應的不同的溫度來二次供水，達到減少能源浪費的功效。（設定溫度SP=基準點+二次供溫時段修正+室外對應溫度）。如圖1所示。

（3）系統實時監測換熱站的各項工作參數，如一次二次側供回水溫度、壓力、流量、閥門的開度反饋、各個變頻器的頻率電流等數據，循環泵和補水泵的運行反饋故障反饋以及數據的歷史記錄曲線。系統對數據異常的設備自動報警，并且能夠將上述所有信息顯示在觸摸屏與系統的上位機上。如圖2所示。

2　系統的構成

根據要求，選用西門子s7-300型可編程控制器完成現場數據的采集與過程控制。硬件系統由一個CPU314，一個測量現場開關量的DI模塊，一個下發開關指令給現場水泵的DO模塊，一個接受現場的模擬量數據的AI模塊，AO模塊給定閥門開度，另外配置一個AI RTD模塊直接測量溫度值以及通訊模塊CP341和CP343-1模塊。配置威綸通MT8000系列觸摸屏，觸摸屏為主要的人機界面，可以對現場的參數進行顯示以及控制系統的運行，同時，采用宏電H7392型工業3G路由器通過無線傳輸將數據傳到上位機監控室。系統的結構如圖3所示：

3　系統軟件設計

3.1 可編程邏輯控制器

系統采用step7 v5.5編程軟件進行PLC的邏輯編程。硬件配置如圖4所示，程序采用梯形圖編寫，程序主要的功能是進行現場各個設備啟停的控制，閥門開度的給定，轉換現場的溫度變送器、壓力變送器、流量計的測量數據，現場各設備的運行狀態的采集報警控制以及系統所需的相關通訊程序的編寫。程序將所有的數據儲存到一個數據塊（DB200）中，通過對此數據塊的查看修改以讀寫控制參數3.2 威綸通觸摸屏

本系統采用的是深圳威綸通觸摸屏作為現場的人機界面（HMI）。用Easybuilder8000

編程軟件對觸摸屏進行編程編譯。主界面如下圖5所示。

觸摸屏主要用于各項數據的顯示以及供現場

工作人員的操作。HMI設有各種不同等級的密碼可以供不同權限的人員使用。在調試PID參數時，可以顯示PID曲線變化，更方便的進行PID參數整定。根據用戶的要求可以將參數、報警等以畫面、歷史曲線、報表等形式在屏幕上顯示。

4　系統的通訊

為了滿足現場各個設備的聯合使用，現階段有多種通訊方式可以選擇，綜合考慮各個方案后我們選擇如下的通訊方法：

（1）現場人機界面觸摸屏通過RS485接口直接與PLC相連接，設置觸摸屏的串口通訊參數與PLC的一致即可。

（2）PLC與變頻器利用CP-341模塊通過MODBUS協議進行通訊。三臺變頻器作為從機，plc作為主機，設定PLC通訊參數與變頻器通訊參數一致即可。S7-300根據不同的功能碼通過輪詢程序和FB7、FB8功能塊向各個從站發送請求字節幀以及返回數據，從而讀取變頻器的狀態以及寫入變頻器參數。

（3）監控中心上位機通過無線網上傳數據。系統使用宏電H7932無線路由器以及西門子cp343-1 lean模塊，利用中國聯通3G無線上網卡上傳數據。熱電公司使用中國聯通的VPN虛擬專用網絡業務，給予每個換熱站一個固定的IP地址。上位機通過Industrial Ethernet協議直接讀寫此IP地址所對應的PLC的DB200數據塊里面的數據，從而能夠對大量的類似于此的換熱站進行監控和控制，大大的節省了數據傳輸的費用。

5　結束語

本文通過對換熱站自控系統的設計，由主要通過人工調節的換熱站逐漸轉變為無人值守換熱站，大大的節省了人力財力。系統充分發揮了西門子PLC配置靈活、控制可靠的優點，使整個系統有了可靠性的保障，因此在許多換熱站中得到了廣泛的應用。此外，系統所用的無線傳輸網絡還可以應用到其他許多條件惡劣的工業環境下，在以后的監控等領域有著較好的應用前景。

參考文獻：

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