電供暖集散控制實驗平臺設計與開發

曲娜 尤文

【摘要】? ? 依托我校新校區34萬平米無水直熱式電供暖工程，課題組應用PLC及單片機控制技術，以校園電供暖的各個電暖器為控制對象，以校園建筑的不同房間不同區域的取暖溫度為控制參數，設計由現場層、中間控制層、頂層管理層組成的集散控制系統，從而實現分散控制集中管理的電供暖溫度控制實驗平臺的開發，并將該控制系統打造成我校獨具特色的教學科研和“雙創”平臺，使我校三個學院的10余個專業師生受益，既滿足了學生實踐環節需要，又滿足了我校生產實際需求，為我校應用型人才培養奠定了基礎。

【關鍵詞】? ? 電供暖? ? 集散控制? ? PLC? ? 單片機

引言：

隨著我國社會經濟的高速發展，人們生活水平不斷提高，但同時也帶來環境的破壞和污染，許多大中城市的環境承載能力已逼近極限，國家領導人提出“藍天保衛戰”的口號，城鎮供暖的清潔化已成為國家意志，在中央有關部門指導下，北方各地分別制定了利用電等清潔能源替代散煤燃燒供暖的3-5年行動計劃，力促社會經濟從高速增長向高質量協調發展轉型。

一、校園電供暖工程介紹

我校圖書館、公共教學樓、各學院教學樓、實驗樓、體育館、禮堂、公寓、食堂、生活服務中心、后勤保障用房等建筑采用直熱式電供暖，即供暖系統僅為電纜、末端散熱裝置和自動控制系統，無任何水介質。所有建筑物的各個房間均設置壁掛直熱式碳晶電暖器，圖書館等局部大空間，為設置地埋式碳纖維地熱電纜。電供暖電系統與學習生活辦公用電系統為相互獨立的兩套系統，電采暖總容量15140KVA，配置總功率16MW。電暖供電系統每年非采暖季時關閉報停。

校區內設置一座10kV開閉所，開閉所輻射兩個主變配電室（5臺主變壓器）和11個箱變位，其分布于校區的教學、實驗、圖書館、公寓、餐飲商業和后勤保障等六大區域，以滿足電采暖對用電的需求。10kV供電降壓后，經42個低壓屏以放射式配電至各建筑物的總配電柜（120個），再經建筑物各樓層配電箱（718個）至電采暖終端設備—壁掛直熱式全鋁翅片碳晶電暖器（11320個）。

二、實驗平臺總體設計

相對于目前學校現有控制平臺的上位機+單片機的簡單控制模式，本實驗平臺以校園電供暖的各個電暖器為控制對象，以校園建筑的不同房間不同區域的取暖溫度為控制參數，自下而上組成由單片機現場層溫度控制器、中間控制層PLC控制器、頂層管理層工控機監控界面的集散控制系統，從而實現了分散控制集中管理的電供暖溫度控制實驗平臺的研制。

控制系統結構圖如圖1所示，其中工控機作為管理層，設置在總控制中心，PLC為控制層，選用西門子的S7-300，設置在每棟樓的控制中心，溫度控制器為現場層，選用單片機作為控制核心，電暖器選用碳晶硅電暖器，工控機與PLC之間通訊采用PrefilBus通訊總線，PLC與溫度控制器之間選用485通訊總線。

2.1管理層工控機設計

管理層工控機可以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控制單元，改變現場層的控制趨勢[1]。另外也可以按需要直接選定需要控制的某個電暖器，自動或手動給出由人或計算機運行分析后的出的控制指令，讓相應的現場控制器執行。這樣，管理層工控機不僅可以監視整個系統的運行情況，而且可以簡單、迅速的調整設備運行狀態[2]。

2.2控制層PLC控制器設計

控制層PLC控制器使用西門子S7-300來實現的，并根據相應算法，將溫度設定值和其它命令向現場層溫度控制器發出指令，也將現場層溫度控制器的狀態信息進行采集與運用。不同建筑的控制層PLC均連接至以太網總線上，并以S7協議與頂層的安裝有組態軟件的管理層工控機進行數據通訊。

2.3現場層溫度控制器設計

溫度控制器，是由C8051單片機系統組成的獨立設備，可以嵌入式安裝在裝置上便于實驗調試，也可以獨立安裝在控制現場便于實際應用操作。同一個建筑內的現場層溫度控制器，均連接在同一網絡的485總線上，以Modbus總線協議與本樓的控制層西門子S7-300PLC進行通訊。PLC作為Modbus主站，通過輪詢掃描的方式與各分機進行數據交換。

三、溫度控制算法設計

由于現有的電采暖控制系統中，現場控制器通常采用基于溫度的PID閉環反饋控制，因而當溫度傳感器或者其檢測通道出現故障時，控制輸出要么飽和，要么截止，這會導致電暖器僅能處于開通或關斷狀態，使房間溫度處于高或低兩種極端狀態，不能跟蹤給定值使供暖要求不能得到有效保證。再者，當電暖器或者執行通道出現故障時，房間的控溫要求顯然亦不能完成。此外，當管理層、控制層和現場控制層之間的通訊通道出現故障時，會使整個DCS控制系統處于癱瘓狀態。

針對現有的電采暖控制系統中檢測通道和執行通道等故障，本實驗平臺采用一種基于預測模型的故障診斷方法，該方法無需增加任何硬件資源，采用離線或在線狀態下獲得的內部模型，構建預測模型，再利用單位階躍擾動作用下預測模型輸出變化量和實際輸出變化量差值大小來判定執行通道的工作狀態，當差值超過整定閾值時，確定為故障狀態，報警提示同時轉入基于環境調節的控溫程序，類似執行通道故障檢測方法，在綜合考慮傳感器開路和短路數值，進而診斷檢測通道故障，報警提示同時轉入基于預測控制的控溫程序。對于通訊通道故障，可以采用延時查詢的方法判定其工作狀態，當通訊故障發生時，現場控制器轉入恒溫控制程序，降低了對系統維護人員水平要求及維護成本，同時也提高了電供暖系統的可靠性。

四、負荷等級分類設計

現有的電采暖控制系統中，如果采用相同的環境溫度作為唯一的溫度設定值，就會導致象走廊和洗手間等一類的熱負荷無謂消耗了大量能源，另外控制點全部時間使用相同的溫度設定值，同樣會造成電能的浪費。采用類似于電負荷分類的方法，將校園中的辦公室、教室、實驗室、倉庫、走廊等熱負荷，按房間工作屬性及供暖需求，劃分其熱負荷等級，進而依據熱負荷等級確定其給定溫度，通過優化溫度給定值的方法，降低電能的無謂消耗，進而實現了節能降耗。

五、平臺搭建與調試

該控制平臺采用立架式綜合裝置的硬件組成，其中頂層監控層工控機與所配打印機外置，其余各相關器件與接線端子全部放在表面。此裝置的立架式結構，既便于觀察器件動作效果，也便于對外接線。

系統全部設置后，就可以在實時數據畫面查看實時數據與狀態，也可以在主畫面中點擊相應建筑圖片，進入所在樓平面圖，選擇樓層后直接以圖型的方式查看數據，不同控制點的溫度以不同顏色代表，效果非常直觀。如圖2所示。

六、結束語

該電供暖控制系統可替換傳統水暖系統，在學校等公共建筑中進行電供暖控制，運行費用低，沒有傳統水暖的“跑冒滴漏”隱患，節省水資源，降低煙塵污染。我校每個采暖季相比同規模的集中供熱面積可節約電費約430萬元，實現了節能、環保、減排的效果。

此外該平臺的設計和實現還推進了學校自動化類、計算機類、儀器儀表類、能源動力類等十余個專業的實踐教學的改革和創新，新增了自動化控制系統和生產管理軟件等應用方面的專業課程和實習實訓環節，達到了有針對性設置實訓科目的目的，進一步夯實了應用型人才培養的專業教育與產業發展需要、課程體系與職業標準需要、創新教學過程與實踐能力需要 “三個對接”的基礎。

參? 考? 文? 獻

[1]張偉.基于PLC的熱網系統的自動平衡分析與應用[D].沈陽：東北大學，2009.

[2]李全中，柴景武.城市供熱調度管理SCADA系統的應用[J]自動化博覽，2012，12（01）：66-69.

[3]賈偉.物聯網的數據采集與信息傳輸技術研究[J].現代電子技術， 2016， 39 （5） ：33-37.

[4]湯偉，竇晨超，馮曉會. 基于西門子 S7-300 PLC 的過程控制實驗平臺設計[J]. 實驗室研究與探索，2018， 37（4）： 49–52.

[5]趙越嶺，王俊生.“過程控制系統”課程實驗平臺設計[J].遼寧工業大學學報（ 社會科學版），2014，16（4）：54-56.