基于嵌入式PLC的換熱站控制系統設計

尚文斌

臨沂市恒源熱力集團有限公司，山東臨沂，276000

0 引言

近年來隨著集中供暖、計算機控制及網絡技術的快速發展，換熱站作為集中供暖中連接用戶與熱源的重要樞紐[1]，其自動控制系統也得到了較快的發展。目前大多數是基于傳統可編程邏輯控制器（PLC）的設計，存在編程語言不通用、開放性差的問題。對此本文提出設計一種基于嵌入式PLC的換熱站自動控制系統，具有更為開放的構架和語言標準，較傳統PLC的編程指令集更加豐富，有編程簡單靈活、支持多種語言混合使用、功能強大及便于調試和維護的優點，有較廣闊的應用前景，將其設計并應用于換熱站的自動控制系統，可進一步提高集中供熱系統的智能化程度。

1 換熱站控制系統的概述

換熱站控制系統一般由遠程服務器監控系統、現場控制器、現場設備和通信系統等組成。其控制原理是根據換熱站內二次管網供水和回水壓力的變化，分別自動控制二次管網循環泵的頻率和補水泵的啟停，根據二次管網供水溫度值，自動調節一次管網電動調節閥的開度，以此達到二次管網恒溫恒壓的控制要求。如圖1所示換熱站控制系統的結構示意圖，PLC作為換熱站的現場主控制器，通過與換熱站內的循環泵、補水泵變頻器、電動調節閥進行實時通信，經過PLC軟件控制系統計算分析后，控制一次管網供水安裝電動調節閥調節一次管網熱水瞬時流量，達到控制二次管網供水溫度的目的，實現現場設備監控功能。換熱站自動控制系統的通信系統主要實現與上位機和智能電表、熱量表以及補水流量計等智能儀表的實時通信，通過網絡連接后可接入熱電公司的上位機遠程監控中心，實現控制系統的無人值守自動運行功能。

圖1 換熱站控制系統的結構示意圖

2 換熱站自動控制系統的設計

2.1 硬件選型設計

本文選用倍福CX系列型號CX9000嵌入式控制器作為換熱站系統的主控制器，CX9000是一款設計安裝在DIN導軌上的緊湊型以太網控制器，采用基于XScale架構的Intel IXP 420處理器，時鐘頻率為266MHz，系統為Windows CE的嵌入式操作系統。作為一款嵌入式控制器，它集中了工業PC和傳統PLC的優勢，程序處理時間短，實時控制能力強且穩定可靠[2]，配合TwinCAT自動化軟件可實現對控制系統的編程設計。

倍福CX系列控制器的擴展模塊可依據系統需求插接在一起，本文依據系統對模擬量、數字量的輸入、輸出控制點的控制要求，選型RS485串行通信接口模塊CX9000-N031、總線末端端子模塊KL9010、模擬量輸入端子模塊KL3458、模擬量輸出端子模塊KL4424、數字量輸入端子模塊KL1408、數字量輸出端子模塊KL2408以及數字量輸入輸出端子模塊KL4022。另外，對于其他的現場控制設備，選用昆侖通態MCGS觸摸屏型號TCP1061Ti作為人機操作界面，西門子SKC62系列作為一次側熱網的閥門電動執行器，選擇型號為ACS510的ABB變頻器實現對水泵的變頻控制。

2.2 軟件設計

軟件設計部分主要包括PLC控制程序的編寫和觸摸屏人機界面的設計，分別在TwinCAT和MCGS軟件的開發環境下來完成。

TwinCAT自動化軟件是由德國BECKHOFF（倍福）公司推出的一款基于Windows操作系統的軟件，支持國際工業控制編程語言的IEC 61131-3標準規范，包括語句表/匯編語言（IL）、功能框圖（FBD）、梯形圖（LD）、順序功能流程圖（SFC）、結構化文本（ST）共5種語言的編程，程序可滿足當前集中供熱中控制系統軟件對實時性、穩定性、安全性的要求。TwinCAT 開發環境中主要分為System Manager和PLC Control兩大部分，其中System Manager用于系統設置和I/O的硬件配置，在運行、配置、停止等不同的模式下，允許執行不同的TwinCAT操作，PLC control用于邏輯程序的編寫和調試。本文選擇TwinCAT PLC Control v2.11版本平臺環境編寫換熱站的運行程序[3]，各主要功能函數模塊化的描述如下：

（1）防掉電處理函數NOV_RAM()：程序每隔一秒自動保存一次設定或上位給定的數據。斷電后程序可讀取已保存的數據，變量的掉電保持是通過每個周期把變量當前值復制到NOVRAM區來實現的，具體包括循環泵、補水泵、電動調節閥、補水電磁閥、溫度壓力設定值、PID參數值、保護報警設定值等。

（2）數據采集模塊：TCP_REAL()函數實現對溫度、壓力、液位值、電動調節閥反饋值、變頻器頻率、電流反饋值等模擬量采集，并將4～20mA的模擬量轉化為對應的數字量。TCP_BOOL()函數實現對循環泵、補水泵的遠程就地、運行停止、故障報警等控制信號的輸入和輸出處理。

（3）閥門控制函數Valve_Control()：依據液位判斷水箱的自動控制補水閥的開關，根據二次網供水、回水溫度的變化，通過計算PID值實現對一次網電動閥控制，并對閥門開度進行相應的限位保護。

（4）水泵PID值計算模塊：系統在手動、自動不同的工作模式下根據二次供水回水壓力值計算或輸入值控制水泵的頻率輸出。

（5）系統循環泵和補水泵控制：系統根據液位（帶死區）、二次供水和回水欠壓、超壓保護等相關的邏輯控制，計算補水泵給定的頻率值，實現補水泵啟?？刂坪拖嚓P保護的功能。

（6）儀表通信模塊：控制配置有兩個串行通信接口RS485實現與現場的智能電表、熱變、水表的通信。倍福CX系列控制器編程時通過調用TCP/IP功能塊，實現TCP/IP功能塊的連接、發送、接收等功能，可以在系統的程序運行時看到是否連接及發送成功。

MCGS組態軟件是北京昆侖通態公司研發的一套安裝于Windows系統的軟件平臺，可實現對現場觸摸屏界面的設計[4]，如圖2所示。將該組態界面下載至現場的觸摸屏中，與倍福CX系列控制器通過TCP/IP通信協議實現相關的顯示及控制功能，其主要功能描述為：顯示現場人機界面的現場壓力、溫度、液位等傳感器的測量值，實現水泵變頻器的運行狀態、運行動畫、電表、水表、熱表等數據的顯示，用戶可對二次網供水溫度值、閥門開度、PID參數值、報警等設置，選擇手動/自動模式控制、用戶可查看當日溫度、壓力趨勢曲線等。

圖2 觸摸屏的設計界面

2.3 程序下載與調試

CeRHost是微軟公司的一款從PC接管Windows CE桌面的工具，用戶可使用CeRHost工具可實現接管windowsCE操作系統桌面，根據系統的需求對嵌入式操作系統進行相關的配置。

在程序下載和調試前，需要使用網線作為連接線，實現安裝TwinCAT的編程計算機與倍福PLC的通信。CX系列嵌入式控制器的默認IP地址可以從TwinCAT System Manager中通過廣播方式查找到，與控制器建立連接后，依次將配置文件和PLC程序下載到控制器后，在PC端的TwinCAT軟件下通過在線聯機調試PLC程序。整個程序啟動運行步驟描述為：系統上電開機后，PLC系統開始初始化狀態，主要包括系統自檢，對各種輸入信號進行讀取，初始化全局變量和控制參數，之后系統根據系統設置參數自動順序循環運行各程序模塊，實現對變頻器、電動調節閥等現場設備輸出控制。

3 系統的應用實例

將本文設計的系統應用于以臨沂市集中供熱項目的某小區，設計工程概況為總供熱建筑面積約6.1萬平方米，換熱站分為低、高2個區運行：低區為1至15層，供暖面積為3.7萬平方米；高區為16至24層，高區供暖面積為2.4萬平方米。小區的所有建筑均為節能建筑，住戶的采暖方式均為地暖，換熱站建設在地下一層，使用自來水供水，采用板式換熱機組對應分2個泵組運行，設備均為一主一備的方式運行，水泵采用變頻一拖一的控制方式，水泵采用定壓自動補水和壓差循環的變頻運行方式。根據換熱站的工程設計，每臺機組配備2臺板式換熱器、2臺循環水泵和2臺補水泵。

將換熱站自動控制系統的PLC連接至路由器或交換機，倍福CX系列PLC作為客戶端，熱網數據采集與監視控制系統（SCADA）作為服務器端，通過基于TCP/IP協議的Ethernet（以太網）完成實時通信，實現熱力公司調度中心對各換熱站點的遠程監控功能[5]。該系統于2022年1月起投入運行，現導出換熱站2月份低區的壓力溫度運行數據如表1，從表1的數據中可以看出，壓力、溫度數值運行表現良好，表明該設計系統整體運行穩定，為嵌入式控制器在供熱系統中的設計及應用提供了可靠的數據參考。

表1 換熱站2月份運行數據

4 結語

本文在提出設計一種嵌入式PLC的換熱站控制系統的基礎上，依次對控制系統的總體概述、硬件選型和軟件設計進行了詳細的說明，實現了對整個換熱站自動控制系統的設計，應用于某小區后表明該設計可滿足項目對于系統的控制要求。隨著未來社會在自動化控制方面的快速發展，該設計對于嵌入式控制器在集中供熱系統中的設計及應用具有重要的參考意義。