臺達PLC和HMI的換熱站的系統設計
1 引言
換熱站是北方民居冬季供熱系統中的重要組成部分。本文以東北某小區換熱站為例介紹了換熱站監控系統的組成、功能及實現方法。本案例采用的控制系統為臺達PLC，以此結合觸摸屏進行現場數據采集。遠程上位機使用組態王軟件進行搭建，通過換熱站與控制室之間的以太網通訊連接，實時監控供熱工況，并根據現場情況及時調節換熱站參數，提高換熱站的自動化程度，降低運行成本，增強可靠性。
2 換熱站工藝概貌
2.1換熱站監控問題
傳統換熱站多采用人工管理人力資源成本和事故監控問題突出，還易造成熱力失衡，影響供熱效果，造成能源的浪費。換熱站中引入PLC、觸摸屏及上位監控系統等自控設備，可對現場設備實時監測和控制，不僅大大提高了工作效率，降低了故障發生率，還使控制過程更加直觀、調節和控制更加方便。
2.2換熱站監控工藝分析
換熱站自控系統按設備類型分，可分為溫度及壓力變送器、流量計電動調節閥、循環泵及補水泵；按控制回路分，則可分為一次管網流量控制回路和二次管網控制回路。
(1)換熱站的一次管網回路控制：主要是熱負荷控制。通過控制調節一次管網回路上的電動調節閥，來調節流過換熱站的一次管網熱水的流量，從而實現對二次管網出水溫度的控制。
（2）二次管網循環泵控制：換熱站系統二次管網循環泵是通過變頻器來調節控制的。一般循環泵采用供回水溫差結合供回水壓差的控制方式。控制系統根據實際情況，設定一個供回水壓差目標值以滿足二次管網的供暖水循環。在此基礎上，PLC系統通過測量供回水溫差來對循環泵進行修正。當二次管網供回水溫差偏大時，則提高循環泵轉速，加大二次網的流量，提高二次管網的回水溫度，以改善供熱效果；當二次管網供回水溫差過小時，需適當降低循環泵轉速，減小二次管網的流量，實現小流量大溫差的運行模式。這種循環泵的控制方式可以起到節約電能及熱能的效果。
（3）二次管網定壓補水控制：二次管網的補水控制采用的是定壓控制。當系統失水時，二次管網壓力下降，系統會通過變頻器控制補水泵以一定的轉速進行補水，補水泵的轉速根據當前壓力與目標壓力的差值均勻調速，從而避免補水泵在啟動和停止時對二次管網系統的沖擊。
3 硬件設計
該東北小區換熱站以就地控制為核心，將現場的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門開度、泵的起停狀態等信號傳輸到控制器，由其進行采集和控制，再通過以太網通訊的方式，與上位機保持實時連接。該系統控制方案同時可連接GPRS無線模塊，還可通過串行通訊或現場總線方式連接分布式IO，滿足客戶各種擴容需求。
3.1現場儀表和執行機構
換熱站儀表和執行機構清單如表1所示。現場使用ABB公司的ACS510系列變頻器兩臺，帶動循環水泵與補水泵變頻運行，實現節能調速。15kW變頻器帶動兩臺循環泵運行（一用一備），3kW變頻器帶動一臺補水泵。
表1 儀表和執行機構清單
3.2硬件構成
針對東北某小區換熱站現場控制需求，臺達PLC及觸摸屏產品列表如表2所示。
表2 PLC及觸摸屏產品列表
3.3PLC可編程控制器
系統方案中主機CPU采用臺達第二代PLC-DVP12SA2，該款PLC具有16k程序容量，自帶3個串行通訊口（1個RS232，2個RS485），最大擴展數字量為480點，右側可擴展8個特殊模塊（包括AD、DA、PT、TC等），并且支持左側高速擴展，可連接以太網模塊及現場總線模塊；同時，SA2提供豐富的應用指令（包括PID手自動無擾切換、氣候補償曲線等）。
其中，12SA2是控制系統的核心，在換熱站中其完成的主要功能如下：
（1）采集溫度、壓力、流量、液位、調節閥開度及變頻器反鐀等仿真信號，并將其轉換為數字信號，送至觸摸屏及上位端；
（2）根據二次網供水溫度和室外溫度通過調節閥調節一次網供水流量，保證采暖效果；
（3）根據二次網回水壓力調節補水泵電機轉速，從而穩定管網壓力；
（4）根據二次網供回水壓差控制循環泵，維持壓差穩定；
（5）當供水壓力超過規定值時，打開泄壓電磁閥泄壓；
（6）做相關報警功能，當水箱水位高于或低于上下限時，發出報警。
4 換熱站軟件設計
4.1溫度監控
溫度監控PLC部分程序如圖1所示。
圖1 PLC部分程序示意圖
4.2PID手自動無擾切換
SA2系列PID指令支持手自動無擾切換功能，使熱網運行更加穩定。當PID指令由自動模式切換到手動模式時（PID控制方式為K8），PID自動輸出將停止運算，此時以手動輸出值為準；當控制模式由手動切回自動時，PID指令會自動將前一個輸出值接續控制下去（不重新做累積積分）。PID手自動無擾切換部分程序如圖2所示。
圖2 PID手自動無擾切換程序
4.3氣候補償曲線功能
在熱網行業中，如能讓控制溫度根據室外溫度進行相應的改變，將有利于供熱量的調節，從而實現節能。臺達公司根據熱網行業而專門開發的氣候補償曲線DTM指令滿足了上述需求。編程者在設置完室外溫度與控制溫度數組（最多50組）后，DTM指令會根據室外實際溫度值自動調整控制溫度值。圖3為氣候補償曲線示意圖。其中，橫軸為室外溫度，縱軸為控制溫度。圖4為東北某小區PLC氣候補償曲線程序。
圖3 氣候補償曲線示意圖
圖4 氣候補償曲線程序
5 監控管理界面設計
5.1HMI觸摸屏
系統采用臺達DOP-B07S515具有65536色TFT顯示，支持三組串（RS232/RS485/RS422）。具有強大的通訊功能，同時開孔尺寸與5寸屏相同，在有限的空間內提供了最大的顯示區域。
B07S515觸摸屏與PLC通過臺達Q-bbbb協議相連，通訊速率比常規通訊快30%。通過配置觸摸屏數據，可以改變PID設定值及參數，監控調節閥、循環泵和補水泵變頻器運行工況，顯示現場溫度、壓力、流量、液位等信號，內設報警極限值及報警記錄畫面，同時可將當前和歷史數據以報表或曲線的方式在屏上顯示出來，方便調節和控制整個工作過程B07S515觸摸屏通過RS485方式還與昌輝熱表通訊，可以將熱網的瞬時熱量、累積流量和累積熱量實時顯示出來。
換熱站是北方民居冬季供熱系統中的重要組成部分。本文以東北某小區換熱站為例介紹了換熱站監控系統的組成、功能及實現方法。本案例采用的控制系統為臺達PLC，以此結合觸摸屏進行現場數據采集。遠程上位機使用組態王軟件進行搭建，通過換熱站與控制室之間的以太網通訊連接，實時監控供熱工況，并根據現場情況及時調節換熱站參數，提高換熱站的自動化程度，降低運行成本，增強可靠性。
2 換熱站工藝概貌
2.1換熱站監控問題
傳統換熱站多采用人工管理人力資源成本和事故監控問題突出，還易造成熱力失衡，影響供熱效果，造成能源的浪費。換熱站中引入PLC、觸摸屏及上位監控系統等自控設備，可對現場設備實時監測和控制，不僅大大提高了工作效率，降低了故障發生率，還使控制過程更加直觀、調節和控制更加方便。
2.2換熱站監控工藝分析
換熱站自控系統按設備類型分，可分為溫度及壓力變送器、流量計電動調節閥、循環泵及補水泵；按控制回路分，則可分為一次管網流量控制回路和二次管網控制回路。
(1)換熱站的一次管網回路控制：主要是熱負荷控制。通過控制調節一次管網回路上的電動調節閥，來調節流過換熱站的一次管網熱水的流量，從而實現對二次管網出水溫度的控制。
（2）二次管網循環泵控制：換熱站系統二次管網循環泵是通過變頻器來調節控制的。一般循環泵采用供回水溫差結合供回水壓差的控制方式。控制系統根據實際情況，設定一個供回水壓差目標值以滿足二次管網的供暖水循環。在此基礎上，PLC系統通過測量供回水溫差來對循環泵進行修正。當二次管網供回水溫差偏大時，則提高循環泵轉速，加大二次網的流量，提高二次管網的回水溫度，以改善供熱效果；當二次管網供回水溫差過小時，需適當降低循環泵轉速，減小二次管網的流量，實現小流量大溫差的運行模式。這種循環泵的控制方式可以起到節約電能及熱能的效果。
（3）二次管網定壓補水控制：二次管網的補水控制采用的是定壓控制。當系統失水時，二次管網壓力下降，系統會通過變頻器控制補水泵以一定的轉速進行補水，補水泵的轉速根據當前壓力與目標壓力的差值均勻調速，從而避免補水泵在啟動和停止時對二次管網系統的沖擊。
3 硬件設計
該東北小區換熱站以就地控制為核心，將現場的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門開度、泵的起停狀態等信號傳輸到控制器，由其進行采集和控制，再通過以太網通訊的方式，與上位機保持實時連接。該系統控制方案同時可連接GPRS無線模塊，還可通過串行通訊或現場總線方式連接分布式IO，滿足客戶各種擴容需求。
3.1現場儀表和執行機構
換熱站儀表和執行機構清單如表1所示。現場使用ABB公司的ACS510系列變頻器兩臺，帶動循環水泵與補水泵變頻運行，實現節能調速。15kW變頻器帶動兩臺循環泵運行（一用一備），3kW變頻器帶動一臺補水泵。
表1 儀表和執行機構清單
3.2硬件構成
針對東北某小區換熱站現場控制需求，臺達PLC及觸摸屏產品列表如表2所示。
表2 PLC及觸摸屏產品列表
3.3PLC可編程控制器
系統方案中主機CPU采用臺達第二代PLC-DVP12SA2，該款PLC具有16k程序容量，自帶3個串行通訊口（1個RS232，2個RS485），最大擴展數字量為480點，右側可擴展8個特殊模塊（包括AD、DA、PT、TC等），并且支持左側高速擴展，可連接以太網模塊及現場總線模塊；同時，SA2提供豐富的應用指令（包括PID手自動無擾切換、氣候補償曲線等）。
其中，12SA2是控制系統的核心，在換熱站中其完成的主要功能如下：
（1）采集溫度、壓力、流量、液位、調節閥開度及變頻器反鐀等仿真信號，并將其轉換為數字信號，送至觸摸屏及上位端；
（2）根據二次網供水溫度和室外溫度通過調節閥調節一次網供水流量，保證采暖效果；
（3）根據二次網回水壓力調節補水泵電機轉速，從而穩定管網壓力；
（4）根據二次網供回水壓差控制循環泵，維持壓差穩定；
（5）當供水壓力超過規定值時，打開泄壓電磁閥泄壓；
（6）做相關報警功能，當水箱水位高于或低于上下限時，發出報警。
4 換熱站軟件設計
4.1溫度監控
溫度監控PLC部分程序如圖1所示。
圖1 PLC部分程序示意圖
4.2PID手自動無擾切換
SA2系列PID指令支持手自動無擾切換功能，使熱網運行更加穩定。當PID指令由自動模式切換到手動模式時（PID控制方式為K8），PID自動輸出將停止運算，此時以手動輸出值為準；當控制模式由手動切回自動時，PID指令會自動將前一個輸出值接續控制下去（不重新做累積積分）。PID手自動無擾切換部分程序如圖2所示。
圖2 PID手自動無擾切換程序
4.3氣候補償曲線功能
在熱網行業中，如能讓控制溫度根據室外溫度進行相應的改變，將有利于供熱量的調節，從而實現節能。臺達公司根據熱網行業而專門開發的氣候補償曲線DTM指令滿足了上述需求。編程者在設置完室外溫度與控制溫度數組（最多50組）后，DTM指令會根據室外實際溫度值自動調整控制溫度值。圖3為氣候補償曲線示意圖。其中，橫軸為室外溫度，縱軸為控制溫度。圖4為東北某小區PLC氣候補償曲線程序。
圖3 氣候補償曲線示意圖
圖4 氣候補償曲線程序
5 監控管理界面設計
5.1HMI觸摸屏
系統采用臺達DOP-B07S515具有65536色TFT顯示，支持三組串（RS232/RS485/RS422）。具有強大的通訊功能，同時開孔尺寸與5寸屏相同，在有限的空間內提供了最大的顯示區域。
B07S515觸摸屏與PLC通過臺達Q-bbbb協議相連，通訊速率比常規通訊快30%。通過配置觸摸屏數據，可以改變PID設定值及參數，監控調節閥、循環泵和補水泵變頻器運行工況，顯示現場溫度、壓力、流量、液位等信號，內設報警極限值及報警記錄畫面，同時可將當前和歷史數據以報表或曲線的方式在屏上顯示出來，方便調節和控制整個工作過程B07S515觸摸屏通過RS485方式還與昌輝熱表通訊，可以將熱網的瞬時熱量、累積流量和累積熱量實時顯示出來。
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：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
