Design of the Automatic Control System for Heat Exchange Station

李紅光　張國鈞

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院,山西 太原　030024)

換熱站自動控制系統(tǒng)設(shè)計

Design of the Automatic Control System for Heat Exchange Station

李紅光張國鈞

(太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院,山西 太原030024)

摘要：針對換熱站采用溫度調(diào)節(jié)的控制方式不能有效節(jié)能，流量調(diào)節(jié)易造成二次網(wǎng)水利工況不穩(wěn)定的情況，設(shè)計了分時段流量調(diào)節(jié)和溫度調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制策略。同時對供水溫度進(jìn)行預(yù)測，以補(bǔ)償系統(tǒng)的大滯后性。選用西門子S7系列PLC作為控制器，設(shè)計了基于Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)，采用MPI電纜通信方式實(shí)現(xiàn)了S7-300和上位機(jī)監(jiān)控組態(tài)王之間的通信。為便于數(shù)據(jù)分析，采用了一種通過Excel VBA接口實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)讀取的方法。

關(guān)鍵詞：換熱站Profibus-DP變流量變溫度控制組態(tài)王數(shù)據(jù)采集

Abstract：For heat exchange station, the control mode using temperature control is not effective for energy saving, while using flow control may lead to the unstable work condition of water conservancy in secondary network, thus the control strategy which combines flow control and temperature control in different time periods is designed. In addition, the temperature of the water supply is predicted, to compensate the large time hysterics of system. Siemens S7 series PLC is selected to be the controller, the control system based on Profibus-DP network is designed, the MPI cable communication is adopted to implement communication between S7-300 and configuration software KingView of host computer. To ease data analysis, Excel VBA interface is used to read historical data.

Keywords：Heat-exchange stationProfibus-DPVariable flow and temperature ControlKingViewData acquisition

0引言

熱電聯(lián)產(chǎn)集中供熱因其具有節(jié)約能耗、改善環(huán)境、提高供熱質(zhì)量和便于科學(xué)管理等諸多優(yōu)點(diǎn)成為我國鼓勵發(fā)展的供熱方式。而換熱站是集中供熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它是連接電廠一次網(wǎng)和用戶二次網(wǎng)實(shí)現(xiàn)熱量交換、熱量分配的樞紐。在集中供熱領(lǐng)域，技術(shù)較為先進(jìn)的歐洲國家多采用基于流量調(diào)節(jié)的供熱方案，且在一次網(wǎng)設(shè)置多處調(diào)節(jié)點(diǎn)，既收到了較好的節(jié)能效果，又提高了用戶取熱的質(zhì)量。目前我國的集中供熱多采用的是基于溫度調(diào)節(jié)的方案。我國北方的小城鎮(zhèn)集中供熱系統(tǒng)的自動控制水平還有待提高，靠人工控制的精確度較低，難以達(dá)到預(yù)期要求。

針對山西某熱電廠的實(shí)際情況，設(shè)計了換熱站自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Profibus-DP現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)PLC主站和從站的連接，采用MPI電纜通信方式連接基于組態(tài)王6.53的監(jiān)控系統(tǒng)和主站S7-300 PLC。同時調(diào)節(jié)供水溫度和二次網(wǎng)流量，并對供水溫度進(jìn)行預(yù)測補(bǔ)償，以緩解系統(tǒng)調(diào)節(jié)的滯后性，這樣在保證供熱質(zhì)量的同時節(jié)約能源。很多情況下,工作人員需要對換熱站的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行保存或分析。本文采用了一種通過Excel VBA接口讀取組態(tài)王歷史數(shù)據(jù)的方法。

1換熱站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

換熱站是連接一次網(wǎng)和二次網(wǎng)的場所，可分為一次網(wǎng)、二次網(wǎng)和換熱器三部分，如圖1所示。

圖1　換熱站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一次網(wǎng)為熱力源管線，電廠汽輪機(jī)排氣產(chǎn)生的蒸汽帶有大量的熱量，經(jīng)換熱器后變?yōu)槟Y(jié)水，凝結(jié)水經(jīng)疏水泵導(dǎo)出進(jìn)行再利用。二次網(wǎng)為用熱管線，即管線從換熱站獲得熱量并在用戶處釋放熱量的循環(huán)管線，由二次供水管線和二次回水管線構(gòu)成。 而換熱器是將熱源一次網(wǎng)和用戶二次網(wǎng)的熱量進(jìn)行交換的場所。二次網(wǎng)管道水的循環(huán)通過循環(huán)泵帶動，亦可通過循環(huán)泵亦可改變二次網(wǎng)管道水的流量,從而改變進(jìn)入用戶的熱量。通過補(bǔ)水泵對二次網(wǎng)管道進(jìn)行補(bǔ)水和維持恒壓。通過調(diào)節(jié)一次網(wǎng)蒸汽電動調(diào)節(jié)閥的開度改變進(jìn)入換熱站的蒸汽量，從而調(diào)節(jié)二次網(wǎng)獲得的熱量，進(jìn)而控制二次網(wǎng)的供水溫度，使其達(dá)到預(yù)設(shè)的值，以滿足用戶的需求。在換熱站的各部分設(shè)置測量溫度、流量、壓力、液位等的儀表，在一次網(wǎng)和二次網(wǎng)設(shè)置調(diào)節(jié)閥、變頻器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2控制系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1　控制策略

換熱站供熱系統(tǒng)具有熱慣性、大滯后、非線性的特點(diǎn)[1]，為維持用戶室內(nèi)溫度的恒定，采用分時段變流量調(diào)節(jié)供水溫度的控制方法。

通常情況下,白天和夜晚的室外溫度差別較大，白天不同的時段室外溫度亦有差別，故根據(jù)每天不同的時段將二次網(wǎng)的循環(huán)水流量分為四個不同階段：21點(diǎn)至凌晨6點(diǎn)為室外溫度最低的時間段，流量適當(dāng)增大，設(shè)置為階段一；6點(diǎn)至11點(diǎn)室外溫度逐步升高，流量相應(yīng)減小，設(shè)置為階段二；11點(diǎn)至17點(diǎn)為當(dāng)天氣溫最高時間段，流量相對減小到最小，設(shè)置為階段三；17點(diǎn)至21點(diǎn)氣溫開始明顯回落，流量增大，設(shè)置為階段四。

在每一個流量階段內(nèi)為保持室內(nèi)溫度恒定，當(dāng)室外溫度變化時供水溫度也需相應(yīng)改變。室外溫度和供水溫度的關(guān)系可以描述為：

(1)

通過預(yù)測室外溫度的變化趨勢提前調(diào)整供水溫度的設(shè)定值，能夠?qū)囟认到y(tǒng)的大時滯性和大慣性起到一定的補(bǔ)償作用。用數(shù)值算法擬合溫度變化曲線的斜率可得溫度變化趨勢,tn時刻的溫度變化趨勢即斜率為：

(2)

式中：Tn為tn時刻的室外溫度實(shí)測值；Tn-1為tn-1時刻的室外溫度實(shí)測值[2]。

循環(huán)泵為二次網(wǎng)提供動力，采用變頻控制，通過變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速,使得二次網(wǎng)供回水的壓差穩(wěn)定在一個恒定值，在實(shí)現(xiàn)分時段變流量功能的同時，減少了對電網(wǎng)的沖擊并有效節(jié)能[3]。

補(bǔ)水泵采用變頻控制，用戶或設(shè)備原因會造成二次網(wǎng)失水，導(dǎo)致二次管網(wǎng)壓力下降。根據(jù)檢測到的管網(wǎng)定壓點(diǎn)處的壓力變化情況,對二次網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水，與傳統(tǒng)的補(bǔ)水泵間歇運(yùn)行和恒速連續(xù)運(yùn)行相比，節(jié)能效果顯著[3-4]。

2.2　硬件設(shè)計

自動控制系統(tǒng)硬件由以下幾部分組成：現(xiàn)場級的溫度、壓力、流量、液位等測量傳感器與儀表，水泵、閥門等執(zhí)行器，控制級的可編程控制器(PLC)、I/O模塊等，以及監(jiān)控管理級的工控機(jī)和人機(jī)界面(HMI)。

Siemens的S7-300系列PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，可以按需組合擴(kuò)展各種單獨(dú)模塊。根據(jù)系統(tǒng)要求，主站選用CPU315-2DP模塊。該模塊上集成有現(xiàn)場總線Profibus-DP通信接口，其DI模塊選用16點(diǎn)24VDCSM321。DO模塊選用SM322，可直接驅(qū)動電磁閥線圈、接觸器線圈、指示燈、繼電器等負(fù)載。AI模塊選用SM331，4~20mA輸入。溫度測量模塊選用SM331AI8×RTD。該模塊分辨率可調(diào)，其A/D轉(zhuǎn)換器有4檔，積分法，測量范圍廣。AO模塊選用SM332AO8×12bit，該模塊輸出的電壓和電流可調(diào)。中央機(jī)架與擴(kuò)展機(jī)架各需一塊連接模塊IM365，通過連接電纜連接兩機(jī)架[5]。

循環(huán)泵控制系統(tǒng)和補(bǔ)水泵控制系統(tǒng)分別作為2個從站，其控制器選用S7-200的CPU224XP。該CPU有2個模擬量輸入點(diǎn)、1個模擬量輸出點(diǎn)、2個RS- 485通信/編程口，具有PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信能力。

系統(tǒng)增加EM277擴(kuò)展模塊，以支持Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,其最高傳輸速率可達(dá)12Mbit/s[6]。

2.3　網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

控制系統(tǒng)共有兩個通信網(wǎng)絡(luò)，一是作為主站的S7-300PLC與作為從站的S7-200PLC之間采用的Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)，二是主站PLC與上位機(jī)監(jiān)控之間采用的MPI網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

Profibus協(xié)議利用了現(xiàn)有的國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)，基于符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的OSI參考模型。Profibus提供了3種不同版本的通信協(xié)議：DP、FMS和PA，其中Profibus DP使用了第一層、第二層和用戶接口，用于可編程控制器與現(xiàn)場級分布式設(shè)備之間的通信，可連接設(shè)備種類繁多。數(shù)據(jù)傳輸物理層可按照EIA RS485標(biāo)準(zhǔn)采用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)[7]。

主站CPU315-2DP有兩個通信口PORT0和PORT1，選擇PORT0作為連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中通信端口，波特率設(shè)為9 600 bit/s，從站 CPU224XP通過EM277模塊連接到Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中。Profibus-DP采用主-從通信方式，在從站S7-200PLC中不需要組態(tài)通信[8]，只需在 EM277 上設(shè)置相應(yīng)的Profibus DP 地址，轉(zhuǎn)動EM277地址開關(guān)使箭頭指向定義的地址，循環(huán)泵設(shè)置為3，補(bǔ)水泵設(shè)置為4。在Simatic Step7中組態(tài)主站和從站，在HW Config編輯器中將 CPU314C-2 DP連接到Profibus 網(wǎng)絡(luò)，主站地址設(shè)置為2。在硬件目錄中按照Profibus DP→Additional Field Devices→PLC→Simatic→EM277 Profibus-DP的查找順序?qū)?個EM277模塊添加到Profibus DP網(wǎng)絡(luò)中，并設(shè)置對應(yīng)的從站地址，DP從站只能被插入到一個Profibus主站系統(tǒng)中。在主站和從站之間分別定義接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的存儲區(qū)地址，設(shè)定S7-200的V存儲區(qū)起始地址為VW100，在編程時將需要傳送的變量的數(shù)據(jù)傳送到該存儲區(qū)中，在數(shù)據(jù)通信時主站讀寫從站設(shè)定的V存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)。在主站中設(shè)定接收區(qū)和發(fā)送區(qū)地址，根據(jù)所選的接收和發(fā)送區(qū)，從硬件目錄中添加相關(guān)的輸入/輸出模塊，并指定數(shù)據(jù)通信所使用的數(shù)據(jù)一致性的類型。

西門子S7-300 PLC與組態(tài)王有MPI電纜、MPI通信卡、以太網(wǎng)、Profibus-DP、Profibus-S7等通信方式。MPI電纜通信方式一般適用于一臺PLC和一臺PC進(jìn)行直接串口通信的場合且PLC和PC機(jī)之間距離較近。采用MPI電纜通信方式無需在計算機(jī)上安裝擴(kuò)展的通信模塊，只需在組態(tài)王所在的計算機(jī)上安裝Step7編程軟件。使用西門子標(biāo)準(zhǔn)編程電纜將CPU315-2DP的PORT1端口和計算機(jī)的串口相連,實(shí)現(xiàn)硬件連接。在組態(tài)王中建立設(shè)備連接：設(shè)備→COM1→PLC→西門子→S7-300(MPI)→MPI(COM)。

2.4　監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)監(jiān)控軟件選用亞控公司的組態(tài)王KingView6.53，它具有穩(wěn)定的采集架構(gòu)，可方便地導(dǎo)入設(shè)備變量，支持工業(yè)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫接口，方便數(shù)據(jù)的采集提取。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，掌握系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的實(shí)時狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測情況對各環(huán)節(jié)進(jìn)行合理的控制和管理。監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能有：工藝流程顯示、數(shù)據(jù)采集與存儲、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、控制操作或參數(shù)設(shè)置[3]。

該換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)主頁面包括工藝流程、各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)顯示以及操作按鈕。其中，循環(huán)泵系統(tǒng)中包括循環(huán)泵的頻率輸入輸出、故障狀態(tài)、壓差；在補(bǔ)水系統(tǒng)中包括補(bǔ)水泵頻率、故障狀態(tài)、壓力、補(bǔ)水箱液位；一次網(wǎng)系統(tǒng)包括蒸汽管線和凝結(jié)水管線的溫度、壓力、流量，凝結(jié)水箱的液位、疏水泵狀態(tài)等；換熱器系統(tǒng)中包括各換熱器的壓力、液位、出口溫度；二次網(wǎng)系統(tǒng)包括供水管線和回水管線的溫度、壓力、流量。在主頁面系統(tǒng)流程各控制點(diǎn)設(shè)置控制操作與狀態(tài)顯示，同時加入實(shí)時曲線、系統(tǒng)報表、系統(tǒng)報警記錄等[9]。

2.5　讀取歷史數(shù)據(jù)

組態(tài)王的歷史記錄文件格式有3種：臨時數(shù)據(jù)文件、壓縮的原始數(shù)據(jù)文件、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的特征值文件。歷史記錄首先被記錄到臨時文件中，每小時生成一個，到整點(diǎn)時讀取該數(shù)據(jù)并進(jìn)行壓縮處理和算法過濾，生成真正的歷史庫記錄文件，同時記錄特征點(diǎn)數(shù)據(jù)，特征值文件每年生成一個新文件。訪問歷史數(shù)據(jù)，組態(tài)王提供的VBA接口為“AcessHist.dll”，可以使用VBA調(diào)用函數(shù)，聲明函數(shù)時用到接口函數(shù)，組態(tài)王提供的接口函數(shù)有：LoadProject,SearchVba,UnLoadProject,ConvertTime,ascTime,GetLogVarNameByIndex,GetLogVarCount,GetStationCount,GetStationNameByIndex,GetStationIDByName,GetSearchDataCountFromKvDB_ForVB,SearchDataFromKvDB_ForVB,ascFileTime Lib。

組態(tài)王的歷史記錄形式分為數(shù)據(jù)變化記錄、定時記錄和備份記錄。為節(jié)約數(shù)據(jù)的存儲空間，又能保證信息的完整性，采用數(shù)據(jù)變化記錄的方式，變化的靈敏度設(shè)置為1。在系統(tǒng)配置中，歷史庫配置選擇運(yùn)行時啟動歷史數(shù)據(jù)記錄，當(dāng)系統(tǒng)啟動時直接啟動歷史記錄，歷史記錄配置選擇指定的存儲路徑，以保證有足夠的存儲空間。

通常情況下，可以通過系統(tǒng)報表讀取歷史數(shù)據(jù)，但是該方法需要在進(jìn)行監(jiān)控程序設(shè)計時即確定需要讀取的變量，且轉(zhuǎn)存不方便。在Excel中使用Visual Basic將組態(tài)王歷史庫中的數(shù)據(jù)讀到Excel表格中，可直接使用組態(tài)王提供的KingReport.xls提取歷史庫中的數(shù)據(jù)并存儲為.xls格式，可以對變量、讀取的時間范圍、時間間隔、存儲路徑等進(jìn)行選擇。

3結(jié)束語

對于汽-水換熱站，如果換熱器內(nèi)蒸汽壓力和溫度過高，則短時間內(nèi)就會使換熱器汽化引起故障甚至發(fā)生爆炸[10]。在設(shè)計主站程序時，將換熱器壓力和蒸汽閥門進(jìn)行閉鎖控制，當(dāng)達(dá)到壓力上限值時自動關(guān)閉蒸汽閥門，同時設(shè)計備用循環(huán)泵，主泵和備用泵定時輪換。

Profibus-DP現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量可靠，滿足了系統(tǒng)要求。采用溫度調(diào)節(jié)和分時段定流量調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制策略,保證了二次網(wǎng)水利工況的穩(wěn)定，滿足用戶供熱需求的同時實(shí)現(xiàn)了節(jié)能?；贓xcel VBA接口的歷史數(shù)據(jù)提取方法簡單實(shí)用，為歷史數(shù)據(jù)的讀取提供了一種更為簡便的方法。

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中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503010

修改稿收到日期：2014-08-25。

第一作者李紅光(1987-)，男，現(xiàn)為太原理工大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事工業(yè)自動化的研究。