基于嵌入式PLC的換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計

尚文斌

臨沂市恒源熱力集團(tuán)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)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(tǒng)也得到了較快的發(fā)展。目前大多數(shù)是基于傳統(tǒng)可編程邏輯控制器（PLC）的設(shè)計，存在編程語言不通用、開放性差的問題。對此本文提出設(shè)計一種基于嵌入式PLC的換熱站自動控制系統(tǒng)，具有更為開放的構(gòu)架和語言標(biāo)準(zhǔn)，較傳統(tǒng)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(diào)試和維護(hù)的優(yōu)點，有較廣闊的應(yīng)用前景，將其設(shè)計并應(yīng)用于換熱站的自動控制系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高集中供熱系統(tǒng)的智能化程度。

1 換熱站控制系統(tǒng)的概述

換熱站控制系統(tǒng)一般由遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場控制器、現(xiàn)場設(shè)備和通信系統(tǒng)等組成。其控制原理是根據(jù)換熱站內(nèi)二次管網(wǎng)供水和回水壓力的變化，分別自動控制二次管網(wǎng)循環(huán)泵的頻率和補水泵的啟停，根據(jù)二次管網(wǎng)供水溫度值，自動調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)電動調(diào)節(jié)閥的開度，以此達(dá)到二次管網(wǎng)恒溫恒壓的控制要求。如圖1所示換熱站控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，PLC作為換熱站的現(xiàn)場主控制器，通過與換熱站內(nèi)的循環(huán)泵、補水泵變頻器、電動調(diào)節(jié)閥進(jìn)行實時通信，經(jīng)過PLC軟件控制系統(tǒng)計算分析后，控制一次管網(wǎng)供水安裝電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)一次管網(wǎng)熱水瞬時流量，達(dá)到控制二次管網(wǎng)供水溫度的目的，實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控功能。換熱站自動控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)主要實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)連接后可接入熱電公司的上位機遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的無人值守自動運行功能。

圖1 換熱站控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

2 換熱站自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 硬件選型設(shè)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(tǒng)的主控制器，CX9000是一款設(shè)計安裝在DIN導(dǎo)軌上的緊湊型以太網(wǎng)控制器，采用基于XScale架構(gòu)的Intel IXP 420處理器，時鐘頻率為266MHz，系統(tǒng)為Windows CE的嵌入式操作系統(tǒng)。作為一款嵌入式控制器，它集中了工業(yè)PC和傳統(tǒng)PLC的優(yōu)勢，程序處理時間短，實時控制能力強且穩(wěn)定可靠[2]，配合TwinCAT自動化軟件可實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的編程設(shè)計。

倍福CX系列控制器的擴(kuò)展模塊可依據(jù)系統(tǒng)需求插接在一起，本文依據(jù)系統(tǒng)對模擬量、數(shù)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(shù)字量輸入端子模塊KL1408、數(shù)字量輸出端子模塊KL2408以及數(shù)字量輸入輸出端子模塊KL4022。另外，對于其他的現(xiàn)場控制設(shè)備，選用昆侖通態(tài)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(cè)熱網(wǎng)的閥門電動執(zhí)行器，選擇型號為ACS510的ABB變頻器實現(xiàn)對水泵的變頻控制。

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)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(shè)計，分別在TwinCAT和MCGS軟件的開發(fā)環(huán)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(tǒng)的軟件，支持國際工業(yè)控制編程語言的IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(jié)構(gòu)化文本（ST）共5種語言的編程，程序可滿足當(dāng)前集中供熱中控制系統(tǒng)軟件對實時性、穩(wěn)定性、安全性的要求。TwinCAT 開發(fā)環(huán)境中主要分為System Manager和PLC Control兩大部分，其中System Manager用于系統(tǒng)設(shè)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(zhí)行不同的TwinCAT操作，PLC control用于邏輯程序的編寫和調(diào)試。本文選擇TwinCAT PLC Control v2.11版本平臺環(huán)境編寫換熱站的運行程序[3]，各主要功能函數(shù)模塊化的描述如下：

（1）防掉電處理函數(shù)NOV_RAM()：程序每隔一秒自動保存一次設(shè)定或上位給定的數(shù)據(jù)。斷電后程序可讀取已保存的數(shù)據(jù)，變量的掉電保持是通過每個周期把變量當(dāng)前值復(fù)制到NOVRAM區(qū)來實現(xiàn)的，具體包括循環(huán)泵、補水泵、電動調(diào)節(jié)閥、補水電磁閥、溫度壓力設(shè)定值、PID參數(shù)值、保護(hù)報警設(shè)定值等。

（2）數(shù)據(jù)采集模塊：TCP_REAL()函數(shù)實現(xiàn)對溫度、壓力、液位值、電動調(diào)節(jié)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(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字量。TCP_BOOL()函數(shù)實現(xiàn)對循環(huán)泵、補水泵的遠(yuǎn)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(shù)Valve_Control()：依據(jù)液位判斷水箱的自動控制補水閥的開關(guān)，根據(jù)二次網(wǎng)供水、回水溫度的變化，通過計算PID值實現(xiàn)對一次網(wǎng)電動閥控制，并對閥門開度進(jìn)行相應(yīng)的限位保護(hù)。

（4）水泵PID值計算模塊：系統(tǒng)在手動、自動不同的工作模式下根據(jù)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(tǒng)循環(huán)泵和補水泵控制：系統(tǒng)根據(jù)液位（帶死區(qū)）、二次供水和回水欠壓、超壓保護(hù)等相關(guān)的邏輯控制，計算補水泵給定的頻率值，實現(xiàn)補水泵啟停控制和相關(guān)保護(hù)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(xiàn)與現(xiàn)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(diào)用TCP/IP功能塊，實現(xiàn)TCP/IP功能塊的連接、發(fā)送、接收等功能，可以在系統(tǒng)的程序運行時看到是否連接及發(fā)送成功。

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

圖2 觸摸屏的設(shè)計界面

2.3 程序下載與調(diào)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(xiàn)接管windowsCE操作系統(tǒng)桌面，根據(jù)系統(tǒng)的需求對嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)的配置。

在程序下載和調(diào)試前，需要使用網(wǎng)線作為連接線，實現(xiàn)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(rèn)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(lián)機調(diào)試PLC程序。整個程序啟動運行步驟描述為：系統(tǒng)上電開機后，PLC系統(tǒng)開始初始化狀態(tài)，主要包括系統(tǒng)自檢，對各種輸入信號進(jìn)行讀取，初始化全局變量和控制參數(shù)，之后系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)自動順序循環(huán)運行各程序模塊，實現(xiàn)對變頻器、電動調(diào)節(jié)閥等現(xiàn)場設(shè)備輸出控制。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用實例

將本文設(shè)計的系統(tǒng)應(yīng)用于以臨沂市集中供熱項目的某小區(qū)，設(shè)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(qū)運行：低區(qū)為1至15層，供暖面積為3.7萬平方米；高區(qū)為16至24層，高區(qū)供暖面積為2.4萬平方米。小區(qū)的所有建筑均為節(jié)能建筑，住戶的采暖方式均為地暖，換熱站建設(shè)在地下一層，使用自來水供水，采用板式換熱機組對應(yīng)分2個泵組運行，設(shè)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(huán)的變頻運行方式。根據(jù)換熱站的工程設(shè)計，每臺機組配備2臺板式換熱器、2臺循環(huán)水泵和2臺補水泵。

將換熱站自動控制系統(tǒng)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(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）作為服務(wù)器端，通過基于TCP/IP協(xié)議的Ethernet（以太網(wǎng)）完成實時通信，實現(xiàn)熱力公司調(diào)度中心對各換熱站點的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能[5]。該系統(tǒng)于2022年1月起投入運行，現(xiàn)導(dǎo)出換熱站2月份低區(qū)的壓力溫度運行數(shù)據(jù)如表1，從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，壓力、溫度數(shù)值運行表現(xiàn)良好，表明該設(shè)計系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，為嵌入式控制器在供熱系統(tǒng)中的設(shè)計及應(yīng)用提供了可靠的數(shù)據(jù)參考。

表1 換熱站2月份運行數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

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