基于PLC和HMI的換熱站系統(tǒng)
換熱站是供熱系統(tǒng)中的重要組成部分,本文以東北某小區(qū)換熱站為例介紹了換熱站監(jiān)控系統(tǒng)的組成、功能及實現方法。本案例采用的控制系統(tǒng)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(tài)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(jiān)控供熱工況,并根據現場情況及時調節(jié)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。
傳統(tǒng)換熱站大多采用人工監(jiān)控,一方面浪費人力,另一方面在出現事故隱患時操作人員難以發(fā)現,易造成熱力失衡,影響供熱效果,還會造成能源的極大浪費。如在換熱站中引入PLC、觸摸屏及上位監(jiān)控系統(tǒng)等自控設備,可對現場設備實時監(jiān)測和控制,不僅大大提高了工作效率,降低了故障發(fā)生率,還使控制過程更加直觀、調節(jié)和控制更加方便。
1 換熱站
換熱站自控系統(tǒng)按設備類型分,可分為溫度及壓力變送器、流量計電動調節(jié)閥、循環(huán)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。
1.1 一次管網回路控制
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(jié)一次管網回路上的電動調節(jié)閥,來調節(jié)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。
1.2 二次管網循環(huán)泵控制
換熱站系統(tǒng)二次管網循環(huán)泵是通過變頻器來調節(jié)控制的。一般循環(huán)泵采用供回水溫差結合供回水壓差的控制方式??刂葡到y(tǒng)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(huán)。在此基礎上,PLC系統(tǒng)通過測量供回水溫差來對循環(huán)泵進行修正。當二次管網供回水溫差偏大時,則提高循環(huán)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(huán)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(huán)泵的控制方式可以起到節(jié)約電能及熱能的效果。
1.3 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(tǒng)失水時,二次管網壓力下降,系統(tǒng)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(tǒng)的沖擊。
2 系統(tǒng)設計
該東北小區(qū)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(tài)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。
2.1 現場儀表和執(zhí)行機構
換熱站儀表和執(zhí)行機構清單如表1所示。
表1 儀表和執(zhí)行機構清單
2.2 硬件構成
針對東北某小區(qū)換熱站現場控制需求,臺達PLC及觸摸屏產品列表如表2。
表2 PLC及觸摸屏產品列表
2.3 PLC可編程控制器
系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(jié)閥調節(jié)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(jié)補水泵電機轉速,從而穩(wěn)定管網壓力;
(4) 根據二次網供回水壓差控制循環(huán)泵,維持壓差穩(wěn)定;
(5) 當供水壓力超過規(guī)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(fā)出報警。
PLC部分程序如圖1所示:
PID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(wěn)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(xù)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:
氣候補償曲線功能:在熱網行業(yè)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(jié),從而實現節(jié)能。臺達公司根據熱網行業(yè)而專門開發(fā)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(qū)PLC氣候補償曲線程序。
2.4 HMI觸摸屏
系統(tǒng)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(qū)域。
B07S515觸摸屏與PLC通過臺達Q-LINK協(xié)議相連,通訊速率比常規(guī)通訊快百分之三十。通過配置觸摸屏數據,可以改變PID設定值及參數,監(jiān)控調節(jié)閥、循環(huán)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(jié)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。圖5及圖6為觸摸屏部分程序畫面示意圖。
圖6 參數設定畫面
2.5 上位機與PLC通訊
系統(tǒng)上位機采用組態(tài)王系統(tǒng)(6.53版本),組態(tài)王是一個開放的工業(yè)監(jiān)控軟件,組態(tài)王通過EN01網絡模塊與SA2主機相連,實時記錄并控制換熱站現場數據。
組態(tài)王設置按如下步驟:
(1) 在組態(tài)王工程項目里,選擇“設備”,新建一個“設備配置向導”,在“PLC”的選項中,選擇莫迪康ModbusTCP下的“TCP”,如圖7所示。
(2) 按照配置向導向下進行,隨意選擇一個COM口號(只要不與計算機沖突即可),如圖8所示。
(3) 向下進行,輸入設備地址,組態(tài)王關于Modbus TCP連接方式的地址格式為IP[:Port] Address(IP:設備IP地址,Port:設備地址端口,默認為502,Address:設備地址),該系統(tǒng)中實際地址設置為192.168.1.5:502 01,如圖8;
(4) 向下繼續(xù)進行,直到完成即可;
(5) 組態(tài)王為標準Modbus協(xié)議,只需將SA2系列PLC的Modbus地址與其相加便可進行變量控制。
圖8 地址設置示意圖
此外,EN01-SL設置,則通過DCISoft軟件配置EN01-SL網絡模塊,只需將IP地址設為192.168.1.5,啟運Modbus TCP功能,便可使SA2系列PLC與上位機正常通訊。
2.6 變頻器
現場使用ABB公司的ACS510系列變頻器兩臺,帶動循環(huán)水泵與補水泵變頻運行,實現節(jié)能調速。
15kW變頻器帶動兩臺循環(huán)泵運行(一用一備),3kW變頻器帶動一臺補水泵。
2.7 其他
該系統(tǒng)控制方案擴展性強,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 結束語
基于臺達PLC和觸摸屏為控制核心的東北某小區(qū)換熱站系統(tǒng)投運三個月運行穩(wěn)定,節(jié)能效果明顯,方便了現場人員的監(jiān)控與調試,在客戶處取得了良好反響。隨著國家對環(huán)保越來越重視和能源的匱乏,基于PLC為核心的集中供熱系統(tǒng)在北方發(fā)展?jié)摿薮螅M疚哪軐ξ宜咀詣踊a品在熱網行業(yè)的推廣起到一定積極的意義。
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