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關(guān)鍵詞：一體化控制器；XLE103；GPRS
卞 盛 (1982—)
男，畢業(yè)于天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院過程裝備與控制工程專業(yè)，研究方向?yàn)榭删幊炭刂破鳌?BR>
1 引言
北方的冬天天氣寒冷，各家各戶都需要暖氣過冬。因此各個(gè)居民區(qū)都要建立小區(qū)換熱站。換熱站主要應(yīng)用于集中供熱系統(tǒng)，集中供熱系統(tǒng)具有熱慣性大、滯后明顯以及受溫度、天氣因素干擾較大等特點(diǎn)，使得整個(gè)系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制難度增大，并且傳統(tǒng)的換熱控制大多數(shù)采用繼電器、變頻器等進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，系統(tǒng)調(diào)節(jié)完全憑以往積累的經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行維護(hù)的成本過高，效率低下。針對(duì)熱網(wǎng)調(diào)節(jié)中上述的狀況，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控管理系統(tǒng)對(duì)熱網(wǎng)實(shí)行集中監(jiān)控是一種行之有效的方法。該系統(tǒng)具有如下顯著的特點(diǎn)：
監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)通過各現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個(gè)供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對(duì)熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進(jìn)行綜合分析，然后根據(jù)熱力縫補(bǔ)狀況及時(shí)調(diào)整供熱溫度等參數(shù)，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，充分發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，降低成本。
在地理位置相對(duì)分散的各換熱站中則采用美國Horner公司的一體化控制器（OCS）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，通過先進(jìn)的PID算法，克服了傳統(tǒng)PID控制器時(shí)間常數(shù)過大，調(diào)節(jié)慣性大，容易超調(diào)產(chǎn)生大幅度振蕩等缺點(diǎn)，同時(shí)通過一體化的人機(jī)界面現(xiàn)場(chǎng)顯示和操作十分方便。
通過串行通信協(xié)議與現(xiàn)場(chǎng)多臺(tái)變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，采集變頻器的關(guān)鍵參數(shù)并不斷進(jìn)行調(diào)整，使水泵工作在最佳狀態(tài)下。
在數(shù)據(jù)傳輸方面，通過先進(jìn)的GPRS網(wǎng)絡(luò)與中心計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)通訊，節(jié)約了大量布有線網(wǎng)絡(luò)所造成的時(shí)間、人力、資金的消耗。
下面就針對(duì)上述幾部分內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的說明。
2 高度集成的一體化OCS控制器簡(jiǎn)介
您是否在PLC的應(yīng)用過程中遇到過這樣的問題：I/O設(shè)備，PLC，顯示設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)分別來自于不同的廠家，要花許多時(shí)間、經(jīng)費(fèi)將他們集成到一起，而且可能還需要購買好幾種軟件包，很多培訓(xùn)才能完成。這些無疑增加了工作的復(fù)雜程度，減緩了產(chǎn)品的研發(fā)投放速度，提高了產(chǎn)品的成本從而降低了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。那么有什么辦法可以解決這些問題呢？
美國Horner一體化控制器（OCS）就是把傳統(tǒng)的PLC控制器、人機(jī)界面HMI、輸入輸出點(diǎn)I/O和網(wǎng)絡(luò)Network集成到一起，僅用一套軟件就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件配置、邏輯程序、網(wǎng)絡(luò)連接和人機(jī)界面進(jìn)行配置和編輯，大大降低了工程師程序開發(fā)的時(shí)間和成本。Horner的OCS產(chǎn)品在歐美等發(fā)達(dá)國家有著非常廣泛的應(yīng)用，其特別適合設(shè)備制造業(yè)、自動(dòng)化生產(chǎn)線及各種DCS系統(tǒng)。美國Horner公司提出的一體化控制理念，越來越為業(yè)內(nèi)人士所接受，正逐漸成為自動(dòng)化控制行業(yè)的主流產(chǎn)品。
在本換熱系統(tǒng)中主要采用了HORNER X系列的兩款主流產(chǎn)品，小巧的緊湊型XLE103，和具有5.7寸彩色觸摸屏的LX300。編程軟件使用Horner自己開發(fā)的Cscape，并且是免費(fèi)的。系統(tǒng)配置圖如圖1所示，其中XLE103帶有一個(gè)小的操作員界面（128x64背光顯示，帶有16個(gè)功能鍵），并帶有內(nèi)置I/O：12點(diǎn)直流輸入（正/負(fù)邏輯）兼容12/24V，12點(diǎn)直流輸出（每通道最大0.5A), 2通道10-bit模擬輸入（0-10V/4-20mA)，2路脈沖/PWM輸出功能，另外還可配置4路高速計(jì)數(shù)器（10kHz）。XLE103自帶2個(gè)的RS232/485接口，支持PLC/Drive通訊協(xié)議和一個(gè)大容量可移動(dòng)存儲(chǔ)器插槽（支持標(biāo)準(zhǔn)SD卡）。XLE有集成的CsCAN網(wǎng)絡(luò)端口用于高速通訊和I/O擴(kuò)展。每個(gè)XLE都是直流供電。XLE能被安裝在DIN導(dǎo)軌上。LX300自帶 5.7寸標(biāo)準(zhǔn)彩色觸摸屏。支持CsCAN網(wǎng)絡(luò)接口和遠(yuǎn)程I/O模塊（SmartStix）。
圖1 系統(tǒng)配置圖
3 OCS控制器具有靈活的PID控制功能和豐富的運(yùn) 算能力
現(xiàn)代化的換熱站需要實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的恒壓恒溫供水，因此PLC要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變送器反饋回來的溫度壓力等參數(shù)來調(diào)整變頻器的頻率?？刂苾膳_(tái)循環(huán)泵和一臺(tái)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制二次供熱的溫度和壓力。
此系統(tǒng)的PID完全由軟件編程實(shí)現(xiàn)，不需要添加任何外圍設(shè)備，最多可以實(shí)現(xiàn)8路獨(dú)立的PID控制。并且LX300的掃描速率在0.2ms左右，對(duì)PID的響應(yīng)速度很快。其中最具優(yōu)勢(shì)的是其具有參數(shù)自整定得功能，使最終用戶即使不具備PID理論知識(shí)也能快速進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，用戶只需開啟PID的自學(xué)習(xí)功能，PLC就可以根據(jù)工作狀況自動(dòng)找出比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間等參數(shù)。等到PID參數(shù)找到后就自動(dòng)切入控制程序。
此換熱系統(tǒng)共需要3路PID控制：
（1）實(shí)現(xiàn)室外溫度補(bǔ)償，自動(dòng)控制二次供水溫度功能，控制器既可以根據(jù)設(shè)定的供暖曲線和室外溫度的變化自動(dòng)控制二次側(cè)出水溫度，又可以根據(jù)設(shè)定的固定出水溫度維持二次側(cè)出水溫度恒定，以滿足用戶最佳的節(jié)能效果需求。
（2）二次側(cè)循環(huán)變流量調(diào)節(jié)功能，控制器可以根據(jù)系統(tǒng)熱負(fù)荷的變化，調(diào)整循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，維持二次供、回水溫差（可以調(diào)整）恒定，達(dá)到最佳的供熱效率和節(jié)能效果。新啟動(dòng)前有一段時(shí)間（可以調(diào)整）的延時(shí)警報(bào)，用以提醒可能在現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)的工作人員注意自身安全。
（3）根據(jù)二次回水的壓力調(diào)節(jié)二次供水的流量，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)二次管網(wǎng)回水的壓力，通過PID調(diào)節(jié)及時(shí)控制二次管網(wǎng)的流量閥，保證二次供水的恒壓。
4 OCS控制器與變頻器的通訊
在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，最為常見的是PLC和變頻器的組合應(yīng)用，并且產(chǎn)生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，其中采用RS-485通訊方式實(shí)施控制的方案得到廣泛的應(yīng)用：因?yàn)樗垢蓴_能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)且造價(jià)低廉。但是，RS-485的通訊必須解決數(shù)據(jù)編碼、求取校驗(yàn)和、成幀、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗(yàn)、超時(shí)處理和出錯(cuò)重發(fā)等一系列技術(shù)問題，一條簡(jiǎn)單的變頻器操作指令，有時(shí)要編寫數(shù)十條PLC梯形圖指令才能實(shí)現(xiàn)，編程工作量大而且繁瑣，令設(shè)計(jì)者望而生畏。
圖 2
但是在OCS中這一切都變得非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)功能塊就可以實(shí)現(xiàn)Modbus所有的功能，即保留了RS-485通訊的優(yōu)點(diǎn)，又省去了復(fù)雜的編程工作。圖3是編一段通訊程序的例子，可以看到OCS非常簡(jiǎn)單的就從變頻器取得了想要的參數(shù)：
圖3
5 GPRS與OCS的完美結(jié)合
DTU是指數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminate unit),可以理解為下位GPRS發(fā)射終端。使用GPRS的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)在線，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才按流量收費(fèi)，可以省去大量的布線、調(diào)試、維護(hù)工作，對(duì)于地理位置相對(duì)很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸有很明顯的優(yōu)勢(shì)。但是其本身也存在著一些弱點(diǎn)，比如說系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)（10秒左右），信號(hào)受周圍環(huán)境影響較大、運(yùn)營商支持等。
對(duì)于此換熱系統(tǒng)，計(jì)算中心要求的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性不高（1分鐘左右），而且各個(gè)換熱站地理位置相對(duì)很遠(yuǎn)，所以特別適合應(yīng)用此種傳輸方式進(jìn)行PLC和上位機(jī)的通訊。
換熱控制中心監(jiān)控畫面如圖4、圖5所示。
圖 4
圖 5
6 OCS的其他保護(hù)及報(bào)警功能
保護(hù)功能包括常規(guī)的過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺項(xiàng)保護(hù)、漏電保護(hù)、過流保護(hù)等功能。報(bào)警功能包括循環(huán)泵故障報(bào)警、補(bǔ)水泵故障報(bào)警、補(bǔ)水超壓報(bào)警、系統(tǒng)軟化水箱壓力過低報(bào)警、二次網(wǎng)回水壓力過低報(bào)警、換熱站故障停機(jī)報(bào)警等功能。
HORNER OCS產(chǎn)品首次采用了移動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)，支持普通的SD卡或CF卡（最大可到2G）， 用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。在本系統(tǒng)中采用了1G內(nèi)存的SD卡實(shí)時(shí)存儲(chǔ)報(bào)警信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)備份，當(dāng)需要查看時(shí)，只需將SD卡拔出并插到計(jì)算機(jī)上就可以打開全部文件，而且所有文件均可以存為EXCEL格式。
參考文獻(xiàn)：
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作者信息：
卞 盛，秦雪峰，王華強(qiáng)（浩納爾（天津）自動(dòng)化科技有限公司，天津 300192）
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)