基于台达PLC和HMI的换热站系统设计

       换热站是供热系统中的重要组成部分，本文以东北某小区换热站为例介绍了换热站监控系统的组成、功能及实现方法。本案例采用的控制系统为台达PLC，以此结合触摸屏进行现场数据采集。远程上位机使用组态王软件进行搭建，通过换热站与控制室之间的以太网通讯连接，实时监控供热工况，并根据现场情况及时调节换热站参数，提高换热站的自动化程度，降低运行成本，增强可靠性。

       传统换热站大多采用人工监控，一方面浪费人力，另一方面在出现事故隐患时操作人员难以发现，易造成热力失衡，影响供热效果，还会造成能源的极大浪费。如在换热站中引入PLC、触摸屏及上位监控系统等自控设备，可对现场设备实时监测和控制，不仅大大提高了工作效率，降低了故障发生率，还使控制过程更加直观、调节和控制更加方便。

1 换热站

       换热站自控系统按设备类型分，可分为温度及压力变送器、流量计电动调节阀、循环泵及补水泵；按控制回路分，则可分为一次管网流量控制回路和二次管网控制回路。

1.1  一次管网回路控制
       换热站的一次管网回路控制，主要是热负荷控制。通过控制调节一次管网回路上的电动调节阀，来调节流过换热站的一次管网热水的流量，从而实现对二次管网出水温度的控制。

1.2  二次管网循环泵控制
       换热站系统二次管网循环泵是通过变频器来调节控制的。一般循环泵采用供回水温差结合供回水压差的控制方式。控制系统根据实际情况，设定一个供回水压差目标值以满足二次管网的供暖水循环。在此基础上，PLC系统通过测量供回水温差来对循环泵进行修正。当二次管网供回水温差偏大时，则提高循环泵转速，加大二次网的流量，提高二次管网的回水温度，以改善供热效果；当二次管网供回水温差过小时，需适当降低循环泵转速，减小二次管网的流量，实现小流量大温差的运行模式。这种循环泵的控制方式可以起到节约电能及热能的效果。

1.3  二次管网定压补水控制
       二次管网的补水控制采用的是定压控制。当系统失水时，二次管网压力下降，系统会通过变频器控制补水泵以一定的转速进行补水，补水泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调速，从而避免补水泵在启动和停止时对二次管网系统的冲击。

2 系统设计
       该东北小区换热站以就地控制为核心，将现场的温度、压力、热量、流量、液位、阀门开度、泵的起停状态等信号传输到控制器，由其进行采集和控制，再通过以太网通讯的方式，与上位机保持实时连接。

2.1  现场仪表和执行机构
        换热站仪表和执行机构清单如表1所示。

2.2 硬件构成
       针对东北某小区换热站现场控制需求，台达PLC及触摸屏产品列表如表2。

2.3  PLC可编程控制器
       系统方案中主机CPU采用台达第二代PLC-DVP12SA2，该款PLC具有16k程序容量，自带3个串行通讯口（1个RS232，2个RS485），最大扩展数字量为480点，右侧可扩展8个特殊模块（包括AD、DA、PT、TC等），并且支持左侧高速扩展，可连接以太网模块及现场总线模块；同时，SA2提供丰富的应用指令（包括PID手自动无扰切换、气候补偿曲线等）。

       其中，12SA2是控制系统的核心，在换热站中其完成的主要功能如下：
       （1） 采集温度、压力、流量、液位、调节阀开度及变频器反鐀等仿真信号，并将其转换为数字信号，送至触摸屏及上位端；
       （2） 根据二次网供水温度和室外温度通过调节阀调节一次网供水流量，保证采暖效果；
       （3） 根据二次网回水压力调节补水泵电机转速，从而稳定管网压力；
       （4） 根据二次网供回水压差控制循环泵，维持压差稳定；
       （5） 当供水压力超过规定值时，打开泄压电磁阀泄压；
       （6） 做相关报警功能，当水箱水位高于或低于上下限时，发出报警。

       PLC部分程序如图1所示：

图1  PLC部分程序示意图

       PID手自动无扰切换：SA2系列PID指令支持手自动无扰切换功能，使热网运行更加稳定。当PID指令由自动模式切换到手动模式时（PID控制方式为K8），PID自动输出将停止运算，此时以手动输出值为准；当控制模式由手动切回自动时，PID指令会自动将前一个输出值接续控制下去（不重新做累积积分）。PID手自动无扰切换部分程序如图2：

图2  PID手自动无扰切换程序

       气候补偿曲线功能：在热网行业中，如能让控制温度根据室外温度进行相应的改变，将有利于供热量的调节，从而实现节能。台达公司根据热网行业而专门开发的气候补偿曲线DTM指令满足了上述需求。编程者在设置完室外温度与控制温度数组（最多50组）后，DTM指令会根据室外实际温度值自动调整控制温度值。
图3为气候补偿曲线示意图。其中，横轴为室外温度，纵轴为控制温度。
图4为东北某小区PLC气候补偿曲线程序。

图3  气候补偿曲线示意图

图4  气候补偿曲线程序

2.4  HMI触摸屏
       系统采用台达DOP-B07S515具有65536色TFT显示，支持三组串（RS232/RS485/RS422）。具有强大的通讯功能，同时开孔尺寸与5寸屏相同，在有限的空间内提供了最大的显示区域。

       B07S515触摸屏与PLC通过台达Q-LINK协议相连，通讯速率比常规通讯快百分之三十。通过配置触摸屏数据，可以改变PID设定值及参数，监控调节阀、循环泵和补水泵变频器运行工况，显示现场温度、压力、流量、液位等信号，内设报警极限值及报警记录画面，同时可将当前和历史数据以报表或曲线的方式在屏上显示出来，方便调节和控制整个工作过程。

       B07S515触摸屏通过RS485方式还与昌辉热表通讯，可以将热网的瞬时热量、累积流量和累积热量实时显示出来。图5及图6为触摸屏部分程序画面示意图。

 图5  换热站工艺画面
 
图6  参数设定画面

2.5  上位机与PLC通讯
       系统上位机采用组态王系统（6.53版本），组态王是一个开放的工业监控软件，组态王通过EN01网络模块与SA2主机相连，实时记录并控制换热站现场数据。
       组态王设置按如下步骤：
       (1) 在组态王工程项目里，选择“设备”，新建一个“设备配置向导”，在“PLC”的选项中，选择莫迪康ModbusTCP下的“TCP”，如图7所示。
       (2) 按照配置向导向下进行，随意选择一个COM口号（只要不与计算机冲突即可），如图8所示。
       (3) 向下进行，输入设备地址，组态王关于Modbus TCP连接方式的地址格式为IP[:Port] Address（IP:设备IP地址，Port:设备地址端口，默认为502，Address:设备地址），该系统中实际地址设置为192.168.1.5：502 01，如图8；
       (4) 向下继续进行，直到完成即可；
       (5) 组态王为标准Modbus协议，只需将SA2系列PLC的Modbus地址与其相加便可进行变量控制。

图7  设备选择示意图
 
图8  地址设置示意图

       此外，EN01-SL设置，则通过DCISoft软件配置EN01-SL网络模块，只需将IP地址设为192.168.1.5，启运Modbus TCP功能，便可使SA2系列PLC与上位机正常通讯。

2.6  变频器
       现场使用ABB公司的ACS510系列变频器两台，带动循环水泵与补水泵变频运行，实现节能调速。
15kW变频器带动两台循环泵运行（一用一备），3kW变频器带动一台补水泵。

2.7  其他
       该系统控制方案扩展性强，同时可连接GPRS无线模块，还可通过串行通讯或现场总线方式连接分布式IO，满足客户各种扩容需求。

3 结束语
       基于台达PLC和触摸屏为控制核心的东北某小区换热站系统投运三个月运行稳定，节能效果明显，方便了现场人员的监控与调试，在客户处取得了良好反响。随着国家对环保越来越重视和能源的匮乏，基于PLC为核心的集中供热系统在北方发展潜力巨大，希望本文能对我司自动化产品在热网行业的推广起到一定积极的意义。