基于西门子PROFINET的智能换热站系统设计和应用
- 关键词：PROFIBUS,,PROFINET,现场总线,,,换热站
- 摘要：PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准
一、 PROFINET概况
PROFIBUS 是目前国际上通用的现场总线标准之一，以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规，已成为最重要的现场总线标准。PROFIBUS符合RS485标准，也就是说PROFIBUS的物理介质是RS485，因此电器PROFIBUS的传输距离受到传输速率的限制，总线的传输波特率9.6Kbit-12Mbit。在复杂的工业现场PROFIBUS在传输速率、传输距离和抗干扰性能上还是率逊一筹。
PROFINET以IEEE802.3为基础，采用100Mbit/s的快速以太网和交换技术。作为跨供应商的技术，可以完全兼容工业以太网和现有的现场总线（如PROFIBUS）技术，保护现有投资。通过代理服务器技术，PROFINET可以无缝的集成现场总线PROFIBUS和其它总线标准。
PROFINET支持线性、星型、树状及环形构架，为自动化通信领域提供了高速传输通道和优良的抗干扰介质。如图1所以，其功能包括8个主要方面：实时通讯、分布式现场设备、运动控制、分布式自动化、网络安装、IT标准和信息安全、故障安全和过程自动化。
二、换热站系统发展现状
目前国内市场上存在一些相关的控制系统，主要存在以下缺陷：
（1）精确性较高但没有智能性：一些基于PLC技术的换热站控制系统，将过去的机械控制设备更新为电子控制装置，提高了控制的精确性，但某些控制参数仍然依靠工作人员的经验来设定。经验值很显然是不能满足所有用户的需求，这样就不能保证热资源的充分利用。
（2）控制缺乏实时性：换热站管理人员按固定时间检查各仪表参数，然后根据仪表数据设置控制参数，不能及时根据反馈调整控制参数，不能使供热量与需热量实时保持一致，造成热量不足或浪费。
（3）没有实现换热站的集中管理与控制：换热站独立管理，独立控制，供热质量和节能减排效益因工作人员的经验水平体现出较大差异。
近年来，国家提倡节能减排、低碳生活。所以对换热站的智能化、节能减排要求也逐步的提高。由于每户的位置不同、面积不同、人口数量不同、需要的热量也不尽相同。有的用户由于在管网的末端，所以热量明显的不够。有的用户在管网的前端，热量过剩，有的甚至需要开门窗放热。这样就造成了热量的大量浪费。热资源利用率也大大的降低。所以，分户计量热流量、室内外温度反馈、换热站无人值守等也必将成为未来换热站系统发展的一种趋势。
三、智能换热站系统
智能换热站系统总体结构如图2所示。
红色箭头所示为一次进水和一次回水管路；蓝色箭头所示为二次进水和二次回水管路；绿色箭头为补水管路。循环泵和补水泵可根据供热规模和用户要求增加多个备用泵，工频和变频工作模式可选。
管网各处进出水口都配有温度和压力传感器。实时反馈温度和压力，真正的做到实时调节管网各个部分泵的工作频率和阀门开度，以确保热用户的室内温度平衡，既不会温度不达标，也不会热量过剩，造成热浪费。
整个系统控制部分分成三个模块。调节阀温度控制、循环泵压力控制和补水泵压力控制。
1、调节阀温度控制
调节阀的开度直接影响二次网的进水温度。系统可以手动设定调节阀的开度，也可以根据二次网进水温度的设定值与二次网进水温度当前值进行PID计算。调节结果是，二次网进水温度达到设定值，调节阀开度维持在一个恒定值。
2、循环泵压力控制
如果二次网当前进水压力值小于设定压力值，则提高循环泵工作频率，反之降低其工作频率。
调节的结果是，二次网进水压力等于额定压力值，循环泵保持恒定工作频率；
3、补水泵压力控制
水在循环的过程中，由于各种原因，水压是逐渐变小的。如果二次网当前回水压力值小于设定压力值，则提高补水泵工作频率，反之降低其工作频率。二次网回水压力等于设定压力值，补水泵停止工作。
系统控制功能分为手动和自动两种，手自动切换和各种参数都是通过触摸屏输入。触摸屏的操作界面直观明了。
四、 PROFINET技术在智能换热站系统中的应用。
本系统选用西门子S7-1200系列控制器，该系列控制器使用灵活，功能强大，结构紧凑，内置PROFINET。
系统控制结构如图6所示。单站的最基本配置包括工控机、PLC和触摸屏。系统的运行状态和各种参数在触摸屏和工控机上监控。控制方式的选择、运行参数设定、调节阀和循环泵补水泵的启动和停止在触摸屏上设定。一般循环泵和补水泵都选择一备一用，也可多个备用。
在确定了网络组态的前提下，PROFINET通过IP地址来建立主站与分布式设备之间的通讯。PROFINET的传输率保证了系统的实时性，使系统的升级扩展空间大大的提高。同时也能很好的融合现有的PROBUS网络。西门子新版本STEP7BASIC软件集设备和网络组态、PLC编程、HMI组态、在线诊断于一身。大大缩短了控制系统的开发周期。更便于整个系统的联合调试。在设备和网络组态模块下，配置工控机、PLC和触摸屏的IP地址。
五、 系统优化与展望
随着无线技术的日趋成熟，换热站全自动运行，无人值守功能也将逐步的被广大用户接纳与采用。
本系统采用中国移动GPRS通讯方式。热网监控系统功能可以分为三部分，远程采集、远程控制、远程调试。
1、根据需求不同远程数据采集可以定时采集，也可以循环采集，即可以采集当前的实时数据，也可以采集过去的历史数据。
2、远程控制是无人值守换热站的重要环节，包括对阀门的控制（手动开关阀门）、控制策略的选择（经验调节、定温调节、手动调节等）供水温度值的设定、循环泵的起停、补水泵的起停等。
3、远程调试不但解决了数据的远程采集和控制，还可以实现现场控制器的远程维护，修改控制策略，修改报警参数值，等等。可以减少去现场的次数，并且可以迅速的了解现场控制器的工作情况，大大提高了工作效率。
本系统的使用，不但能大大节约能源和人力，也将使我国的智能换热站系统向国际先进水平更近一步