一體化控制器OCS和GPRS在小區(qū)供熱中的應(yīng)用
    一、引言
       隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的日益提高，城市居民對(duì)居住環(huán)境的要求越來越高。 集中供熱是近年來國家提倡和要求的一項(xiàng)節(jié)能和環(huán)保工程，集中供熱改變了過去由單位鍋爐供熱造成的煙塵污染、供熱效率低下和難于管理等缺點(diǎn)；改由城市周邊的熱電廠的供熱機(jī)組提供熱源，在城市中建設(shè)熱交換站統(tǒng)一向用戶供熱。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。
       由我公司承擔(dān)設(shè)計(jì)和調(diào)試的華北及東北地區(qū)近百個(gè)生活小區(qū)換熱站控制系統(tǒng)均采用了目前自控行業(yè)的最新產(chǎn)品“一體化控制器”和GPRS技術(shù)，使該控制系統(tǒng)的各項(xiàng)功能指標(biāo)得到了顯著的提升，
    該系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：
      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。
    二、高度集成的一體化控制-“ALL IN ONE”新理念
         在本換熱系統(tǒng)中主要采用了美國HORNER公司 XL系列的兩款主流產(chǎn)品，小巧的緊湊型HEXE103控制器，和具有5.7寸真彩色觸摸屏的HEXL103控制器。這些產(chǎn)品的特點(diǎn)都是把傳統(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，所以稱之為“一體化控制器（OCS）”，僅用一套編程軟件就可以對(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)行配置和編程，并且該軟件是免費(fèi)的。系統(tǒng)配置圖如下，其中HEXE103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），可顯示圖形或曲線，HEXL103帶有5.7寸真彩色觸摸屏界面，這兩款控制器均帶有內(nèi)置I/O：12點(diǎn)直流輸入（正/負(fù)邏輯）兼容12/24伏，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），內(nèi)置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miniSD卡）。內(nèi)置的CsCAN網(wǎng)絡(luò)端口用于高速通訊和I/O擴(kuò)展。每個(gè)控制器都是直流供電。它們可以面板安裝或DIN導(dǎo)軌安裝。另外新增加的內(nèi)置以太網(wǎng)功能可支持Web瀏覽和FTP功能，該功能可以輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控。
    三、換熱站一體化控制器的配置圖
   
    四、 在小區(qū)供熱領(lǐng)域的功能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：
           1. 集成兩個(gè)485串口，支持Modbus RTU主從方式和多種通訊協(xié)議。
    2.支持郵件發(fā)送功能。
    3. Webserver功能，網(wǎng)頁監(jiān)控。
        4.梯形圖和畫面組態(tài)由一個(gè)軟件包來完成，省時(shí)方便。
    5.本體集成22-42個(gè)IO點(diǎn)，可擴(kuò)展I/O模塊。
    6.最多支持32路PID調(diào)節(jié)，支持自學(xué)習(xí)功能。
    7. 支持TF卡存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄。
    五、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)整比例調(diào)節(jié)閥和變頻器。通過控制一次網(wǎng)比例閥的開度和二次網(wǎng)循環(huán)泵和補(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)32路獨(dú)立的PID控制。并且CPU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)自整定的功能，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，其PID調(diào)節(jié)的具體畫面如下所示：
    此換熱系統(tǒng)共需要3路PID控制：
   
    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、回水壓差（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)補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，保證二次供水的恒壓。
    六、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。
    但是在OCS中這一切都變得非常簡(jiǎn)單，我們只需要一個(gè)功能塊就可以實(shí)現(xiàn)Modbus所有的功能，即保留了RS485通訊的優(yōu)點(diǎn)，又省去了復(fù)雜的編程工作。以下是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)：
   
   
    七、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)?？梢允∪ゴ罅康牟季€、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（10秒左右），信號(hào)受周圍環(huán)境影響較大、運(yùn)營商支持等。
    1、 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。
    2、 換熱控制中心監(jiān)控畫面如下：
     
   
    八、 系統(tǒng)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、補(bǔ)水箱水位過低、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miniSD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)中我們采用了2G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。
   
   
       如果現(xiàn)場(chǎng)控制器可以連接互聯(lián)網(wǎng)且擁有固定IP地址或動(dòng)態(tài)域名，則可利用OCS控制器內(nèi)置的Web訪問功能，輕松地實(shí)現(xiàn)異地的遠(yuǎn)程訪問，遠(yuǎn)端客戶只需通過IE瀏覽頁面即可實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，或?qū)υO(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程維護(hù)和調(diào)試。