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      基于臺達PLC和HMI的換熱站系統設計

      發布時間:2019-10-15 10:55:45 來源:臺達PLC 瀏覽:

          換熱站是供熱系統中的重要組成部分,本文以東北某小區換熱站為例介紹了換熱站監控系統的組成、功能及實現方法。本案例采用的控制系統為臺達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,實時監控供熱工況,并根據現場情況及時調節換熱站參數,提高換熱站的自動化程度,降低運行成本,增強可靠性。
          傳統換熱站大多采用人工監控,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、觸摸屏及上位監控系統等自控設備,可對現場設備實時監測和控制,不僅大大提高了工作效率,降低了故障發生率,還使控制過程更加直觀、調節和控制更加方便。
      1 換熱站
          換熱站自控系統按設備類型分,可分為溫度及壓力變送器、流量計電動調節閥、循環泵及補水泵;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。通過控制調節一次管網回路上的電動調節閥,來調節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 二次管網循環泵控制
          換熱站系統二次管網循環泵是通過變頻器來調節控制的。一般循環泵采用供回水溫差結合供回水壓差的控制方式。控制系統根據實際情況,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。在此基礎上,PLC系統通過測量供回水溫差來對循環泵進行修正。當二次管網供回水溫差偏大時,則提高循環泵轉速,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。這種循環泵的控制方式可以起到節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。當系統失水時,二次管網壓力下降,系統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的沖擊。
      2 系統設計
          該東北小區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 現場儀表和執行機構
      換熱站儀表和執行機構清單如表1所示。
      表1 儀表和執行機構清單
      2.2 硬件構成
          針對東北某小區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閥調節一次網供水流量,保證采暖效果;
      (3) 根據二次網回水壓力調節補水泵電機轉速,從而穩定管網壓力;
      (4) 根據二次網供回水壓差控制循環泵,維持壓差穩定;
      (5) 當供水壓力超過規定值時,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,發出報警。
      PLC部分程序如圖1所示:
      圖1 PLC部分程序示意圖
          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:
      圖2 PID手自動無擾切換程序
          氣候補償曲線功能:在熱網行業中,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,從而實現節能。臺達公司根據熱網行業而專門開發的氣候補償曲線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PLC氣候補償曲線程序。
      圖3 氣候補償曲線示意圖
      圖4 氣候補償曲線程序
      2.4 HMI觸摸屏
          系統采用臺達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域。
          B07S515觸摸屏與PLC通過臺達Q-LINK協議相連,通訊速率比常規通訊快百分之三十。通過配置觸摸屏數據,可以改變PID設定值及參數,監控調節閥、循環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5 換熱站工藝畫面
      圖6 參數設定畫面
      2.5 上位機與PLC通訊
          系統上位機采用組態王系統(6.53版本),組態王是一個開放的工業監控軟件,組態王通過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。
      組態王設置按如下步驟:
      (1) 在組態王工程項目里,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),該系統中實際地址設置為192.168.1.5:502 01,如圖8;
      (4) 向下繼續進行,直到完成即可;
      (5) 組態王為標準Modbus協議,只需將SA2系列PLC的Modbus地址與其相加便可進行變量控制。
      圖7 設備選擇示意圖
      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,帶動循環水泵與補水泵變頻運行,實現節能調速。
      15kW變頻器帶動兩臺循環泵運行(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換熱站系統投運三個月運行穩定,節能效果明顯,方便了現場人員的監控與調試,在客戶處取得了良好反響。隨著國家對環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在北方發展潛力巨大,希望本文能對我司自動化產品在熱網行業的推廣起到一定積極的意義。
      關鍵字:臺達PLC,熱換站,熱換站系統
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