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關鍵詞：一體化控制器；XLE103；GPRS
卞 盛 (1982—)
男，畢業于天津科技大學機械工程學院過程裝備與控制工程專業，研究方向為可編程控制器。
1 引言
北方的冬天天氣寒冷，各家各戶都需要暖氣過冬。因此各個居民區都要建立小區換熱站。換熱站主要應用于集中供熱系統，集中供熱系統具有熱慣性大、滯后明顯以及受溫度、天氣因素干擾較大等特點，使得整個系統調節控制難度增大，并且傳統的換熱控制大多數采用繼電器、變頻器等進行簡單控制，系統調節完全憑以往積累的經驗，運行維護的成本過高，效率低下。針對熱網調節中上述的狀況，采用計算機監控管理系統對熱網實行集中監控是一種行之有效的方法。該系統具有如下顯著的特點：
監控中心計算機通過各現場控制設備實時采集現場數據，監控整個供熱系統的關鍵數據，對熱網的水力工況和熱力工況進行綜合分析，然后根據熱力縫補狀況及時調整供熱溫度等參數，協調整個系統穩定、可靠的運行，充分發揮系統的最大效能，降低成本。
在地理位置相對分散的各換熱站中則采用美國Horner公司的一體化控制器（OCS）進行現場控制，通過先進的PID算法，克服了傳統PID控制器時間常數過大，調節慣性大，容易超調產生大幅度振蕩等缺點，同時通過一體化的人機界面現場顯示和操作十分方便。
通過串行通信協議與現場多臺變頻器進行實時通訊，采集變頻器的關鍵參數并不斷進行調整，使水泵工作在最佳狀態下。
在數據傳輸方面，通過先進的GPRS網絡與中心計算機實時通訊，節約了大量布有線網絡所造成的時間、人力、資金的消耗。
下面就針對上述幾部分內容進行詳細的說明。
2 高度集成的一體化OCS控制器簡介
您是否在PLC的應用過程中遇到過這樣的問題：I/O設備，PLC，顯示設備以及網絡分別來自于不同的廠家，要花許多時間、經費將他們集成到一起，而且可能還需要購買好幾種軟件包，很多培訓才能完成。這些無疑增加了工作的復雜程度，減緩了產品的研發投放速度，提高了產品的成本從而降低了企業的競爭力。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）就是把傳統的PLC控制器、人機界面HMI、輸入輸出點I/O和網絡Network集成到一起，僅用一套軟件就可以對整個系統的硬件配置、邏輯程序、網絡連接和人機界面進行配置和編輯，大大降低了工程師程序開發的時間和成本。Horner的OCS產品在歐美等發達國家有著非常廣泛的應用，其特別適合設備制造業、自動化生產線及各種DCS系統。美國Horner公司提出的一體化控制理念，越來越為業內人士所接受，正逐漸成為自動化控制行業的主流產品。
在本換熱系統中主要采用了HORNER X系列的兩款主流產品，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自己開發的Cscape，并且是免費的。系統配置圖如圖1所示，其中XLE103帶有一個小的操作員界面（128x64背光顯示，帶有16個功能鍵），并帶有內置I/O：12點直流輸入（正/負邏輯）兼容12/24V，12點直流輸出（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路高速計數器（10kHz）。XLE103自帶2個的RS232/485接口，支持PLC/Drive通訊協議和一個大容量可移動存儲器插槽（支持標準SD卡）。XLE有集成的CsCAN網絡端口用于高速通訊和I/O擴展。每個XLE都是直流供電。XLE能被安裝在DIN導軌上。LX300自帶 5.7寸標準彩色觸摸屏。支持CsCAN網絡接口和遠程I/O模塊（SmartStix）。
圖1 系統配置圖
3 OCS控制器具有靈活的PID控制功能和豐富的運 算能力
現代化的換熱站需要實現全自動的恒壓恒溫供水，因此PLC要根據現場變送器反饋回來的溫度壓力等參數來調整變頻器的頻率。控制兩臺循環泵和一臺補水泵的轉速，從而控制二次供熱的溫度和壓力。
此系統的PID完全由軟件編程實現，不需要添加任何外圍設備，最多可以實現8路獨立的PID控制。并且LX300的掃描速率在0.2ms左右，對PID的響應速度很快。其中最具優勢的是其具有參數自整定得功能，使最終用戶即使不具備PID理論知識也能快速進行PID調節，用戶只需開啟PID的自學習功能，PLC就可以根據工作狀況自動找出比例系數、積分時間、微分時間等參數。等到PID參數找到后就自動切入控制程序。
此換熱系統共需要3路PID控制：
（1）實現室外溫度補償，自動控制二次供水溫度功能，控制器既可以根據設定的供暖曲線和室外溫度的變化自動控制二次側出水溫度，又可以根據設定的固定出水溫度維持二次側出水溫度恒定，以滿足用戶最佳的節能效果需求。
（2）二次側循環變流量調節功能，控制器可以根據系統熱負荷的變化，調整循環泵的轉速，維持二次供、回水溫差（可以調整）恒定，達到最佳的供熱效率和節能效果。新啟動前有一段時間（可以調整）的延時警報，用以提醒可能在現場維護的工作人員注意自身安全。
（3）根據二次回水的壓力調節二次供水的流量，通過實時檢測二次管網回水的壓力，通過PID調節及時控制二次管網的流量閥，保證二次供水的恒壓。
4 OCS控制器與變頻器的通訊
在工業自動化控制系統中，最為常見的是PLC和變頻器的組合應用，并且產生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，其中采用RS-485通訊方式實施控制的方案得到廣泛的應用：因為它抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠且造價低廉。但是，RS-485的通訊必須解決數據編碼、求取校驗和、成幀、發送數據、接收數據的奇偶校驗、超時處理和出錯重發等一系列技術問題，一條簡單的變頻器操作指令，有時要編寫數十條PLC梯形圖指令才能實現，編程工作量大而且繁瑣，令設計者望而生畏。
圖 2
但是在OCS中這一切都變得非常簡單，只需要一個功能塊就可以實現Modbus所有的功能，即保留了RS-485通訊的優點，又省去了復雜的編程工作。圖3是編一段通訊程序的例子，可以看到OCS非常簡單的就從變頻器取得了想要的參數：
圖3
5 GPRS與OCS的完美結合
DTU是指數據終端設備（Data Terminate unit),可以理解為下位GPRS發射終端。使用GPRS的優點是實時在線，當有數據傳輸時才按流量收費，可以省去大量的布線、調試、維護工作，對于地理位置相對很遠的數據傳輸有很明顯的優勢。但是其本身也存在著一些弱點，比如說系統延時時間長（10秒左右），信號受周圍環境影響較大、運營商支持等。
對于此換熱系統，計算中心要求的數據實時性不高（1分鐘左右），而且各個換熱站地理位置相對很遠，所以特別適合應用此種傳輸方式進行PLC和上位機的通訊。
換熱控制中心監控畫面如圖4、圖5所示。
圖 4
圖 5
6 OCS的其他保護及報警功能
保護功能包括常規的過壓保護、欠壓保護、缺項保護、漏電保護、過流保護等功能。報警功能包括循環泵故障報警、補水泵故障報警、補水超壓報警、系統軟化水箱壓力過低報警、二次網回水壓力過低報警、換熱站故障停機報警等功能。
HORNER OCS產品首次采用了移動存儲技術，支持普通的SD卡或CF卡（最大可到2G）， 用于存儲歷史數據和報警信息。在本系統中采用了1G內存的SD卡實時存儲報警信息和進行數據備份，當需要查看時，只需將SD卡拔出并插到計算機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：
[1]陳禮, 吳勇華. 流體力學與熱工基礎.北京：清華大學出版社.
[2]金以慧. 過程控制.北京：清華大學出版社.
[3]賀平，孫剛. 供熱工程.北京：中國建筑工業出版社.
[4]WT Vanderslice Jr,CJ Scafidi A Dalgarno,Annual Review of Heating Supply.
作者信息：
卞 盛，秦雪峰，王華強（浩納爾（天津）自動化科技有限公司，天津 300192）
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號