一体化控制器OCS和GPRS在小区供热中的应用

  随着国民经济的不断发展和人民生活水平的日益提高，城市居民对居住环境的要求越来越高。 集中供热是近年来国家提倡和要求的一项节能和环保工程，集中供热改变了过去由单位锅炉供热造成的烟尘污染、供热效率低下和难于管理等缺点；改由城市周边的热电厂的供热机组提供热源，在城市中建设热交换站统一向用户供热。集中供热系统具有热惯性大、滞后明显以及受温度、天气因素干扰较大等特点，使得整个系统调节控制难度增大，并且传统的换热控制大多数采用继电器、变频器等进行简单控制，系统调节*凭以往积累的经验，运行维护的成本过高，效率低下。针对热网调节中上述的状况，采用计算机监控管理系统对热网实行集中监控是一种行之有效的方法。
    由我公司承担设计和调试的华北及东北地区近百个生活小区换热站控制系统均采用了目前自控行业的最新产品“一体化控制器”和GPRS技术，使该控制系统的各项功能指标得到了显著的提升，
    该系统的特点如下：
    监控中心计算机通过各现场控制设备实时采集现场数据，监控整个供热系统的关键数据，对热网的水力工况和热力工况进行综合分析，然后根据热力缝补状况及时调整供热温度等参数，协调整个系统稳定、可靠的运行，充分发挥系统的最大效能，降低成本。
    在地理位置相对分散的各换热站中采用美国HORNER公司的一体化控制器（OCS）进行现场控制，通过*的PID算法，克服了传统PID控制器时间常数过大，调节惯性大，容易超调产生大幅度振荡等缺点，同时通过一体化的人机界面现场显示和操作十分方便。
    通过串行通信协议与现场多台变频器进行实时通讯，采集变频器的关键参数并不断进行调整，使水泵工作在最佳状态下。
    在数据传输方面，通过*的GPRS网络与中心计算机实时通讯，节约了大量布线网络所造成的时间、人力、资金的消耗。下面就针对上述几部分内容进行详细的说明。
    二、高度集成的一体化控制-“ALL IN ONE”新理念
    在本换热系统中主要采用了美国HORNER公司 XL系列的两款主流产品，小巧的紧凑型HEXE103控制器，和具有5.7寸真彩色触摸屏的HEXL103控制器。这些产品的特点都是把传统的PLC控制器、人机界面HMI、输入输出点I/O和网络Network集成到一起，所以称之为“一体化控制器（OCS）”，仅用一套编程软件就可以对整个系统的硬件配置、逻辑程序、网络连接和人机界面进行配置和编程，并且该软件是免费的。系统配置图如下，其中HEXE103带有一个小的操作员界面（128x64背光显示，带有16个功能键），可显示图形或曲线，HEXL103带有5.7寸真彩色触摸屏界面，这两款控制器均带有内置I/O：12点直流输入（正/负逻辑）兼容12/24伏，12点直流输出（每通道最大0.5A), 2通道10-bit模拟输入（0-10V/4-20mA). 2路脉冲/PWM输出功能，另外还可配置4路高速计数器（10kHz），内置2个的RS232/485接口，支持PLC/Drive通讯协议和一个大容量可移动存储器插槽（支持miniSD卡）。内置的CsCAN网络端口用于高速通讯和I/O扩展。每个控制器都是直流供电。它们可以面板安装或DIN导轨安装。另外新增加的内置以太网功能可支持Web浏览和FTP功能，该功能可以轻松实现远程维护和监控。
    三、换热站一体化控制器的配置图
   
    四、 在小区供热领域的功能特点和优势：
    1. 集成两个485串口，支持Modbus RTU主从方式和多种通讯协议。
    2.支持邮件发送功能。
    3. Webserver功能，网页监控。
    4.梯形图和画面组态由一个软件包来完成，省时方便。
    5.本体集成22-42个IO点，可扩展I/O模块。
    6.最多支持32路PID调节，支持自学习功能。
    7. 支持TF卡存储，可实现数据记录。
    五、灵活的PID控制功能和丰富的运算能力
    现代化的换热站需要实现全自动的恒压恒温供水，因此PLC要根据现场变送器反馈回来的温度压力等参数来调整比例调节阀和变频器。通过控制一次网比例阀的开度和二次网循环泵和补水泵的转速，从而控制二次供热的温度和压力。
    此系统的PID*由软件编程实现，不需要添加任何外围设备，最多可以实现32路独立的PID控制。并且CPU的扫描速率在0.2ms左右，对PID的响应速度很快。其中*优势的是其具有参数自整定的功能，使最终用户即使不具备PID理论知识也能快速进行PID调节，用户只需开启PID的自学习功能，PLC就可以根据工作状况自动找出比例系数、积分时间、微分时间等参数。等到PID参数找到后就自动切入控制程序，其PID调节的具体画面如下所示：
    此换热系统共需要3路PID控制：
   
    实现室外温度补偿，自动控制二次供水温度功能，控制器既可以根据设定的供暖曲线和室外温度的变化自动控制二次侧出水温度，又可以根据设定的固定出水温度维持二次侧出水温度恒定，以满足用户最佳的节能效果需求。
    2、 二次侧循环变流量调节功能，控制器可以根据系统热负荷的变化，调整循环泵的转速，维持二次供、回水压差（可以调整）恒定，达到最佳的供热效率和节能效果。新启动前有一段时间（可以调整）的延时警报，用以提醒可能在现场维护的工作人员注意自身安全。
   
    3、根据二次回水的压力调节补水泵转速，保证二次供水的恒压。
    六、OCS控制器与变频器的通讯
    在工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC和变频器的组合应用，并且产生了多种多样的PLC控制变频器的方法，其中采用RS-485通讯方式实施控制的方案得到广泛的应用：因为它抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉。但是，RS-485的通讯必须解决数据编码、求取校验和、成帧、发送数据、接收数据的奇偶校验、超时处理和出错重发等一系列技术问题，一条简单的变频器操作指令，有时要编写数十条PLC梯形图指令才能实现，编程工作量大而且繁琐，令设计者望而生畏。
    但是在OCS中这一切都变得非常简单，我们只需要一个功能块就可以实现Modbus所有的功能，即保留了RS485通讯的优点，又省去了复杂的编程工作。以下是一段通讯程序的例子，可以看到OCS非常简单的就从变频器取得了想要的参数：
   
   
    七、GPRS与OCS结合
    DTU是指数据终端设备（Data Terminate unit),可以理解为下位GPRS发射终端。使用GPRS的优点是实时在线，当有数据传输时才按流量收费。可以省去大量的布线、调试、维护工作，对于地理位置相对很远的数据传输有很明显的优势。但是其本身也存在着一些弱点，比如说系统延时时间长（10秒左右），信号受周围环境影响较大、运营商支持等。
    1、 对于此换热系统，计算中心要求的数据实时性不高（1分钟左右），而且各个换热站地理位置相对很远，所以特别适合应用此种传输方式进行PLC和上位机的通讯。
    2、 换热控制中心监控画面如下：
   
   
    八、 系统的其他保护及报警功能
    保护功能包括常规的过压保护、欠压保护、缺项保护、漏电保护、过流保护等功能。报警功能包括循环泵故障报警、补水泵故障报警、补水超压报警、补水箱水位过低、二次网回水压力过低报警、换热站故障停机报警等功能。
    HORNER OCS产品采用了移动存储技术，支持miniSD卡或CF卡（最大可到2G）， 用于存储历史数据和报警信息。在本系统中我们采用了2G内存的SD卡实时存储报警信息和进行数据备份，当需要查看时，只需将SD卡拔出并插到计算机上就可以打开全部文件，而且所有文件均可以存为EXCEL格式。
   
   
    如果现场控制器可以连接互联网且拥有固定IP地址或动态域名，则可利用OCS控制器内置的Web访问功能，轻松地实现异地的远程访问，远端客户只需通过IE浏览页面即可实时监控现场设备的工作状态，或对设备进行远程维护和调试。