沈磊，郭西进，苑存超

（中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州221008）

集中供暖是我国目前广泛使用的供暖方式，它能够减少对环境的污染，充分有效地利用能源[1]。

由于部分城市供热系统规模的不断扩大，整个供热系统的控制和管理也日趋复杂。 因此，采用工业控制技术对热交换站实现过程控制和监控管理已成为必然的趋势。

1 控制方案

目前，对换热站控制系统的自动化改造分为2 种方式：第1 种是集中式控制，就是在换热站现场完成对供热温度的调节和对设备运行的监控；第2 种是现场与控制室分级式控制，控制室负责整个参数的监视以及对总供热量、总循环流量的调度与调控，而现场只是组成整个控制系统，提供设备运行的场所。 由于大屯煤电换热站实地面积不大，设备运行时的噪声较大，再加上第1 种改造方式灵活性较差，所以采用分级式控制。 这种控制方案比较灵活，也能满足供热系统实际的需要。 按照分级式控制的方案对换热站进行以下几个方面的改造。

1）现场的控制系统。以OCS 控制为核心的换热站控制系统，现场的阀门开度、一次供水的温度和压力、二次回水的温度和压力、蒸汽的温度和压力等信号通过A/D 转换传输到控制器中，进行实地的控制。

2）控制室的监控。 通过上位机的组态软件绘制出与实地换热站相似的模拟画面，做好相关控制变量的数据连接； 绘制出实时曲线和报警等画面，从而能够更加直观地反映出控制现场的情景。

3）无线通讯。利用DTU 模块与控制器进行连接，采集到现场的实时数据，通过GPRS-Internet网络传输到控制室的监控计算机中，便于操作人员对现场的实时监控。

1.1 工艺流程

如图1所示，室外的温度传感器采集到室外温度传送到控制器，通过控制器来对调节阀的开度进行控制，控制蒸汽流量，通过热交换器实现给用户供热； 同时根据室外温度及用户的需求量，控制器对变频器的及时控制，产生一定的节能效果。 当二次回水的水量不够时，通过补水箱对其补水。 而热交换器产生的冷凝水直接流入补水箱进行补充。

图1 工艺流程图Fig.1 The flow diagram of craft

1.2 模糊PID 控制

PID 控制是当今工业自动化广泛运用的工程技术手段之一，以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而著称。 但是常规的PID 在一些非线性、时变系统中很难达到预期的控制效果。 而模糊PID 控制整合了模糊控制器和常规PID 控制的优点，既能够消除稳态误差，又能对一些非线性、时变系统有着很好的控制效果。 由于换热站温度控制具有非线性滞后的特点，所以必须采用模糊PID 控制[2]。

模糊PID 控制器的结构如图2所示，其分为常规PID 和模糊控制器2 个部分。 在运行中，系统通过不断地检测偏差e 和偏差变化率ec，将其模糊化并输入模糊控制器； 在进行模糊推理、模糊运算后，对PID 的3 个参数进行修改，以满足不同控制对象的要求。

实验仿真结果如图3所示，模糊PID 控制比常规PID 控制超调量小，更加快速地达到稳态，克服了非线性滞后，控制效果相当不错。

图3 2 条控制曲线的比较Fig.3 The comparison of the two curves

1.3 循环泵变频控制

利用OCS 控制器与变频器进行串行通讯，解决循环泵始终以一成不变的转速进行工作的问题，能够节约一定的能量消耗。 通过ModbusRTU通讯协议和RS-485 的通讯方式实现OCS 控制器与变频器进行通信[3]。 利用二次供水和二次回水的压力差，即启动第1 台循环泵让其在变频状态下工作，如果它的满量程输出也不够要求的话，启动第2 台循环泵，让其在变频下工作，将第1 台切换成工频下工作。

系统通过OCS 控制器来控制变频器，通过变频器适时适量地控制循环泵电机的转速来调节循环泵的输出流量，满足供暖的负荷要求，从而使电机在整个负荷变化过程中的能量消耗降低到最小，达到一定的节能效果[4]。

2 系统的硬件设计

系统的硬件设计就是指现场的仪器仪表与OCS 控制器，通过A/D 转换将采集的数据传输到控制器中，进行实地的控制。

1）换热控制柜。 内置控制器选用美国HORNER 公司研发的XL 系列的XL6-HEXL105型OCS 控制器，选用了SmartSttix I/O 模块，24 V开关电源模块，断路器模块等。

2）传感器、执行器、变频器的选型。 室外的温度传感器选用VTH4 型挂壁式温度传感器，现场的温度传感器选用EX-VT1051 型温度传感器，现场的压力传感器选用DT20-1111 型压力传感器，现场执行器选用西门子AcvatixTM型执行器，变频器选用西门子MicroMaster440 型变频器。

3）工控机选型。 研华P4 工控机2 台，512 MB 内存，80 G 硬盘。

3 系统的软件设计

3.1 程序设计

1）模拟量输入子程序。将室外温度传感器和现场的温度传感器、压力传感器所采集的数据经过转化分别传送到OCS 控制器所对应分配的寄存器中，并通过上位机进行实时显示。

2）温度设定值子程序。 事先将设定温度值分成几个温度区间，这样室外温度传感器采集的温度值就能对应相应的温度区间，从而将采集的温度值传送给OCS 控制器所对应分配的寄存器中。

3）通用管理子程序。 系统管理程序，如控制器电池电量过低提示，锁定System 键等。

4）PID 控制子程序。 设定PID 所在寄存器的初始状态及其初始值，自学习功能运行前后的一些参数设定。

5）模拟量输出子程序。 将PID 调节后的控制值作为最后模拟量的输出。

6）报警子程序。 设定各参数的警界值，一旦超过警界值，系统立刻触发报警。

3.2 上位机组态监控界面的设计

利用紫金桥软件对热交换站自动控制系统进行监控，其主界面如图4所示。

图4 热交换站主界面Fig.4 The main interface of heat exchange station

对二次供水温度及二次供水压力绘制历史趋势曲线，此时温度的设定值为75 ℃，二次供水的实际温度值为74.3 ℃，如图5所示。

图5 实时趋势曲线Fig.5 The trend curves of real-time

4 GPRS-Internet 无线通讯

系统采用现场的DTU 通过GPRS-Internet网络实现换热站现场与监控中心之间的无线远程通讯，为了保证两者之间能够长时间的实时通讯，除了保证网络的通畅外，还必须进行动态域名解析[4]。

所谓的动态域名解析就是将动态的IP 地址映射到一个固定的域名解析服务上（DDNS）。需要登录域名网站申请一个可用的域名； 打开监控中心所在的路由器软件里的虚拟服务器界面，在连接监控电脑所在的路由端口中输入正确的服务端口、局域网IP 地址以及通讯协议，如图6所示；在DDNS 界面中，正确输入服务提供者，用户名及其密码，点击激活，动态域名解析完毕，如图7所示。

图6 虚拟服务器界面Fig.6 The interface of virtual server

图7 DDNS 界面Fig.7 The interface of DDNS

换热站现场与监控中心进行实时通讯时，首先打开GFS 中测控终端设置软件，对DTU 的一些基本参数进行定义，如波特率、校验位、数据位等；在连接方式中选择动态DNS，将DNS 域名和服务器IP 设置好；最后将协议类型、目标端口和序号设置好，如图8所示。 在紫金桥组态软件中，定义设备名称、端口及控制器的地址，并将计算机的通讯端口COM1 设置的波特率、校验和通讯模式等功能设置为与控制的相一致，然后再定义程序中的各个变量，并在画面中进行动画连接。最后运行组态的画面和启用DTU 的通讯功能，就能够在监控中心的工控机上显示现场的设备运行情况和数据变化。

图8 GFS 测控终端的设置Fig.8 The set of GFS measurement and control terminals

5 结论

美国HORNER 公司生产的OCS 控制器集成了PLC，I/O，HMI，通信于一体，在控制上，能够根据现场传感器传输的信号做出必要的控制指令；在通信上，能够通过ModbusRTU 通信协议与上位机进行实时通信，从而保证了整个系统的稳定运行；在操作上，利用其本身集成的HMI 操作界面，能够在控制现场修改控制参数，该系统稳定、可靠，有一定的节能效果，具有推广价值[5]。

[1] 陈广庆，王吉岱，刘廷瑞，等.基于PLC 和MCGS 的换热站监控系统[J].制造业自动化，2010，32（10）：8－9，13.

[2] Xia H，Song J C.Development of Fuzzy PID Controller [J].Survey of Chemical Industry，2003,11（7）:1－5.

[3] 林柏松，曹文光，刘志杰.换热站变频调速控制系统[J].自动化仪表，2009，30（7）:49－51.

[4] 张明光，吴明永，杨素娟.基于GPRS－Internet 的换热站无线远程监控系统[J].自动化仪表，2009，30（9）:46－48.

[5] 周虹伯.可编程控制器在换热站自控系统中的应用[J].电气传动，2006，36（1）:59－61.