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浩納爾（天津）自動化科技有限公司
卞盛﹑秦雪峰﹑王華強
[摘要]：本文主要介紹美國HORNER公司最新產(chǎn)品“一體化控制器OCS”配合GPRS裝置在小區(qū)換熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[內(nèi)容]：
一、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(qū)都要建立小區(qū)換熱站。換熱站主要應(yīng)用于集中供熱系統(tǒng)中，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，使得整個系統(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、變頻器等進行簡單控制，系統(tǒng)調(diào)節(jié)完全憑以往積累的經(jīng)驗，運行維護的成本過高，效率低下。針對熱網(wǎng)調(diào)節(jié)中上述的狀況，采用計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)對熱網(wǎng)實行集中監(jiān)控是一種行之有效的方法。該系統(tǒng)具有如下顯著的特點：
Ø 監(jiān)控中心計算機通過各現(xiàn)場控制設(shè)備實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個供熱系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進行綜合分析，然后根據(jù)熱力縫補狀況及時調(diào)整供熱溫度等參數(shù)，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運行，充分發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，降低成本。
Ø 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(xiàn)場控制，通過先進的PID算法，克服了傳統(tǒng)PID控制器時間常數(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，同時通過一體化的人機界面現(xiàn)場顯示和操作十分方便。
Ø 通過串行通信協(xié)議與現(xiàn)場多臺變頻器進行實時通訊，采集變頻器的關(guān)鍵參數(shù)并不斷進行調(diào)整，使水泵工作在最佳狀態(tài)下。
Ø 在數(shù)據(jù)傳輸方面，通過先進的GPRS網(wǎng)絡(luò)與中心計算機實時通訊，節(jié)約了大量布有線網(wǎng)絡(luò)所造成的時間、人力、資金的消耗。
Ø 下面就針對上述幾部分內(nèi)容進行詳細的說明。
二、高度集成的一體化OCS控制器簡介
您是否在PLC的應(yīng)用過程中遇到過這樣的問題：I/O設(shè)備，PLC，顯示設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)分別來自于不同的廠家，我們要花許多時間，經(jīng)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(xùn)才能完成。這些無疑增加了我們工作的復(fù)雜程度，減緩了產(chǎn)品的研發(fā)投放速度，提高了產(chǎn)品的成本從而降低了企業(yè)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(tǒng)的PLC控制器、人機界面HMI、輸入輸出點I/O和網(wǎng)絡(luò)Network集成到一起，僅用一套軟件就可以對整個系統(tǒng)的硬件配置、邏輯程序、網(wǎng)絡(luò)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(fā)的時間和成本。Horner的OCS產(chǎn)品在歐美等發(fā)達國家有著非常廣泛的應(yīng)用，其特別適合設(shè)備制造業(yè)、自動化化生產(chǎn)線及各種DCS系統(tǒng)。美國Horner公司提出的一體化控制理念，越來越為業(yè)內(nèi)人士所接受，正逐漸成為自動化控制行業(yè)的主流產(chǎn)品。
在本換熱系統(tǒng)中主要采用了HORNER X系列的兩款主流產(chǎn)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(fā)的Cscape，并且是免費的。系統(tǒng)配置圖如下，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(nèi)置I/O：12點直流輸入（正/負邏輯）兼容12/24伏，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(shù)器（10kHz）。XLE103自帶2個的RS232/485接口，支持PLC/Drive通訊協(xié)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(wǎng)絡(luò)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(dǎo)軌上。LX300自帶 5。7寸標準彩色觸摸屏。支持CsCAN網(wǎng)絡(luò)接口和遠程I/O模塊（SmartStix）。
三、 OCS控制器具有靈活的PID控制功能和豐富的運算能力
現(xiàn)代化的換熱站需要實現(xiàn)全自動的恒壓恒溫供水，因此PLC要根據(jù)現(xiàn)場變送器反饋回來的溫度壓力等參數(shù)來調(diào)整變頻器的頻率。控制兩臺循環(huán)泵和一臺補水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制二次供熱的溫度和壓力。
此系統(tǒng)的PID完全由軟件編程實現(xiàn)，不需要添加任何外圍設(shè)備，最多可以實現(xiàn)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(yīng)速度很快。其中最具優(yōu)勢的是其具有參數(shù)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(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)工作狀況自動找出比例系數(shù)、積分時間、微分時間等參數(shù)。等到PID參數(shù)找到后就自動切入控制程序，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：
1、 實現(xiàn)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(jù)設(shè)定的供暖曲線和室外溫度的變化自動控制二次側(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)熱負荷的變化，調(diào)整循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，維持二次供、回水溫差（可以調(diào)整）恒定，達到最佳的供熱效率和節(jié)能效果。新啟動前有一段時間（可以調(diào)整）的延時警報，用以提醒可能在現(xiàn)場維護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)二次供水的流量，通過實時檢測二次管網(wǎng)回水的壓力，通過PID調(diào)節(jié)及時控制二次管網(wǎng)的流量閥。保證二次供水的恒壓。
四、OCS控制器與變頻器的通訊
在工業(yè)自動化控制系統(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通訊方式實施控制的方案得到廣泛的應(yīng)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(shù)據(jù)編碼、求取校驗和、成幀、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗、超時處理和出錯重發(fā)等一系列技術(shù)問題，一條簡單的變頻器操作指令，有時要編寫數(shù)十條PLC梯形圖指令才能實現(xiàn)，編程工作量大而且繁瑣，令設(shè)計者望而生畏。
但是在OCS中這一切都變得非常簡單，我們只需要一個功能塊就可以實現(xiàn)Modbus所有的功能，即保留了RS485通訊的優(yōu)點，又省去了復(fù)雜的編程工作。以下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(shù)：
五、 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)點是實時在線，當有數(shù)據(jù)傳輸時才按流量收費。可以省去大量的布線、調(diào)試、維護工作，對于地理位置相對很遠的數(shù)據(jù)傳輸有很明顯的優(yōu)勢。但是其本身也存在著一些弱點，比如說系統(tǒng)延時時間長（10秒左右），信號受周圍環(huán)境影響較大、運營商支持等。
對于此換熱系統(tǒng)，計算中心要求的數(shù)據(jù)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(yīng)用此種傳輸方式進行PLC和上位機的通訊。其基本示意圖如下：
換熱控制中心監(jiān)控畫面如下：
六、 OCS的其他保護及報警功能
保護功能包括常規(guī)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(huán)泵故障報警、補水泵故障報警、補水超壓報警、系統(tǒng)軟化水箱壓力過低報警、二次網(wǎng)回水壓力過低報警、換熱站故障停機報警等功能。
HORNER OCS產(chǎn)品首次采用了移動存儲技術(shù)，支持普通的SD卡或CF卡（最大可到2G）， 用于存儲歷史數(shù)據(jù)和報警信息。在本系統(tǒng)中我們采用了1G內(nèi)存的SD卡實時存儲報警信息和進行數(shù)據(jù)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。
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