基于西门子S7-300与威纶通触摸屏的换热站自控系统

梅幼亚,姚 毅,于 洋,刘春鹏（.四川理工学院自电学院,四川 自贡 643000；.南京科奥自控科技有限公司,南京 00）

基于西门子S7-300与威纶通触摸屏的换热站自控系统

梅幼亚1,姚 毅1,于 洋2,刘春鹏1
（1.四川理工学院自电学院,四川 自贡 643000；2.南京科奥自控科技有限公司,南京 211100）

摘 要：本设计为济南某小区换热站自控系统，此系统采用西门子S7-300 PLC对其循环泵、补水泵的变频器以及一次阀门的开度进行控制，并对现场的各项数据进行实时采集，并利用威纶通触摸屏对系统进行控制调节以及显示数据。此外，系统与上位机之间通过无线3G网络进行通讯，上位机实时监控换热站的各项数据并可直接对参数进行修改，大大降低了人力成本，提高了换热站的自动化程度和可靠性。

关键词：换热站；自控系统；PLC

0 引言

我国北方城市冬季供暖大都采用集中供暖的方式向全市供暖。换热站是热网系统向用户供热的最后一级系统，承担着无可替代的责任。传统的换热站大都是有人值守，人工负责阀门的开关以及换热站内各项参数的记录，确保供暖的正常和换热站的安全。随着自动控制的发展，越来越多的换热站进行改造，采用可编程逻辑控制器（PLC）和变频器对换热站进行控制，与之前人工操作相比，可靠性大大增加。

1　换热站自控系统的设计要求

换热站中，二次网供回水压力、温度以及流量都是影响供热效果的重要因素，因此，我们系统可依据这些参数及时调节该换热站内的三台循环泵、两台补水泵以及电动调节阀和两台水水换热器。

（1）换热站的热源来自济南市南郊热电厂的热水，通过两台换热器进行热量交换。系统正常工作时使用两台循环泵，另外一台作为备用，使用ABB变频器控制水泵，系统可以通过三种方式来进行循环泵的PID调节：

1）给定变频器固定频率；

2）通过PID调节保持二次回水的固定压力值；

3）通过PID调节保持二次供水和二次回水之间的压力值差不变。

通过人机界面上的选择项可以选择所需要的控制方式，通常使用二次回水固定压力值方式作为循环泵的调节方式。

系统在运行的过程中，免不了有水的损耗，因此需在一定的时候进行补水。补水系统由补水泵、水箱等组成，通过实测二次侧压力与一次侧压力的差值进行补水使二次网得以稳定。当一次二次侧水压差小于等于设定值时，补水泵不工作；当水压差大于设定值时，补水泵工作。两台补水泵互为备用，当一台补水泵不足以达到所需的水压时，此时需要同时启动两台补水泵。控制系统通过MODBUS通讯使变频器对循环泵和补水泵进行控制，使各个水泵按照各自所需要的负荷进行工作。变频器和PLC的灵活使用，充分发挥了变频器方便调速和节能的优点，减少了不必要的能源浪费。

（2）自控系统可以通过六种PID方式来调节电动调节阀使得二次供水温度达到设定值，即：

1）二次侧供水温度恒定；

2）二次侧供水温度和回水温度平均值恒定；

3）一次侧回水温度恒定；

4）恒定流量调节；

5）恒定热量调节；

6）通过本地气温补偿。通常我们使用本地气候补偿方式来进行调节电动调节阀。本地气温补偿中，设定一个基准点，根据本地室外气候条件的测量来自动选择所对应的供温。另外，可以每隔两小时设定一个温度修正值，以达到一天内不同时间段内所对应的不同的温度来二次供水，达到减少能源浪费的功效。（设定温度SP=基准点+二次供温时段修正+室外对应温度）。如图1所示。

（3）系统实时监测换热站的各项工作参数，如一次二次侧供回水温度、压力、流量、阀门的开度反馈、各个变频器的频率电流等数据，循环泵和补水泵的运行反馈故障反馈以及数据的历史记录曲线。系统对数据异常的设备自动报警，并且能够将上述所有信息显示在触摸屏与系统的上位机上。如图2所示。

2　系统的构成

根据要求，选用西门子s7-300型可编程控制器完成现场数据的采集与过程控制。硬件系统由一个CPU314，一个测量现场开关量的DI模块，一个下发开关指令给现场水泵的DO模块，一个接受现场的模拟量数据的AI模块，AO模块给定阀门开度，另外配置一个AI RTD模块直接测量温度值以及通讯模块CP341和CP343-1模块。配置威纶通MT8000系列触摸屏，触摸屏为主要的人机界面，可以对现场的参数进行显示以及控制系统的运行，同时，采用宏电H7392型工业3G路由器通过无线传输将数据传到上位机监控室。系统的结构如图3所示：

3　系统软件设计

3.1 可编程逻辑控制器

系统采用step7 v5.5编程软件进行PLC的逻辑编程。硬件配置如图4所示，程序采用梯形图编写，程序主要的功能是进行现场各个设备启停的控制，阀门开度的给定，转换现场的温度变送器、压力变送器、流量计的测量数据，现场各设备的运行状态的采集报警控制以及系统所需的相关通讯程序的编写。程序将所有的数据储存到一个数据块（DB200）中，通过对此数据块的查看修改以读写控制参数3.2 威纶通触摸屏

本系统采用的是深圳威纶通触摸屏作为现场的人机界面（HMI）。用Easybuilder8000

编程软件对触摸屏进行编程编译。主界面如下图5所示。

触摸屏主要用于各项数据的显示以及供现场

工作人员的操作。HMI设有各种不同等级的密码可以供不同权限的人员使用。在调试PID参数时，可以显示PID曲线变化，更方便的进行PID参数整定。根据用户的要求可以将参数、报警等以画面、历史曲线、报表等形式在屏幕上显示。

4　系统的通讯

为了满足现场各个设备的联合使用，现阶段有多种通讯方式可以选择，综合考虑各个方案后我们选择如下的通讯方法：

（1）现场人机界面触摸屏通过RS485接口直接与PLC相连接，设置触摸屏的串口通讯参数与PLC的一致即可。

（2）PLC与变频器利用CP-341模块通过MODBUS协议进行通讯。三台变频器作为从机，plc作为主机，设定PLC通讯参数与变频器通讯参数一致即可。S7-300根据不同的功能码通过轮询程序和FB7、FB8功能块向各个从站发送请求字节帧以及返回数据，从而读取变频器的状态以及写入变频器参数。

（3）监控中心上位机通过无线网上传数据。系统使用宏电H7932无线路由器以及西门子cp343-1 lean模块，利用中国联通3G无线上网卡上传数据。热电公司使用中国联通的VPN虚拟专用网络业务，给予每个换热站一个固定的IP地址。上位机通过Industrial Ethernet协议直接读写此IP地址所对应的PLC的DB200数据块里面的数据，从而能够对大量的类似于此的换热站进行监控和控制，大大的节省了数据传输的费用。

5　结束语

本文通过对换热站自控系统的设计，由主要通过人工调节的换热站逐渐转变为无人值守换热站，大大的节省了人力财力。系统充分发挥了西门子PLC配置灵活、控制可靠的优点，使整个系统有了可靠性的保障，因此在许多换热站中得到了广泛的应用。此外，系统所用的无线传输网络还可以应用到其他许多条件恶劣的工业环境下，在以后的监控等领域有着较好的应用前景。

参考文献：

[1]蒋琳琳. 变频器及自控系统在集中供暖里换热站控制中的应用[J].北京:科学时代,2010(01):73-74.

[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[3]章翔峰，周建平，梁楚华.基于PLC的换热站远程测控系统的研制[J].内江科技，2011,3(01):103.