（电力电子与电力传动专业论文）校园供热节能优化控制系统研究与开发.pdf

北方工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho f e n e r g y - s a 访n gh e a t i i l gc o n t r o ls y s t e mf o rc a m p u s a b s t r a c t h 地f 研c a m p 吣1 1 a si t s0 v mc h a r a c t e f i s t i c s a c c 0 咖t 0 吐l eb u i l d i l l g s l l s i i 培岬， 吐l ec a m p u sc a nb ed i v i d e di i l 幻t l l r e eh e 龇m gd i s t r i c t s ：w o f k i i l gd i s t r i 鸭d w e l l i n gd i s t r i c ta i l d a p 矧m e md i s t r i c t c 锄p u s 蛐gc 觚a d o m 1 ee n e r g ) ，一咖h e 鲥i l gm e l o ds i l c h 嬲h e a 吨 b a s e d0 np 耐o d so f 缸e 锄dl l e a t i n gb a s e do nd i 嘶c t s h 1m ep r o 冶鼹0 f h e 弛g ，也i e r e 诚l lb e s u c hp f d b j 即【1 sl i k ek i a t i l l gt 0 0m u c h0 rt 0 0l i 坩e ，b ( mb 血坞i i l c o n v e 面即c et dp e o p l e sl i 岛 h e a t i i l g 铡o nn l e 螂i i l d o o rt e m p e 物t u r e 、析l lb ( n ls a t i s 矽p e o p l e s n e e d 锄d 刚e 哟7 c 锄1 p l 坞h e a t i n gb 弱e do np e r i o d so ft i i n e ，d i s 臼j c t sa i l du s e r s rt e m 讲髓：t u r eh 嬲g r e a t i i i l p o r 撇b ( 地幻e r ：l l l ；m c e 廿1 e k 啦q u a l ：时锄d 阳v ee f i e r g y sa r t i c l es e t su p 此e n e 唧s a v i l l g 舳ls y 蜘f b rc a l l l p u sh e a 衄b a s i i l g0 na 眦l i v e 髓i 哆i i le 蜮j 协g t h es y s t e r nc o n s i s t so f l r e es u b s ) ，s 锄 1 1 s t h c 丘i 瓯o i sm eu p p e r m o l l i t o r 刚c e l l l u s e d 血ec o 血g u r 撕0 ns o 脚a r e 跏lc o 蠲g u 血1 9 此m o n 血e m l l l 廿枷c hp 舳e l3 7 0 ，l i sp a r tc 趾m o i l i t o r 锄dd ) 删c a l l yg h o wt h ep 赋e 豁o fc a m p l l s k 咖t h e c o n ds u b s y s 蛐i sm 删勰n e t h 髓c a i m 咖c 0 哦r 0 1 l i l 珞s ) ；咖t h ec 0 i n t r o u i n g c o r ei ss i 删s 7 3 0 0p l c m sp a n 谢1 lo 脓p r o i ) e r 觚姒m to f h e a t t h e 伽埘s u b s ) r s t e mi s p c 岫p i 删印p m e n ts ) ，s t e i n t 1 1 i sp a nm c l u d e sn l eb o i l e r s ，d i s t a i l tt e m 拼翻t u r e g a m e r i l l g s ) ，s t e i i l 锄ds p o t 怕i l s 慨6b o i l e r sa r ea l lb 0 0 s t e rg a s - 丘商瑚n 瑚h e 缸n gb o i l e r 1 h e d i s t a l l tt a m p e f a t u r e - 础r i l 玛s y 蜘i su s e dt 0 舒曲盯t h e 螂i i l d o o rt e m p e 翻：t u r e 佗a l 撕m e l y t h ep e f i p 量i e r a l 叫p m 即ts y s t e l np v i d e sk e yd i 锄既e r st ot l l ec o n 仃o l l i l l gs y s t e j m 1 1 玳，u g h 慨n tc o 咖m l i l i c 撕o np r ：砷啪l s ，蛇l l 优m b s y s 咖l sm 础o n e da b o v ec 0 删a 响o l e s ) ，蛳w l l i c h 陀a l 讫e d l ee n e r g y - 姚gh e 础g f o rc a m p 】s a d o p t i i l g 1 ee 1 1 e r g y - s a v i n gh c 鳅i i l gc 0 呲r o ls y s t e mf 斫c a m p 吣h a st 量l e 南n o 谢n g s p e c i a l 廿e s f 毗i t 渊a1 0 to fe i 】钟g y 她t 0t 1 1 e 陀c o 司i i l gi 1 1 也eb o i l e rh o u s e ，廿l e 觑 i 研c a i l l p u sh 朗血唱e v e 巧y e a ri s4i i l i l l i o l l h 叫忙v t 墨t l l ee i ! i e 唧一s a v i l l gh e 她c 0 呲r o ls y s t e i l l c a l ls a v ea sm u c ha s1 5 e n e 唧s e c o i 迅i ts a ：v e sa1 0 t0 f m a l l p o w t h es ) ，s t e i i ls u p p o n st w o b n d so f 劬甜o nm o d e s ，1 1 a m e l ya 呦m o d e 舡1 dm a n l 壕jm o d e t h e 喊e r si i l 协eb d i l e rh o u c a ns e tm e 如n c t i o nr 1 1 0 d e 吐1 螂t t l es y s t e m t h es y s t e ms p e c i a l 诬sf o rc a i ：n p u sh e 幽ga i l d 陀a l i z e de i l e 路y - s a v i i l gc o m lt 1 1 ei d e a a n d m 劬o d o f t h i ss y s t e i l l c 锄a l s os e r v e 弱a r e f e 啪c e t 0 妇a u 幻m a t o n s y s t 锄 k e yw o r d s ：h e a t i n g ，明e r g y s 孙r i n g c o n f i g u 豫t i o n ，c o n t r o u i n g t e m p e 豫t l l r e - g a t h e r 噎n g 2 北方工业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得羔壁友王些太堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名惠乃噬字日期：。2 年石月f 阳 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j b 友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j 壁友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：趣膨没 签字日期：鸹年否月汨 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期：口 电话： 邮编： 翡辟月硝 北方工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 国内外研究现状 我国地域广阔，人口众多，房屋建筑规模巨大，其中住宅建设约占居住建筑的9 2 ， 住宅建设量大而且面广，至今仍呈上升趋势，而且这个上升趋势还将持续2 0 3 0 年【1 1 。 但是，我国如此庞大的房屋建筑及住宅建设的快速增长是以资源和能源的高消耗为代价 换取的，除了利用最直接的土地资源外，住宅能源消耗的增长是住宅建设发展的一大限 制因素。当前由于我国建筑物的保温隔热和气密性能很差，供暖系统热效率低，单位住 宅建筑面积采暖能耗为相同气候条件下发达国家的3 倍【2 】。我国城市从5 0 年代开始集中 供热，经过几十年的发展，相关的供暖设备例如燃烧锅炉、暖气片及燃烧介质等都发生 了巨大的变化。但是，迄今为止，对节能措施的重视尚不够，从而制约了城市集中供热 系统全面合理有效地利用热能，集中表现在下列方面：供热质量差，冷热不均；运行方 式不合理，能源浪费严重；规划设计水平低，制约节能工作的落实1 3 j 。 国外，特别是在北欧国家，从2 0 世纪7 0 年代能源危机以来，十分重视建筑节能工 作，并制定了有关政策、法规以及相配套的技术措施【4 】。国外发达国家的集中供热系统 均为动态的变流量系统，其调节与控制技术先进，控制手段完善，设备质量高。通常一 次管网所提供的热量在热力站交换成二次采暖热水和民用生活热水。在热力站的二次水 系统中均安装有变频调速的水泵、压差控制器、电动调节阀、气温补偿器以及回水温度 限制器等设备【5 1 。有了一整套成熟的供热系统运行模式。集中采暖按热量计费是世界各 国发展的趋势，也是各国家节能环保的一项基本措施。目前除西方发达国家己采用这一 措施外，东欧各国及原苏联地区国家正逐步推广。与此同时，集中采暖按热量计费的相 应技术也进一步发展，采暖系统的动态调节更加先进，计费技术更加可靠和准确，整个 采暖热量计费装置向小型化、计算机化发展【6 j 。 目前，国家相关部门十分重视节能技术节能措施，鼓励采用国内外先进的技术和设 备、对建筑物与热源、热网进行合理科学的规划与统筹安排，实现集中供热系统各个环 节的全面节能，逐步建立按耗热量收取热费的体系，实现我国节能的长远发展战略。随 着对供热节能研究的深入，供热节能成为行业关注与研究的热点【7 j 。 1 2 问题的提出 以我校供热现状的为例，学校供热系统同时承担校园住宅区、公寓区和办公区的供 热任务。然而，每个区域都具有典型的特征：住宅区的供暖要求是一天2 4 小时连续不断 北方工业大学硕士学位论文 的；办公区在晚上1 0 点至早晨7 点之间由于没有人员，勿需提供较高的取暖温度；特别 是在寒假期问，绝大部分学生都返家过春节，公寓区、办公区只有极少数教师和学生学 习和值班，对于大多数闲置的宿舍、教室、办公室，完全可以采取低温防冻的供暖策略， 只要供暖设备不被冻坏即可。但是，由于没有相应的温度监控特别是供暖管线末端温度 采集和监控设备，供暖系统无法进行相应的控制，造成巨大的无功能耗。据估算，我校 每年冬季用于供暖的天然气费用高达4 0 0 万元。按取暖面积和取暖时间进行折算，如果 能够实现分时段、分区域地控制供热强度，能够节约1 5 左右的能耗，也就是说，每年 有多达6 0 万元的供暖费用被白白地浪费。 1 3 研究的目的和意义 基于“节能供暖、节能管理，节能控制”的思想，建立一个稳定、先进、高效率的 高校节能供暖系统，提高整个系统的管理水平，从而达到节省能源的目的，做到供暖管 理无人控制。本课题通过开发低成本末端智能传感器技术，组建分布式采集网络，采集 供热系统的热力参数：依据热力系统参数以及外界环境、用户需求等多方面因素，实现 系统的最优化运行，提高供热质量，有效的降低能源消耗，保证供热系统的经济运行。 该课题针对目前集中供热系统中存在供热系统运行方式不合理、供热质量差、不能 全面合理有效的利用热能，能源浪费巨大等问题展开研究，为城市集中供热系统提供了 优化运行模式，节能潜力很大，具有很好的推广应用价值。 1 4 本章小节 基于对当前我国所面临的能源紧缺形式的分析，以及取暖技术、实施方法概况，监 控技术在我国发展的状况，阐明了要更好的节约能源，摆脱能源紧缺的境况，就必须不 断提高计算机监控技术，提高集中供热的控制能力。本文介绍了国内外的供热现状，主 要控制原理、方法、特点。根据北京市某高校供热的实际情况，针对不同供热区域不同 的温度要求，设计符合校园实际情况的供热节能系统，以达到自动控制及节能的目的。 2 北方工业大学硕士学位论文 2 系统总体设计 本章将要根据小区供热的背景情况，制定了系统实现目标，提出总体方案设计思路， 介绍了该控制系统的各个组成部分及性能要求，包括工程对象、软硬件构成、模块化分 层结构。并且介绍了控制系统的性能、安全性、数据保存及功能要求，进行了系统的总 体设计。 2 1 背景概述 2 1 1 校园供热基本状况 锅炉房内共装配有6 台富士特燃气用真空锅炉。供暖区域根据院校建筑物使用方案 分为办公区、家属区和公寓区。其中办公区包括用于教学和办公的建筑物，包括教学楼， 办公楼，实验楼，图书馆等。这些建筑物的特点是晚上1 0 点以后活动人员很少，可以低 温供暖；家属区是校园中用于教师及其家属居住的楼群；公寓区是学生宿舍楼群。 2 1 2 校园供热设计目标 锅炉的燃烧状况，启动或者停止要根据供热负荷的实际情况，进行合理、有效的集 控和联控，使每台锅炉处于最佳运行状态，并达到供需平衡。采用合理的设备，使上位 控制和下位采集实现量与质的同步，调控供热区域内的热量分配【8 】。 供热量根据室外温度、供暖的区域及供暖时段的不同，采用不同的供暖策略，实 现热量的按需供给，达到节能的目的【9 】。 2 2 系统方案设计 校园供热节能优化控制系统主要由3 部分组成，分别为上位机监控管理系统、下位 机供热控制系统和外围设备系统。整个锅炉控制系统是根据富士特燃气用真空锅炉操作 规程及控制要求设计的，具有对燃气真空锅炉进行全自动控制及故障保护等功能。主要 控制对象为锅炉控制器、热媒水温度等。上位机监控管理系统采用西门子系列触摸屏 m p 3 7 0 作为监视平台，可以生动的显示整个供暖过程，并通过触摸屏可方便的控制锅炉 的启动和停止，锅炉的出水温度，锅炉群组的运行模式等。下位机供热控制系统的控制 模块采用西门子s 7 3 0 0p l c 作为信息处理和中央控制单元【1 4 1 ，同时运用西门子s 7 2 0 0 p l c 完善s 7 3 0 0p l c 数据采集功能，实现热量的按需供应。西门子p l c 抗干扰能力强， 能置于环境恶劣的工业现场中，故障率低。该系统实现了锅炉的手自动控制、工况监控、 历史数据记录、实时趋势等一般的图文显示及监控要求，具备了丰富的故障检测、故障 3 北方工业大学硕七学位论文 报警、故障处理等功能，最大限度的保证了锅炉的安全可靠运行。系统布置图如图2 一l 所示。 室 图2 一l 系统布置图 器 1 上位机监控管理系统 上位机监控管理系统主要由触摸屏和组态软件组成【2 0 】。系统采用了s 正m e n s m u n i t o u c hp a l l e l3 7 0 触摸屏，1 2 1 英寸耵呵显示，2 5 6 色，提供8 0 0 书6 0 0 像素，3 8 个系 统键，3 6 个功能键集成u d ，都可用作软键；用户内存6 m b ，采用6 4 位s c 处理器； 集成以太网接口，w i n d o w sc ev 3 0 操作系统；使用s 儿u i cp r o t 0 0 l 组态【2 l 】。 2 下位机供热控制系统 下位机控制系统采用西门子p l cs 7 3 0 0 系列可编程序控制器c p u3 1 5 2 d p 和s 7 2 0 0 系列可编程序控制器c p u2 2 4 ，c n 。s 7 3 0 0p l c 是整个控制系统的核心部件，负责采集 数据，并且做出相应的控制；s 7 2 0 0p l c 辅助s 7 3 0 0p l c 方便的进行数据处理和通信， 该p l c 通过e m 2 2 7d p 模块与s 7 3 0 0p l c 实现p r o f m u sd p 通信，并且与锅炉自带的 控制器采用r s 4 8 5 方式通信。西门子p l c 抗干扰能力强，能置于环境恶劣的工业现场中， 故障率低。 3 夕 围设备系统 一4 北方工业大学硕士学位论文 外围设备系统由远程测温系统、锅炉本体及自带的控制器、各种阀门、泵等组成。包 括室温采集基站、室温采集电话、锅炉、温度传感器、压力传感器、液位传感器。其中 远程测温系统的简介如下：用户室内温度称为远端温度，需要专门的系统采集。采集远 端用户室内温度的系统称为远程测温系统，主要功能为远程测温，数据存储，数据传输。 远程测温系统的硬件包括研华工控机i p c 6 1 0 0 、室温采集基站和室温采集电话。 2 3 系统的通讯方式 “通信”让系统的各个部分相互联系组成了一个整体，每两个子系统之间遵从一种 通信协议。 2 3 1 上位机监控管理系统与其它子系统的通信 上位机监控管理系统采用归3 7 0 作为人机界面。艘3 7 0 允许以图形形式显示操作状 态、当前过程数据以及连接的p l c 的故障，并且更方便地操作和监控相关的设备或系统【2 5 】。 人机界面使用p r 0 t 0 0 1 组态软件组态。需要在肝3 7 0 上表示的图形、文本、自定义功能以 及操作和显示元素，必须首先使用s i m a t i cp r o t o o l 组态软件在组态计算机( p c 或p u ) 上 创建。为了将组态下载到艘3 7 0 ，组态计算机必须连接到m p3 7 0 。连接可以通过串行、 咿i p r o f i b u s d p 网络、u s b 或以太网接口建立，或通过标准调制解调器路径f 2 6 1 。一旦 组态成功下载，将卿3 7 0 与p l c 相连，从而使归3 7 0 可与p l c 进行通信。如图2 2 所示。 图2 2 组态和过程运行阶段 1 上位机监控管理系统与组态计算机的通信 5 m p3 7 0 在启动阶段，出现图2 3 所示的启动菜单( 装载程序) 网。当运行系统结束时， 显示下列内容： 图3 7 0 启动菜单 按下“传送”按钮切换肝3 7 0 至下载模式。按下“启动”按钮自动启动运行系统。 按下“控制面板”按钮访问w i n d 0 w sc e 控制面板，在其中可以定义各种设置。下载模式 选项的设置如图2 4 所示。 图2 q 具有通道标签控件的“传送设置”菜单 传送设置菜单中的通道标签控件可以用于激活所需要的通信通道和各自的远程控制 选项。除串行通信通道外，可以选择第二通道将数据从组态计算机下载到豫3 7 0 。按下 一6 北方工业大学硕士学位论文 高级按钮定义通过肝i 或p r o f i b u s d p 下载的地址总线参数设置和传输率以及最高站网 络参数设置。为通过以太网下载必须设置相关的驱动程序。 本系统中，选择了i 峪2 3 2 串行通信方式。在串行通信时，要求通信双方都采用一个 标准接口，使不同的设备可以方便地连接起来进行通信。r s 2 3 2 接口是美国电子工业联 合会删制订的一个关于串行通信接口的电子信号、电缆和连接器特性的技术标准。 i 峪2 3 2 被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准，它是p c 机与通信 工业中应用最广泛的一种串行接口。 2 上位机监控管理系统与下位机控制系统的通信 s 7 3 0 0p l c 是控制系统的核心。上位机监控管理系统与下位机控制系统的通信，其 实就是实现仲3 7 0 和p l c 之间的通信。图2 5 说明了肝3 7 0 和p l c 之间的基本连接形式。 图2 _ 5 肝3 7 0 与p l c 的连接组态 连接p l c ，本系统选用艘3 7 0 的组态接口i f l b ，通过p r o f i b u s d p 通信方式连入p l c 。 p r o f i b u s 是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。广泛适用于制 造业自动化流程工业自动化和楼宇、交通电力等其他领域自动化。p r o f i b u s 由三个兼 容部分组成，即p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p a 、p r o f i b u s f m s ，其中p r o f i b u s - d p 是一种 高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式i o 的通信【明。 本系统使用的p l c 是s i m a t i cs 7 ，且在系统中已经安装了s t e p7 组态软件，那么可将 p r o t 0 0 1 集成到s t e p7 中。用于集成s t e p7 的驱动程序参数对话框如图2 6 所示。 7 北方工业大学硕士学位论文 图2 - 6 用于集成s 1 口7 的驱动程序参数对话框 s t e p7 集成的优点如下例： ( 1 ) 只需要分配符号名一次，就可以在任何地方使用它。 ( 2 )当组态变量与区域指针时，访问s e t p7 符号表。对s t e p7 中的符号表的修改 可在p r o t o o l 中更新。 ( 3 )当编辑该项目时，使数据同步。 ( 4 ) 在s t e p7 中，可组图a i 。a 脚s 消息，并将其输出到操作单元。 ( 5 )p l c 的通信参数被直接传送到项目中。 系统选用了将p r o t 0 0 l 集成到s t e p7 中的方式，此时的控制器选择了p l c - 1 ，即在 本系统中是s i m a t i cs 7 3 0 0p l c 。在p r 0 t 0 0 1 项目中还可以继续添加控制器，如图2 7 所示，本系统中根据实际需要，添加了控制器p l c 一2 ，即s i m a t i cs 7 3 0 0 ip l c 。 8 一 北方工业大学硕士学位论文 滋戮谨缁幽鳓鞘隧醐鞘黝渤猁缓黝黝幽黝蹴戳幽谶幽泓幽绌戳鳓龇“篙缆缫鬣鬻誊鍪 鞠m p 3 7 0t 吼j c h 。m y 沁l 刷如名称协议 籀口p l 淘两西匿虿p l c ls i p 协t i ( 5 7 3 ，4 i f lb 移消息 圈p l c 上 s i t i e5 7 。2 0 0i f lb 锣配方 翮艄 留摄轰 绉对庠表 绷变量 哥指针变量 rl 脚_ 本 国趋势 蟛图形 爹文零y 图形列袭 豳鳓 j 萤露区域指针 | ( s ， 2 对象l 所选对象 图钟连接控制器 2 3 2 下位机供热控制系统与外围设备系统的通信 外围系统主要包括锅炉和远程测温系统。下面分别介绍下位机供热控制系统与锅炉 和远程测温系统的通信。 l 与锅炉的通信 与锅炉的通信，本系统采用了s i m a t i es 7 _ 2 0 0 脚锅炉控制器之间的r s 鹤5 通信方 式刚。l l s 一4 8 5 的通信接口：具有通信速度高，抗干扰能力强的特点。最高通信速度可达 1 0 胁p s ，r s 一4 8 5 采用差分的输入，输出方式，大大增强了抗干扰的能力。通信板上设有 硬件发送和接收缓冲区可以保证通信线路上数据的可靠性，不会因为拥挤而丢失数据。 高速的通信速度，合理的缓冲区结构及高效率的编码方式，使得单一的一条总线上可以 并入多个系统，而不至于通信线路显得过分拥挤。由于总线上只限于控制指令的传输所 以对线路的要求不高。因此，采用这种简便易行的串行总线结构是最为现实可行的方法。 供热控制系统中锅炉采用的是富士特燃气用真空锅炉。s 7 乏o op i 选用c i 町2 2 4 ， c n ，内部集成的2 个p p i 接口为用户提供强大的通信功能。p p i 接口为娜5 ，可在三 种方式下工作：p p i 方式、m p i 方式、和自由通信口方式。自由通信口是个很有特色 的功能。s 7 乏o op i c 可以与任何通信协议公开的其他设备进行通信。即可以由用户自行 定义通信协议。波特率最高3 8 4 曲i 1 ：s 。 2 与远程测温系统的通信 远程测温系统与下位机供热控制系统采用r s 鹚2 r s 4 8 5 的通信方式，使得p ! c 机与 s i l a t i es 7 - 2 1 d 0p l c 之间进行数据的交换。s 7 2 0 0 咣用c p u2 2 4 】( pc n ，具有两个r s 4 8 5 9 北方工业大学硕士学位论文 通信编程口，其中一个用于和锅炉的通信，另一个就用于远程测温系统与下位机供热控 制系统之间的通信。远程测温系统通过该通信方式将温度传送给p l c 作控制。 2 3 3 控制系统中s 7 2 0 0p l c 与s 7 3 0 0p l c 之间的通信 s 7 2 0 0p l c 与s 7 3 0 0p l c 通过p r o f i b u s d p 模块进行通信【3 。使用蹦2 7 7 p r o f i b u s d p 扩展从站模块，可将s 7 2 0 0 c p u 连接到p r o f i 叫s d p 网络。 e m2 7 7 经过串行i o 总线连接到s 7 2 0 0c p u 。p r o f i b u s 网络经过其d p 通信端口， 连接到e m2 7 7 p r o f i b u s d p 模块。作为d p 从站，e m2 7 7 模块接受从主站来的多种不同 的i o 配置，向主站发送和接收不同数量的数据。e m 2 7 7 能读写s 7 2 0 0c p u 中定义的变 量数据块。这样，使用户能与主站交换任何类型的数据。首先将数据移到s 7 2 0 0c p u 中 的变量存储器，就可将输入、计数值、定时器值或其它计算值传送到主站。类似地，从 主站来的数据存储在s 7 2 0 0c p u 中的变量存储器内，并可移到其它数据区【3 0 j 。 在本系统中c p u 一3 1 5 2 是d p 主站，并且已通过一个带有s t e p7 编程软件的 s i m a t i c 编程器进行组态。c p u2 2 4 ) ( p 是c p u3 1 5 2 所拥有的一个d p 从站。 2 4 本章小节 本章介绍了校园供热的背景状况，制定了系统的实现目标，提出总体方案设计思路， 介绍了该供热节能控制系统的各个组成部分及系统的性能要求，包括工程对象，软硬件 结构，模块化分层结构。并且介绍了控制系统的性能、安全性、数据保存及功能要求， 进行了系统的总体设计。本章节还着重讲述了校园供热节能优化控制系统三个子系统之 间的通信。子系统上位机监控管理系统、下位机供热控制系统和外围设备系统的相互通 信，实现了系统协调、整体的运作。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 3 系统的实现方法 校园供热节能优化控制系统分为上位机监控管理系统、下位机供热控制系统和外围 设备系统。本章介绍整个系统的详细设计。 3 1 上位机监控管理系统 上位机监控管理系统由触摸屏和组态软件组成。触摸屏采用了s i e m e n s l t i - t o u c h p a n e l3 7 0 触摸屏，根据该款触摸屏的要求，组态软件采用s i m a t i cp r o t 0 0 1 设计各种 组态画面。 3 1 1 基于s m e n s 3 7 0 组态人机界面 3 1 1 1s 删s 3 7 0 简介 s i e 艇n s 胛3 7 0 具有以下特点【2 1 】： ( 1 ) 1 2 1 英寸t f i 显示，2 5 6 色，提供8 0 0 木6 0 0 像素； ( 2 ) 防护等级：前面板i p 6 5 ，后面板i p 2 0 ； ( 3 ) 用户内存6 m b ，采用6 4 位r i s c 处理器，集成以太网接口； ( 4 ) w i n d o w sc ev 3 o 操作系统，3 8 个系统键，3 6 个功能键集成l e d ，可用作软键； ( 5 ) 使用s i m a t i cp r o t o o l 组态软件； ( 6 ) 前面板尺寸：3 3 5 木2 7 5 m m ( 宽木高) 开孔尺寸：3 1 0 j 1 2 4 8 牛5 9 n 1 i i l ( 宽幸高拳深) 。 3 1 1 2 什么是组态 擘丑态的概念是伴随着集散型控制系统( d i g t r i b l 】t e dc o n n d ls y s t 锄简称d c s ) 的出 现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。通过专用的软件定义系统的过程 就是组态( c 砌g u 瑚缸o n ) 。定义过程站各模块的排列位置和类型的过程叫过程站硬件组 态；定义过程站控制策略和控制程序的过程叫控制策略组态；定义操作员站监控程序的 过程叫操作员站组态；定义系统网络连接方式和各站地址的过程叫网络组态嘲。 3 1 1 3 什么是组态软件 组态软件英文简称有三种：分别为删i 删i s c a d a ，对应全称为h 1 】i i l a na n dm a c h i n e i n t e r f a c e m a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e s u p e r v i s o r yc o n t r 0 1a n dd a t aa c q u i s i t i o n ， 中文翻译为：人机界面监视控制和数据采集软件【2 刀。目前组态软件的发展迅猛，已经扩 展到企业信息管理系统，管理和控制一体化，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列 的数据整合。 北方工业大学硕士学位论文 组态软件是有专业性的。一种组态软件只能适合某种领域的应用。组态的概念最早 出现在工业计算机控制中。如d c s ( 集散控制系统) 组态，p l c ( 可编程控制器) 梯形图组 态。人机界面生成软件就叫工控组态软件。组态形成的数据只有其制造工具或其他专用 工具才能识别。但是不同之处在于，工业控制中形成的组态结果是用在实时监控的。虽 然说组态就是不需要编写程序就能完成特定的应用。但是为了提供些灵活性，组态软 件也提供了编程手段，一般都是内置编译系统，提供类b a s i c 语言，有的甚至支持v b 。 3 1 1 4p r o t o o l 组态软件 p r o t o o l 是一个用于整个s i m a t i c 删i 设备系列的改进组态软件包。使用同样的组 态软件来组态系列中的所有设备。无论为哪个设备创建项目，p r o t o o l 总是提供相同且 熟悉的用户界面。 1 使用p r o t o o l 组态软件所需的硬件结构 使用p r o t 0 0 1 组态软件共有如下不同的硬件结构【2 8 】： ( 1 ) p c 作为操作单元和组态计算机； ( 2 ) 第一台p c 作为操作单元，第二台p c 作为组态计算机； ( 3 ) s i 淞t i cp a n e lp c 作为操作单元，p c 作为组态计算机； ( 4 ) s i m a t i co p 、t p 、押作为操作单元，p c 作为组态计算机； 本课题中选择了第三种方式，即s i m a t i cp a n e lp c 作为操作单元，p c 作为组态计 算机。其框图如图3 一l 所示： r 口 i 鬻 i p l c 口 l op a n e l p c i 0 0 口 a j - 口盆o a 口口j 口ll o o o a o o 口口l l 图3 1 硬件结构图 1 2 2 创建项目 使用p r o t o q l 可以用许多对象来创建项目。其项目画面如图3 2 所示。画面的左半 部分显示可以组态的对象类型，右半部分显示所包含的对象。 蠲西面 移消息 | 嗣黝 i 弱麟 | 留撮表 i 签时序表 函霸 哥指针变器 【豳臃 i 霜憝势 | 彩嘲 i 固文本f 图形刭表 i 豳控摩灞 强医嬲譬针 i c 黪 j 嬲对象 名嚣粪塑控黝器地垃 翻h 畎w 跌e rt l n t p l c 2 v w3 5 7 6 嗣i n t e r 撇l o n i 晰 p l c 2 v w 3 2 s o q i 口l e v e rhb i 的l 曩兰a l e v 甜1 l ，8 j l 函l 甜a r y l n t p l c2 v w3 2 碍8 4 刁m a na 慷。斟0 lp l clm1 2 0 1 o 锄c f f ；c ef i l t 钟w o r dp l c1呻w1 1 2 匈e 孵i c ei np r ew o r dp l ( 1 m w1 0 0 4 团o f f i 亡el nt e mw 。r dp l cl扣私102 固o f 阪ej nt r e n di n t ( 喜oc 打o e r 固饼阪eo u tp r ew 徽dp l cl m w1 2 哼 嗣饼救e0 l 建 锅 0 黎d p l cl m w1 2 6 圈o f f 虻eo 啦h l n t 心祀c o r 遗r o 羁e r 、， 一-。 ， l 所选对象 图3 屹创建项目 为创建一个项目，进行如下【2 9 j ： ( 1 ) 创建新项目( 文件一新建或文件一打开) ：选择文件一新建来创建个新项 目。项目助理通过大量的选择对话框指导用户完成任务。 ( 2 ) 选择p l c ：选择个p l c 驱动程序。只显示那些可以使操作单元运行的驱动程 序。 ( 3 ) 使用标准项目：选择一个标准项目，以便以它为基础。 ( 4 ) 项目助理允许在结论中输入有关项目的信息。如果单击创建按钮，则打开项目 窗口。 ( 5 ) 定义通信区( 系统一区域指针) ：为允许操作单元和p l c 之间的相互通信，必 须定义他们两者都将使用的通信区域。 ( 6 ) 创建项目：这是工作中最复杂的部分。可以用两种方法之一来完成：既可想创 建所有单个部分，然后将它们链接成具有一定意义的结构( 从底部一上部的方法) ，也 可以现设计一个结构，然后用个元素填充( 从顶部一下部的方法) 。为此，必须完成下 列基本步骤： 1 3 - 北方工业大学硕士学位论文 创建带有显示单元和控件的用户界面。 令为允许和p l c 进行数据交换，组态变量。 为了获得有关及其或过程的状态信息，组态信息。 令拆分操作单元( 而非基于文本显示的设备) 上的显示。 令此外，也可以根据操作单元组态附加的对象，例如配方。 3 1 2 监控画面设计 画面是过程的映像。可以在画面上显示过程并且指定过程值。画面可以又静态和动 态组件组成。静态组件包括文本和图形。动态组件与p l c 链接，并使p l c 存储器上的当 前值可视化。可视化可以通过字母数字显示、趋势和棒图形式实现。动态组件也可以在 操作单元上由操作员输入，并写入p l c 存储器。与p l c 链接通过变量来建立【2 9 】。 在p r o t o o l 中画面由独立的编辑器来创建。当调用画面编辑器时，显示操作单元。 可以通过双击位于项目窗口左半部分的“画面 来创建新画面或者双击位于项目窗口右 半部分的已存在的组态画面来打开画面进行编辑。p r o t 0 0 1 中的画面对象包括文本、字 符图形、图形、输入输出域、符号输入输出域、趋势图、棒图、按钮和指示灯瞄】。 画面由s i e m e n sp r o t o o l 组态软件设计，包括下面几个内容： ( 1 ) 工艺流程画面：在该画面中实现动态模拟整个供暖的过程，能够对现场设备的 故障进行实时的监控。 ( 2 ) 系统运行参数设定画面：操作画面、设定画面和锅炉状态这三个画面是参数设 定画面，用来设定系统运行的关键参数。 ( 3 ) 趋势画面：在此画面中除了实时显示变量的变化趋势，操作员还可以检查过去 的过程数据记录。 ( 4 ) 报警画面：对于重要的模拟量参数进行实时的报警。 ( 5 ) 报表画面：对长期需要保存的数据生成报表以便打印和查询。 由上所述可见，画面的设计工作带有重复性和一致性。所以文章选择工艺流程画面、 远端状态画面和设定画面三种不同类型的画面详细讲述，其他画面与该三种画面的设计 类似，不再赘述。 3 1 2 1 工艺流程画面的设计 1 工艺流程画面 工艺流程画面如图3 3 所示。工艺流程画面在整体上显示了供热现场管道的布局 和分区，以及锅炉，循环泵、补水泵和变送器的安装位置。 1 4 北方工业大学硕士学位论文 当菌西丽；工艺藐程弱律单位；北方工业大学 图3 3 工艺流程画面 校园的供热区域分为三个区域，分别为办公区，住宅区，公寓区。这三个区的供曩 任务由锅炉房的6 台燃气锅炉分担。 为了安全供暖、实时监控供暖的全过程，全面显示与锅炉控制相关的参数，在供暖 管道的关键位置，如锅炉的出水处、锅炉的回水处、循环泵和补水泵的前后等位置，哆 别安放了压力和温度变送器。其实物图如图3 4 所示。在户外安装了壁挂式温度传感嚣 实时采集户外自然温度。在补水水箱上安装液位传感器，监控补水状况。所有的传感暑 都与s 7 - 3 0 0p l c 相连接，由s 7 3 0 0p l c 实时采集其数据。 1 5 北方工业大学硕士学位论文 图3 - 4 压力传感器和温度传感器的安装与接线实物图 按照校园的供热实际情况，在工艺流程图中设计6 台锅炉和三个区域的供暖管道。 在锅炉的出水处、锅炉的回水处、循环泵和补水泵的前后等位置，分别按实际情况画出 压力变送器和温度变送器。在画面中设计文本框和输出域，实时显示s 7 _ 3 0 0p l c 采集到 的压力和温度数据。在供暖管道上画出过滤器，循环泵，补水泵和补水水箱，并且用文 本框显示户外温度和补水水箱的液位。 2 变量的设置 以办公区出水温度为例，说明在工艺流程监控画面中变量的设置。在办公区出水处 画出一个输出域，用来显示办公区出水温度的数值。双击该输出域，设置其属性。其属 性画面如图3 5 所示。给该输出域命名为变量0 f f i c e c h j t j e m ，并且以十进制显示，保 留一位小数。 1 6 北方工业大学硕士学位论文 变量o ：f f i c e _ 1 0 u t j 锄所代表的输出域要显示办公区的出水温度，所以应该将变量 o f f i c e _ ! o u t j 锄连接到与之相对应的s 7 3 0 0p l c 采集到的数据。其连接状况如图3 _ 6 所示。在图中p l c - 1 表示s 7 3 0 0p l c 。 图3 - 6 工艺流程画面变量属性 1 7 3 1 2 2 远端状态画面的设计 1 远端状态画面 远端状态画面如图3 _ 7 所示。远端状态画面是整个校园建筑的使用情况的示意图。为 了使画面更美观，将校园的三个区域分开表示。 当菌强面：远端状态制作单位：北方工业大学 2 0 0 8 一卜1 61 2 ：4 3 ：3 3 在远端状态画面中画出了所有需要锅炉房集中供暖的建筑物，并且在建筑上标出了 其名称和其温度采集点无故障供暖时的最低温度。温度采集点是需要供暖的建筑物中某 一个办公室，家属住房或者宿舍。温度采集点一般选择供暖质量比较差的被阳面或者建 筑物的两侧房间。其温度数据是由安放在温度采集点的室温采集电话采集，通过远程测 温系统传送给s 7 2 0 0p l c 。 2 。变量的设置 在远端状态画面中要显示的变量是通过远程测温系统传送给s 7 2 0 0p l c 的，所以其 变量的设置与其他画面不同。以办公区第一教学楼为例，说明在远端状态画面中变量的 1 8 北方工业大学硕士学位论文 设置。在办公区第一教学楼上画出一个输出域，用来显示办公区出水温度的数值。双击 该输出域，设置其属性。给该输出域命名为变量b u i l d i n g - l 。其他设置与以办公区出水 温度的变量设置相同。 变量b u i l d i n g l 是s 7 - 2 0 0p l c 采集到的，所以应该将变量b u i l d i n g - l 连接到与之 相对应的s 7 2 0 0p l c 采集到的数据。其连接状况如图3 8 所示。在图中p l c - 2 表示s 7 2 0 0 p i c 。 图3 - 8 远端状态画面变量属性 3 1 2 3 设定画面的设计 1 设定画面 设定画面如图3 _ 9 所示。设定画面是校园供热控制监控系统中最重要的一个画面。在 该画面中可以设定系统的控制方式和运行方式，可以控制锅炉的启动和停止。 1 9 北方工业大学硕士学位论文 当前西面：设定画面制作单位：北方工业大学 图3 _ 9 设定画面 2 变量的设置 校园供热控制系统的控制方式包括手动方式和自动方式。如果选择手动方式，锅炉 的启动和停止，锅炉参数的设定都要靠锅炉工人手动设定。如果选择自动控制，则整个 系统将自动运行，不需要人工的操作。在自动控制方式下，系统将根据户外温度，运行 时段，供暖区域，以及远端室温，自动调整锅炉的负荷量和出水温度。运行方式包括正 常