（模式识别与智能系统专业论文）换热站监控系统开发与智能控制的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随者人类环保意识的增强，热电联产的集中供热方式将逐步取代中小型锅炉房。换 热站作为热源厂与用户之间的一个中间环节，其供热品质的好坏对改善热网热力工况， 提高供热质量起着重要作用。应用计算机控制技术，确定一套适合本国国情的控制调节 策略，使计算机可以根据换热站的测量参数自动调节热网，提高运行效率，节约能量， 是本论文的出发点。 本文以辽渔集团动力公司换热站监控系统工程为实例，根据该工程的设计要求和现 场的实际情况，以保障功能、降低成本为出发点，设计了基于工业以太网的两级计算机 监控系统，采用西门子公司的最新组态软件w i n c c 6 0 为开发平台为换热站开发计算机 监控系统。该监控系统具有良好的人机界面、简单方便的操作性和易扩展性；同时亦具 有良好的稳定性和可靠性，既能简单直观地显示换热站所有监控参数及各报警状态，又 为换热站安全运行及供热控制提供良好的支持。另外，该系统提高了现代化管理水平， 减轻了生产管理人员的劳动强度，使其能科学有效地控制和管理换热站；作为值班入员 的工具，使换热站能够安全、稳定、节能地运行，提高了热网的经济效益和社会效益。 同时，由于换热站中的一些工艺参数，特别是换热器的出口温度参数由于系统滞后 严重，采用常规的p i d 控制效果不好，并且参数整定麻烦。针对这一问题，给出了一种 解决办法。在本换热器出口温度控制系统中，本文将p i d 和模糊控制方法相结合，构成 模糊p i d 控制，目标是提高控制系统的稳定性和鲁棒性，在仿真中取得良好的控制效果。 关键词：监控系统；p i d ；模糊p i d ；仿真实验 大连理工大学硕士学位论文 t h ee m p o l d e ro f h e a t i n ge x c h a n g es t a t i o nm o n i t o ra n dc o n t r o ls y s t e m a n dt h es t u d yo fa p t i t u d i n a lc o n t r o l a b s t r a c t w i mt h ei m p r o v e m e n to fe n v i r o n m e n t a lc o n s c i o u s n e s s t h ec e n t r a l i z e dh e a t i n gs y s t e m b yc o m b i n e dh e a ta n dp o w e r ( c h p ) w i l lp r o g r e s s i v e l yr e p l a c em i d d l e a n ds m a l ls c a l eb o i l e r h e a t i n ge x c h a n g es t a t i o ni sa ni n t e r m e d i a t ep o i n tb e t w e e nh e a ts o u r c ef a c t o r ya n dh e a t i n g u s e r s h e a t i n gq u a l i t yo ft h es t a t i o ni si m p o r t a n tt oi m p r o v ew o r k i n gc o n d i t i o no fh e a t i n g n e t w o r ka n dh e a t i n gq u a l i t y t h ep a p e r sa i mi st oc o n s t r u e tas e to fs t r a t e g yo fc o n t r o l l i n g a n da d j u s t i n g , w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h es i t u a t i o no f c o u n t r y ms t r a t e g yi sd e s i g n e db yu s i n g c o m p m e rc o n t r o lt e c h n o l o g yt oa u t o m a t i c a l l ya d j u s th e a t i n gn e t w o r kr u n n i n g , i m p r o v e e f f i c i e n c ya n de c o n o m i z ee n e r g y t h i sp a p e rd i s c u s s e sam o n i t o r i n gs y s t e mf o rh e a t i n ge x c h a n g es t a t i o no fl i a o y ug r o u p p o w e rc o m p a n y a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n i n gr e q u i r e m e n t sa n da c t u a ls u r r o u n d i n g s ，o nt h e p o i n to f e n s u r i n gt h ef u n c t i o na n dr e d u c i n gt h ec o s t , t h ep a p e rd e s i g n st h et w o 船出c o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ni n d u s t r i a le t h e m e t 1 1 1 em o n i t o r i n gs y s t e mh a sn o to n l yf r i e n d l y h m lw h i c hi sc o n v e n i e n tt oo p e r a t eb u ta l s og o o ds t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y i tc a l lr e f l e c tt h e r e a l t i m es i t u a t i o no ft h ep r o d u c t i o nv i v i d l ys ot h a ti tp r o “d e sas t r o n gs u p p o r tf o rt h e s u c c e s s i v er u n n i n go ft h eh e a t i n gs u p p l ys a f e l ya n dr e l i a b l y o t h e r w i s e ，t h i ss y s t e mi m p r o v e s t h em o d e r nm a n a g e m e n tl e v e l ，r e d u c e st h ep e r s o n n e l sl a b o ri n t e n s i t yo fp r o d u c t i o n m a n a g e m e n t , e n a b l e st h eh e a t i n ge x c h a n g es t a t i o nb e i n g c o n t r o l l e de f f e c t i v e l ya n dm a n a g e d s c i e a t i f i c a l l y a st h ea t t e n d a n t st o o l ，t h es y s t e me n a b l e st h eh e a t i n ge x c h a n g es t a t i o l ls a f e l y , s t a b l y ，a n de n e r g yc o n s e r v a t i o nr u n n i n g , i m p r o v e st h ee c o n o m i ce f f i c i e n c ya n dt h es o c i a l e f f i c i e n c yo f t h es t a t i o n i na d d i t i o n ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e rf o rs o t n ep a r a m e t e r , s p e c i a l l yi st e m p e r a t u r e p a r a m e t e r , h a sd i s s a t i s f a c t o r yr e s u l t sa n dp a r a m e t e r sa r eh a r dt ot u n e t oi m p r o v e t h es t a t u e s ， t h ea u t h o rp r o p o s e sam e t h o dt os o l v et h ep r o b l e me f f e c t i v e l y i nt h eh e a t i n ge x c h a n g ee x p o r t t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，t h ea u t h o rc o m b i n e st h ep i d a n df u z z yc o n t r o lm e t h o d ，s t r u c t u r e s t h ef u z z yp i dc o n 仃o l l e r , a i m i n gt oi m p r o v et h es t a b i l i t ya n dr o b u s to ft h es y s t e m t h ep a p e r s i m u l a t i o n sc o n t r o l l i n gs y s t e mo fh e a t i n ge x c h a n g e ra n dt a k e so u tg o o de f f e c ti ns i m u l a t i o n t e s t k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gs y s t c m ；p i d ；f u z z yp i d ；s i m u l a t i o nt e s t i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：绻笾潞日期：越筮：z 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：监塑叠 导师签名 越年上月上日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 集中供热发展概况 集中供热是在十九世纪末期，伴随经济的发展和科学技术的进步，在集中供热技术 的基础上发展起来的，它利用热水或蒸汽为热媒，由集中的热源向一个城市或较大区域 供应热能。集中供热不仅为城市提供稳定、可靠的热源，改善人民生活，而且与传统的 分散供热相比，能节约能源和减少污染，具有明显的经济效益和社会效益【1 翔。 1 1 1国外集中供热发展概况 集中供热方式始于1 8 7 7 年，当时在美国纽约，建立了第一个区域锅炉房向附近1 4 家用户供热。 2 0 世纪初期，一些工业发达的国家，开始利用发电厂内汽轮机的排气，供给生产和 生活用热，其后逐渐成为现代化的热电厂。在上世纪中，特别是二次世界大战以后，西 方一些发达国家的城镇集中供热事业得到迅速发展。 原苏联和东欧国家的集中供热事业长期以来是实行以积极发展热电厂为主的发展 政策。莫斯科的集中供热系统是世界上规模最大的供热系统。据1 9 8 0 年资料，市区内 热网干线长达3 0 0 0 多k m ，向5 0 0 多个工业企业和四万多座建筑供热，其城市集中供热 普及率接近1 0 0 。 地处寒冷气候的北欧国家，如瑞典、丹麦、芬兰等国家，在第二次世界大战以后， 集中供热事业发展迅速，城市集中供热普及率都较高。据1 9 8 2 年资料瑞典首都斯德哥 尔摩市，集中供热普及率为3 5 ；丹麦的集中供热系统遍及全国城镇，向全国1 3 以上 的居民提供供热和热水供应服务。 二战后的德国因其在废墟中进行重建工作，为发展集中供热提供了有力的条件。目 前除柏林、汉堡、慕尼黑等城市已有规模较大的集中供热系统以外。在鲁尔地区和莱茵 河下游，还建立了连接几个城市的城际供热系统。 另外一些工业发达国家，如美、英、法等国家，早期以锅炉房供热来发展集中供热 事业，锅炉房供热占较大比例。不过这些国家已非常重视发展热电联产的集中供热方式。 1 1 2 国内集中供热发展概况 我国的城市集中供热真正起步是从5 0 年代开始的。党的十一届三中全会以后，特 别是国务院1 9 8 6 年下发关于加强城市集中供热管理工作的报告，对我过的集中供 热事业的发展起到极大的推动作用。1 9 9 2 年，全国有1 1 7 个城市建设了集中供热措施， 换热站监控系统开发与智能控制的研究 供热面积达到2 1 2 6 2 万平方米，“三北”地区集中供热普及率达到1 2 t 3 j 1 9 9 3 年，全 国有1 5 8 个城市建设了集中供热措施，供热面积达到了3 2 8 3 2 万平方米，“三北”地区 集中供热普及率达到1 8 t 4 1 。到1 9 9 6 年底我国已有2 8 6 个城市建设了城市集中供热系 统，供热面积达到7 3 4 0 0 万平方米，“三北”地区集中供热普及率达到2 6 1 - 3 。尤其近 几年，随着国民经济的增长和生活水平的提高，越来越多的城市建设了集中供热系统。 虽然我国这些年来集中供热事业得到了迅速发展，但与国外相比，我国目前采暖系 统相当落后，即室温冷热不均，系统热效率低，不仅多耗成倍的能量，而且用户不能自 行调节室温。当前采暖收费大多按面积计费，无助于用户的节能意识，以至于出现一些 不正常的现象。如室温过高开窗，室温过低投诉。使得设计人员及业主尽量加大供热量， 造成效率低、高能耗的重复浪费。我国能源紧缺，而采暖用能又十分浪费。据资料介绍， 我国住宅建筑采暖能耗为相近气候条件的发达国家的3 倍左右。目前采暖用能占全国商 品能源总消耗的9 6 ，采暖能耗不仅造成资源的浪费，而且是大气污染的一个重要因 素 6 - 8 。 在功能上，发达国家通常室内保证温度是2 2 c ，我国仅为1 6 ( 2 ，而且我国的供热质 量很差，室温冷热不均，系统热效率低，大多数地方没有采取按户计量收费，用户不能 自行设定和调节室温等等。我国城市集中供热目前存在的能源浪费主要来源于建筑的保 温隔热和气密性能差以及采暖系统落后两个方面。造成的结果是： ( 1 ) 低效率。我国供热采暖系统普遍在低负荷、低效率下运行，实际供热面积平均只 有设备能力的4 0 左右。管网输送效率低，管道泄露和偷水现象严重。 ( 2 ) 缺乏控制手段。我国供热系统只有简单的调节手段，水力水平失调、垂直失调严 重；没有恒温装置，供热不足和过度时，没有有效调节手段。 ( 3 ) 缺乏计量手段。采暖系统一般不设热表，没有计量收费造成用户不会主动去节能， 没有计量也造成了管理运行人员没有具体数量上的依据来运行管理 1 2 课题来源及意义 随着城市建设的飞速发展，北方地区冬季集中供热成为城市现代化建设所采取的重 要步骤。人类环保意识正在不断增强，由集中供热代替传统的分散供热有助于节约能源、 减少污染，提高经济效益，是城市建设现代化的一个重要标志，热电联产的集中供热方 式将逐步取代中小型锅炉房。大型集中供热网一般为间联式供热网，热电厂提供的高温 过热蒸汽经电厂换热站汽水换热器形成高温热水送至各换热站，高温热水再经换热站 水水换热器形成供暖热水由二次管网送至热用户。通常一个城市有几个区域供热网， 一个区域供热网有几十到上百个换热站，换热站作为热源厂与热用户之间的一个中间环 2 一 大连理工大学硕士学位论文 节【9 】，其供热品质的好坏对改善热网热力工况，提高供热质量起着重要作用。我国集中 供热事业正在不断发展，供热面积在逐年增长，运行管理人员也将不断的增加，这无疑 将增大供热成本。同时，广大热用户对供热的稳定性及供热质量也提出了更高的要求。 如何随时了解各换热站的工作状况和有关信息，并根据这些信息和室外温度对各换热站 及时调节，使整个集中供热系统始终在一个最佳工况下运行，从而获得良好的经济效益 和社会效益是一个供热企业所追求的目标换热站今后发展的趋势是： ( 1 ) 供热系统为全自动系统。 ( 2 ) 换热站设备安全可靠，不考虑备用设备，并且要实现机组化。 ( 3 ) 具有可靠的系统运行信号传输系统，无需运行人员现场值班。 ( 4 ) 节能效果明显，设备运行噪音低。 计算机技术的发展及自控技术的发展使得供热领域里的计算机过程控制成为我国 供热行业里的热点技术问题。它们在供热领域中的应用正迎合着换热站未来发展的要 求。供热计算机监控系统【l 叫3 】是一个大的分布式系统，它包括了下位机的本地控制，上 位机的监控管理和上、下位机数据的通信。但对于实施本地控制的某个换热站又是一个 小系统，所以应将重点放在热力站的本地控制上。热力系统本身是热惯性很大的系统， 并且影响因素千变万化，因此精确的控制几乎不可能，因为一方面气象条件的变化十分 复杂且不能准确预测以及时间的不同、地域的不同、阴晴程度的不同等对温度都有影响， 另一方面供热系统本身存在着严重的滞后，即室外气象条件的变化是绝对的，而且几乎 同步地对室内温度产生影响。但供热系统的调节却是有条件的，不可能过于频繁调节， 并且介质的传输必然产生一定的滞后，再加上散热器系统的滞后，造成供热调节根本无 法跟踪环境气象条件的变化，因此热力站系统属于难控对象。但是另一方面热力系统本 身又是一个大的热容系统，这就使得环境气象条件的急剧变化会被热力系统吸收，再加 上人身体的适应能力对环境温度的要求留有余地，从这个意义上讲热力系统又具有极强 的自适应性和宽松的控制要求，因此它又是一个易控对象。所以对热力站的本地控制成 为整个系统的关键。本课题的来源和意义就在于此。 1 3 作者的主要工作 针对辽渔集团动力公司换热站监控系统这一工程实例，根据该工程的设计要求和现 场的实际情况，设计了基于工业以太网的两级计算机监控系统。在综合考虑现阶段国内 流行的组态软件之后，采用西门子公司的最新组态软件w i n c c 6 0 为换热站的计算机监 控系统。实现实时数据显示、实时数据趋势显示、历史数据保存和查询、故障报警及处 理、数据报表、远程自动手动控制、参数修改及控制等功能。 一3 一 换热站监控系统开发与智能控制的研究 此外，本文针对换热站中的一些工艺参数。特别是换热器的出口温度参数采用常规 p i d 控制效果不好，并且参数整定麻烦这一问题。采用当前先进的智能控制技术结合现 场的实际情况提出了一种新的解决办法，通过仿真试验证明该方法是可行和有效的 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 辽渔集团动力公司换热站监控系统的结构和硬件组成 2 1 换热站的工艺流程 辽渔集团动力公司为热电联产企业，其供热工艺流程如下：用户回水回到电厂，经 电厂沸水器，进行一次加热后，即可对用户进行供热。当室外温度过低时，一次加热量 不能使供水温度达到要求，要进行二次加热。即一次加热后的热水进入换热站的换热器， 利用电厂来蒸汽对其进行二次加热。达到供水要求温度后，向外供热。工艺流程图觅图 2 1 。 图2 1换热站工艺流程图 f i g 2 1 t h et e c h n i c a lp r o e e mc h a r to f h e a t i n ge x c h a n g es t a t i o n 2 2 系统结构及控制要求 该换热站共控制三个区，每个区主要由三台汽水换热器组成换热系统( 两用一备) 、 两台循环水泵组成的循环水系统及两台补水泵组成的补水系统来构成。根据生产工艺设 计要求，换热站的自控系统采用典型的两级监控方式【h l 。上位机以标准的工业控制计算 机( i p c ) 作为主要的人机界面( h m i ) ，为生产管理级，完成对下位机的监控、生产操作 管理等，主要面向操作人员；下位机由可编程控制器( p l c ) 构成，为基础测控级，完成 生产现场的数据采集及过程控制等，面向生产过程。系统网络拓补结构如图2 2 所示。 系统主要功能如下1 1 5 1 ： ( 1 ) 在生产过程中，存在大量的物理量，如压力、温度、流量等模拟量参数。需要 通过p l c 对这些参数进行实时采集和处理。 ( 2 ) 换热站的自动控制，即实现整个供水过程的全自动控制，进行故障诊断，并在 监控画面上显示各工况参数并控制设备运行状态 一5 一 换热站监控系统开发与智能控制的研究 i p c ( 上 图2 2 换热站监控系统结构图 f i g 2 2 t h e 甜z u c t t l r ef i g u r eo f h e a t i n ge x c h a n g es t a t i o nm o n i t o r sa n dc o n t r o l 町删胁 ( 3 ) 根据本地的气候条件以及供热对象的特性，给出一条室外温度与供水温度之间 的对应曲线。控制器可以通过这条曲线根据室外温度传感器测量的室外温度对二次加热 供汽流量进行控制，达到对供水温度的控制。此设计的特点在于能够通过室外温度对供 水的温度进行控制，以达到节省能源，提高供热质量的目的。 ( 4 ) 通过采用压力传感器、控制器以及变频器来实现对供水压力的自动控制，由于 控制器可编程的灵活性，可以实现变频器的低频限制，以避免变频器、水泵长时间在低 频运行，从而保护电机及变频器。 ( 5 ) 采用手操器自动控制。当上位机或下位机出现故障时切换手操器控制，确保 回水压力准确稳定 2 3 系统硬件构成【1 6 ，”】 从图2 _ 2 可以看到，控制室中的下位机用p l c 代替了传统d c s 下位机的计算机板 卡结构，来实现对现场各种物理量的采集和控制，现场级和下位机p l c 之间仍通过 4 - - 2 0 m a 的标准电流信号进行传输。而p i _ c 和控制室上位机之间的数据交换( 通信) ，则 可以根据p l c 的具体配置采用以太网r s 2 3 2 r s 4 8 5 来实现。 当前可编程控制器( p l c ) 是专为工业环境下应用而设计的工业控制计算机，已经成 为电气控制系统中应用最为广泛的核心设备，它不仅能实现复杂的逻辑控制，还能完成 各种顺序或定时的闭环控制，并且抗干扰能力强、可靠性高、稳定性好、体积小，能在 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 恶劣环境下长时间、不问断运行，且编程简单，维护方便，并配有各类通讯接口与处理 模块，可方便各级连接。 为了满足上面提到的换热站监控系统的设计要求，我们选用西门子公司s i m a l r i c 8 7 3 0 0 可编程控制器( 下位机) 和研华公司口c 6 1 0 工控机( 上位机) 构成的两级分布式系 统，两级之间连接采用工业以太网，再配以先进的w 雠c 6 0 监控组态软件，来实现换 热站监控系统的各项功能。 s 7 3 0 0 采用模块化结构、适合密集安装，模块化结构设计使得各种单独的模块之间 可进行广泛组合以用于扩展。在一块机架底板上可安装电源、c p u 、v o 模板、通信处 理器c p 等模块，并且可以通过接口模块实现多个机架的扩展工作方式。根据要求本系 统所选用的硬件产品，如下所示： ( 1 ) 工业控制计算机( c ) a d v a n t e c hm c - 6 1 0 ，p 谢f i u m 2 8 g h z 处理器，5 1 2 m b 内存，8 0 g b 硬盘； ( 2 ) 可编程控制器( s 7 3 0 0 ) 中央处理单元( c p u ) c p u3 1 5 2 d p 信号模块( s m ) s m3 2 1 ，数字量输入模块1 块； s m3 2 2 ，数字量输出模块2 块： s m 3 3 1 ，模拟量输入模块1 l 块； s m3 3 2 ，模拟量输出模块l 块； 通讯处理器( c p ) c p3 4 3 - 1 ； 负载电源模块( p s ) p s3 0 7 ，1 0 a ，电源模块1 块。 接口模块( 蹦) i m3 6 5 ，接口模块2 块。 下面详细介绍各模块的功能。 2 3 1 中央处理单元( c p u ) c p u 3 1 5 2 d p 为标准型c p u 模块，并且在该c p u 模块上集成有现场总线 p r o f m u s d p 通讯接口，主要技术特性为：装在存储器9 6 k b ( r a m ) ，最大 5 1 2 k b ( e e p r o m ) ，工作存储器“k b ( r a m ) ，指令执行时间浮点加为5 0 胂，最大数字 换热站监控系统开发与智能控制的研究 i o 点为1 0 2 4 ，最大模拟i o 通道数为1 2 8 ，定时器1 2 8 个，计数器“个，位存储器2 0 4 8 ， 最大配置4 个机架、3 2 块模块。 2 3 2 信号模块 ( 1 ) 数字输入( d i ) 模块s m 3 2 1 数字输入模块将来自现场的数字信号电平转换成p l c 内部信号电平，经过光电隔 离和滤波后，送到输入缓冲区等待c p u 采样，采样后的信号状态经过背板总线进入输 入映像区。 根据现场实际情况，这里采用的d i 模块为直流1 6 点输入模块，其技术特性如下： 负载电压范围2 0 4 v - 2 8 8 v ，额定负载电压2 4 v ，额定输入电压直流2 4 v ，输入电压“l ” 范围1 3 v - 3 0 v ，输入电压。0 ”范围3 v - + 5 v ，隔离( 与背板总线) 方式为光耦合器。 ( 2 ) 数字输出( d ( ) ) 模块s m 3 2 2 数字量输出模块将s 7 3 0 0 内部信号电平转换成现场需要的外部信号电平。可直接 驱动电磁阀线圈、接触器线圈、微型电动机、指示灯等负载。另外根据负载回路使用电 源的要求，有直流输出模块( 晶体管输出方式) 、交流输出模块( 晶闸管输出方式) 和交直 流两用输出模块( 继电器输出方式) 之分 这里选用s m 3 2 2d 0 3 2xd c 2 4 v 0 5 a 。 ( 3 ) 模拟量输入( a i ) 模块s m 3 31 及模拟量输出( a o ) 模块s m 3 3 2 模拟量输入( a i ) 模块s m 3 3 1 s m 3 3 1 模块主要有，d 转换器、切换开关、恒流源、补偿电路、光电隔离器及逻 辑电路组成。它将控制过程中的模拟信号转换成p l c 内部处理用的数字信号。 这里选用s m 3 3 1a 1 8 1 2 b i t 作为模拟量输入模块，另外，由于现场有很多温度参 数，采用专门的温度测量模块s 1 3 3 1a 1 8 r t d 。s m 3 3 1 模块具有分辨率可调，a d 转 换器4 档积分法，测量范围广、极限值诊断和中断诊断等功能。 模拟量输出( a o ) 模块s m 3 3 2 s m 3 3 2 用于将s 7 3 0 0 的数字信号转换成系统所需要的模拟量信号，控制模拟量调 节器或执行机构。 这里选用s m 3 3 2a 0 8 x1 2 b i t 模块。此模块具有输出的电流和电压范围可调，自诊 断能力和中断能力等功能。 ( 4 ) 通讯处理器 c p 3 4 3 1 用于实现s 7 3 0 0 到工业以太网总线的连接。它自身具有处理器，在工业以 太网上独立处理数据通信并允许进一步连接，完成与编程器、p c 、人机界面的数据通讯。 一8 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 负载电源模块 电源模块p s 3 0 7 用于将1 2 0 2 3 0 v 交流电压转换为2 4 v 直流电压。 这里选用i o a 的电源模块 ( 6 ) 接口模块 i m 3 6 5 用于连接中央机架与一个扩展机架，由两个模块组成，一块插入中央机架， 将另一块插入扩展机架，通过l m 长的连接电缆连接。在一个扩展机架上最多可安装8 块模块。 综上可构成p l c 的结构如图2 3 所示。 图2 3p l c 组成 f i g 2 3 t h ec o n f i g u r a t i o no f p l c 一9 一 换热站监控系统开发与智能控制的研究 3 换热站监控系统软件设计 上面主要介绍了换热站监控系统的结构及硬件组成，本章将进行相应的软件设计和 程序编制介绍。该监控系统软件包括两部分：下位机p l c 控制软件和上位机i p c 监控 软件。下位机p l c 控制软件主要完成换热站现场物理量和报警点的检测，并将测量数 据的结果写入指定的p l c 数据寄存器中，供上位机i p c 读取，同时接收上位机i p c 的 各种控制指令和控制数据，并按照来自上位机i p c 的各种指令实现对换热站的控制与操 作。p l c 的软件设计采用专用的s e ，r p 7 编程软件，并采用结构化编程方式来完成。 上位机i p c 软件主要完成对来自现场的各种物理量数据的实时显示( 包括实时趋势 曲线显示) 、远程自动手动控制、上下位机控制切换、常规p i d 控制智能控制、报警指 示、历史数据查询( 历史趋势曲线显示) 和报表打印等功能。该上位机软件采用w i n c c 6 0 组态软件开发 3 1p l c 软件设计 p l c 控制软件部分主要针对换热站现场物理量的检测以及控制功能的输出，另外也 包括一些系统自诊断功能，报警点的输入和声光报警输出等。p l c 软件由s i m e n s s t e p 7 开发。s t e p 7 是用于s i m a t i cp l c 组态和编程的标准软件包，有多个不同版本， 这里选用的是s t e p 7 标准软件包。编程语言采用功能块图编程语言并采用结构化编程 方式进行编程。 在s t e p 7 的程序结构中，将程序的各组成部分称为逻辑块。逻辑块分为组织块o b 、 功能块f b 、功能f c 、数据块d b 、系统功能块s f b 、系统功能s f c 、系统数据块s d b 各块之问可以相互调用，典型程序结构如图3 1 所示 下面分别介绍各逻辑块的功能。 大连理工大学硕士学位论文 图3 1s t e p 7 典型程序结构 f i g 3 1t h e 咖 i c a l k a l l c t u r e o f s t e p 7 p r o g r a m 3 1 1 组织块 组织块是操作系统与用户程序的接口，用于控制用户程序的运行。组织块由操作系 统调用并控制程序的循环、中断程序的执行、p l c 的启动方式及对诊断错误的响应方式。 组织块分为循环组织块、启动组织块、定期执行组织块、事件驱动组织块、背景组 织块。 循环执行的组织块就是主程序0 1 3 1 。o b i 调用功能块( f b ) 、系统功能块( s f b ) ，或 使用功能调用( f c ) 和系统功能调用( s f c ) 的功能，o b l 被循环地处理。在启动o b 被处 理后( o r e 0 0 用于暖启动，或o b l 0 1 用于热启动，或o b l 0 2 用于冷启动) 首先执行o b l 。 程序中还使用了o b 3 5 循环中断组织块，作用为c p u 进入r u n 状态后，按一定的 间隔时间循环触发的中断。在本设计中，o b 3 5 为p l c 自动控制运行功能部分，完成现 场回水压力自动调节功能。 另外程序中还使用了o b 8 0 ，o b 8 2 ，o b 8 5 ，o b 8 6 ，这些为异步故障中断块。异步 故障中断是由c p u 的操作系统检测到一个异步错误时触发的中断，o b 8 0 为时间错误中 断，如设置循环时间间隔太小；o b 8 2 为诊断中断，如诊断出i o 模板中某个通道短路； o b 8 5 为优先级错误，如程序未安排o b x 组织块；o b 8 6 为机架故障。o b l 2 1 ，o b l 2 2 同步故障中断块。o b l 2 1 为编程中断，o b l 2 2 为i o 访问错误。 3 1 2 功能块 功能块f b 实质上就是用户编写的子程序。功能块主要由两部分组成：局部变量声 明表和控制程序。局部变量声明表对当前逻辑块所使用的局部变量进行声明。当调用功 换热站监控系统开发与智能控制的研究 能块时，通过参数传递的方式将外部数据传递给功能块( 功能块的形式参数赋以实际 值) ，使功能块具有通用性。 本次设计的主要功能块有f b i ，功能为模拟量输入，并根据变送器量程计算出实际 工程值；f b 2 ，温度量输入，并根据变送器量程计算出实际值：f b 3 模拟量输出：f i m ， 初始化，将变送器量程的上下限写入p l c 相应寄存器；f b 5 浮点数转化为双字整型， f b 6 实型转化为双字整型，这两个块为数据类型转换，供报警值比较时使用；f b 4 1 标 准p i d 模块。 3 1 3 数据块 数据块用于存储用户程序所需要的数据或变量，是各个逻辑块之间进行交换、传递 和共享数据的重要途径。 数据块必须遵循先定义、后使用的原则。 本次设计中d b 块主要包括现场来数据，p i d 控制状态数据，p i d 参数设定数据， 现场数据报警输出，模板状态等。 上文已经介绍各逻辑块的详细功能，下面介绍p i , c 软件的设计。 3 1 4p i c 软件程序设计及实现 首先，系统上电，执行o b l 0 0 启动组织块。o b l 0 0 主要完成系统参数的初始化， 写入变送器量程的上下限。这里调用了功能块f b 4 。o b l 0 0 的程序段如图3 2 所示。 图3 2o b l 0 0 的程序段 f i g 3 2t h e p r o g r a m m es e g m e a t o f o b l 此程序段为f b 4 封装的一段程序。相应的f i m 的程序如图3 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 啪 图3 3f i m 的程序 f i g 3 3t h e p r o g r a mo f f b 4 上文所述即为o b 块调用f b 的过程。下文类似内容不在赘述。 其次循环执行o b l 。在本次设计中，o b l 主要完成实时数据采集、报警处理、控制 输出；调用功能块f b i ，f b 5 ，f b 6 。其流程图如图3 4 所示。 换热站监控系统开发与智能控制的研究 图3 4o b i 流程图 f i g 3 a f l o wc h , 8 to f o b l 当p l c 接收来自手操器的信号，由手动控制转为p i , c 自动控制时，p l c 启动o b 3 5 。 0 8 3 5 为p l c 自动控制运行功能部分，完成现场回水压力自动调节功能。o b 3 5 调用f b 4 1 标准p i d 模块。p i d 程序中需要设置的参数见附录a ( 1 ) 中。其中参数is e l 为积分使 能，s pi n t 为设定值，g a i n 为增益设定，1 r i 为积分时间设定，l m nh l m 为p i d 输 出上限值设定，l m nl l m 为p i d 输出下限设定，这些参数需要接收来自上位机的数据。 其余参数则为附录中所示设定。o b 3 5 还调用f b 3 ，将p i d 计算的控制量通过a o 输出 到变频器，对回水压力进行控制。程序流程图如图3 5 所示。 上述程序即为p l c 运行时的基本程序。最后当程序出现错误，则转入相应的错误 处理组织块。组织模块未载入进入处理模块o b 8 5 ：机架故障进入处理模块o b 8 6 ：程序 错误进入处理模块o b l 2 1 ；模块i o 错误进入处理模块o b l 2 2 。这些出错处理模块的程 序为一个空操作，以防止程序跑飞。 大连理工大学硕士学位论文 图3 5o b 3 5 流程图 f i g 3 5f l o wc h a i to f o b 3 5 3 2 上位机监控软件设计 辽渔集团动力公司需要供热的区域分为厂区、西区、家属区，换热站需要对各区的 供水、回水和换热器的温度、压力等数据进行实时监测，并且能将历史数据以多种方式 显示出来，同时还要具备报警和按照客户需求打印出历史数据的功能。本系统采用 w i n c c 6 0 来设计上位机监控软件以实现这些功能。 西门子公司的工业组态控制软件s i m a t i cw i n c c 是第一个使用最新的3 2 位技术 的过程监视系统，是世界上第一个集成的人机界面( h m i ) 软件系统，具有良好的开放性 和灵活性，用来处理生产和过程自动化。w i n c c 代表w i n d o w f lc o n l m lc e n t e r ，即视窗 控制中心，它是西门子公司与微软公司联合开发的产物，在w i n d o w s9 8 或n t 4 0 以及 基于n t 核心的w i n d o w s2 0 0 0 x p 2 0 0 3 操作系统下运行。w i n c c 是在生产过程自动化中 解决可视化和控制任务的工业技术系统。它提供了适用于工业的图形显示、信息、归档 换热站监控系统开发与智能控制的研究 以及报表的功能模板高性能的过程耦合、快速的画面更新、以及可靠的数据传送使其 具有高度的实用性。 除了这些系统功能外，w i n c c 还提供了开放的界面用于用户解决方案。这使得将 w i n c c 参与复杂、广泛的自动控制解决方案成为可能。通用的应用程序，适合所有工 业领域的解决方案；多语言支持，全球通用；可以集成到所有自动化解决方案内；内置 所有操作和管理功能，可简单、有效地进行组态；可基于w e b 持续延展，采用开放性 标准，集成简便；集成的h i s t o r i a n 系统作为r r 和商务集成的平台；可用选件和附加件 进行扩展；“全集成自动化”的组成部分，适用于所有工业和技术领域的解决方案。 本论文所介绍的上位机系统专门为处理实时及历史数据而设计，它要求系统简洁、 稳定、安全可靠，既能接受由下位机传送来的各项数据并实现现场运行参数的检测和显 示，又能对这些数据进行存储，显示，报警，打印为实现这些功能，将设计方案主要 分为如图3 6 所示6 个模块介绍 图3 6 模块示意图 f i g ；3 6 m o d e ls k e t c hm a p ( 1 ) 数据采集：从现场采集数据，读入上位机，并能对变送器的量程进行设置。 辽渔集团供热区域分为西区，厂区以及家属区3 个区域家属区、西区和厂区的数 据从现场传入p l c 后进行采集。其中现场运行参数包括西区，厂区以及家属区3 个区 域各自的供水温度、回水温度、供水压力、回水压力、供水流量、冷凝器入口温度、冷 凝器出口温度、换热器入口温度、换热器出口温度，另外还有独立的室外温度，冷凝水 箱水位，补水箱水位三个参数。为了从下位机接收这些数据，需要在w i n c c 中建立一 套变量来存放这些实时参数，使之成为w i n c c 可调用的参数，然后可对其进行其它相 关组态。w i n c c 里提供了变量组的功能，并且可以自定义变量名，将数目众多的变量 按区域将其分组存储。 ( 2 ) 数据存储：将采集到的数据进行存储，供系统调用。 大连理工大学硕士学位论文 本系统中数据的存储分为两部分实现，一部分是使用w i n c c 白带的归档系统，存 储的数据用于以表格和曲线的形式显示实时及历史数据。但是，由于w i n c c 归档的数 据不包括一些理论数据和运算的过程参数，当用户需要打印运行报表和历史报表的时 候，无法满足打印要求。为此，本系统建立了s q ls e r v e r 数据库，用于提供可根据用户 选定日期范周内的打印功能。 ( 3 ) 数据显示：既能显示实时数据，又能以表格或者曲线的方式显示历史数据。 数据的显示分为两大类。 第一类是实时数据的显示。w i n c e 的画面编辑器中提供输入，输出域这个控件，可 以通过修改该控件的属性方便的实现与w i n c c 里建立的变量进行连接，直接在画面上 显示出当前的实时数据。 第二类是历史数据的显示。为了对供热过程做详细的了解，需要对运行的历史数据 进行查看和调用。w i n c c 的归档组件提供了存储数据并且在图形编辑界面上将历史数 据以表格或者曲线的方式表示出来的功能只要在这些控件上引入需要显示的变量，就 可以将实时运行数据以表格或者曲线显示出来，通过时间轴就可以找到之前的数据，方 便于对系统运行状态的分析。 ( 4 ) 报警：在运行状况超出预设值时进行报警，并允许用户对报警上下限自由设置。 监控系统的一个重要的方面就是必须在出现异常状况的时候提示操作者并且能做 出回应。首先在眦c 里对需要报警的变量进行报警范围的设置，该功能的实现，与 数据采集功能中对于变量的设置类似，建立一个专门用来设置报警上下限的页面，通过 输入，输出域和v b s 脚本来实现。w i n c c 提供专门的报警组件，可以对报警信息的上下 限、报警显示文本、颜色等进行配置，并且在变量恢复正常值时也进行提示。 ( 5 ) p i d 控制参数设定：使用自动和软手动两种控制方式控制回水压力。 为了控制回水压力，需要对补水进行p i d 控