基于研華WebAccess熱力系統(tǒng)優(yōu)化 控制與遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

0 引 言
    集中供暖已經(jīng)是目前熱力系統(tǒng)的必然趨勢(shì)，但由于技術(shù)問題，影響了集中供熱優(yōu)越性的充分發(fā)揮。主要反映在：系統(tǒng)運(yùn)行工況失調(diào)難以消除，造成用戶冷熱不均；供熱參數(shù)未能在最佳工況下運(yùn)行，供熱量與需熱量不匹配；運(yùn)行數(shù)據(jù)不全，難以實(shí)現(xiàn)量化管理。
    搞好城市集中供熱，必須要全面提高供熱技術(shù)水平。一是要提高熱力系統(tǒng)的自動(dòng)化控制水平，另一點(diǎn)就是要提高熱力行業(yè)的管理水平。供熱工程中的自動(dòng)控制對(duì)于保證熱力系統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)供熱、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、環(huán)境保護(hù)具有十分重要的作用。
    目前，熱力系統(tǒng)中的溫度、壓力等工藝參數(shù)由于多種因素，還是控制難題。這里基于普通的PID以及魯棒性很強(qiáng)的內(nèi)模PID設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)這些工藝參數(shù)的閉環(huán)控制；同時(shí)，在監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)上充分考慮了企業(yè)管控一體化的必然趨勢(shì)，采用了先進(jìn)的基于B／S架構(gòu)的研華WebAccess監(jiān)控軟件。該監(jiān)控方案可以通過Web瀏覽器訪問生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程故障診斷，遠(yuǎn)程指揮調(diào)度，遠(yuǎn)程設(shè)備管理等。最終實(shí)現(xiàn)對(duì)熱力系統(tǒng)的良好控制與監(jiān)測(cè)。

l Advantech WebAccess
    研華WebAccess的整體構(gòu)架是基于網(wǎng)絡(luò)的，其基本組成部分有：
    (1)工程節(jié)點(diǎn)。相當(dāng)于工程師站，主要的編程、下載、整體調(diào)試與修改在這里完成，它有最高權(quán)限。同時(shí)還提供客戶端和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)間的初始連接。
    (2)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。首先一個(gè)間接的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，WebAccess支持多種通信協(xié)議與自動(dòng)化設(shè)備連接并通信。WebAccess監(jiān)控節(jié)點(diǎn)主要提供管理控制和數(shù)據(jù)采集(SCADA)功能，包括趨勢(shì)記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)表、排程、報(bào)警和報(bào)警記錄及運(yùn)行記錄等。
    (3)客戶端。實(shí)際上是一種人機(jī)界面(HMI)的插件，它提供實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)顯示、動(dòng)畫、趨勢(shì)、報(bào)警和報(bào)告等功能。WebAccess客戶端使用TCP／IP協(xié)議通過因特網(wǎng)或局域網(wǎng)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)連接，而且允許線上管理員更改點(diǎn)值，確認(rèn)警報(bào)和實(shí)時(shí)控制。
    (4)瘦客戶端PDA。WebAccess的瘦客戶端可以運(yùn)行在嵌入式平臺(tái)上，其實(shí)是擴(kuò)大了監(jiān)控功能。工作人員如果有權(quán)限就通過PDA手機(jī)及手提電腦都可以隨時(shí)了解和控制工程現(xiàn)場(chǎng)的狀況。
    此外WebAccess可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程建構(gòu)、修改圖形及數(shù)據(jù)庫。同時(shí)提供了與AutoCAD相容的矢量繪圖方式，節(jié)省了存儲(chǔ)空間，還可直接導(dǎo)人AutoCAD的DxF文件，提高了繪圖速度。

2 熱力系統(tǒng)優(yōu)化控制
2．1 熱力系統(tǒng)的工作原理
    通過一次網(wǎng)供水管道進(jìn)入換熱器，經(jīng)過熱交換后，再經(jīng)一次網(wǎng)回水管道流回?zé)嵩?。而二次網(wǎng)的水在熱交換后經(jīng)二次網(wǎng)供水管道進(jìn)入取暖用戶的散熱器，用戶取得熱量后，經(jīng)二次網(wǎng)回水管道再進(jìn)入熱交換器，如此循環(huán)給用戶供暖。其中溫度、壓力是熱力系統(tǒng)的主要被控工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)化控制具有重要意義。如圖1所示。
2．2 補(bǔ)水控制
    系統(tǒng)內(nèi)熱水的水壓為P，將壓力變送器安裝在二次網(wǎng)回水主管道上，管網(wǎng)上壓力的變化經(jīng)壓力變送器送到控制器的輸入端。壓力的給定值設(shè)置為P0，當(dāng)供熱系統(tǒng)的壓力低于P0時(shí)，變頻器的輸出頻率上升開始補(bǔ)水；達(dá)到P0時(shí)，反饋信號(hào)與給定信號(hào)基本相等，變頻器輸出頻率下降停止補(bǔ)水，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)補(bǔ)水功能。如圖2所示。

2．3 溫度控制
    溫度是工業(yè)對(duì)象中最主要的被控參數(shù)之一，而供暖過程中又存在許多干擾，如環(huán)境溫度變化、輸熱管散熱等，傳統(tǒng)的PID控制器很難對(duì)溫度進(jìn)行良好的控制。內(nèi)模PID控制器與傳統(tǒng)PID控制器相比包含了整個(gè)過程的模型信息，同時(shí)可以利用解析的方法進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，而且內(nèi)模PID控制器又具有很強(qiáng)的魯棒性、跟蹤調(diào)節(jié)性、抗干擾性。所以對(duì)控制熱力系統(tǒng)有很大優(yōu)勢(shì)。如圖3所示，系統(tǒng)反饋信號(hào)是二次側(cè)供、回水溫差F和外界擾動(dòng)Fw，溫差給定值為R。當(dāng)F+F叫大于F0時(shí)，循環(huán)泵加，使循環(huán)水流量增加；當(dāng)F+Fw=Fn時(shí)變頻器沒動(dòng)作；當(dāng)F+Fw小于F0時(shí)，循環(huán)泵減速使循環(huán)水流量減少(循環(huán)水的流量與用戶所得熱量成正向關(guān)系)。

3 熱力監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3．1 熱力監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
    本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為三層，包括管理層、現(xiàn)場(chǎng)控制層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。
    首先現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括儀表、傳感器、執(zhí)行器等，它們通過總線或串口與PLC進(jìn)行通信完成數(shù)據(jù)交換。是控制系統(tǒng)的最底一層。
    現(xiàn)場(chǎng)控制層包括PLC、工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等，它們之間是通過局域網(wǎng)進(jìn)行相互通信的，完成監(jiān)控、編程、下載、打印等功能。是控制系統(tǒng)的中間一層。
    管理層主要包括監(jiān)控主機(jī)，它們是通過Internet對(duì)各個(gè)換熱站進(jìn)行全面的監(jiān)控。并以此作為決策的一個(gè)重要依據(jù)。同時(shí)在這層還可以連接很多客戶端、瘦客戶端PDA，如果有權(quán)限，可以隨時(shí)隨地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，解決了地域與時(shí)間的限制，方便了管理。具體如圖4所示。

3．2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．2．1 下位機(jī)PLC控制程序的設(shè)計(jì)
    Step7是西門子PLC的編程軟件，該系統(tǒng)選擇梯形圖的編程方式進(jìn)行程序的編寫，應(yīng)用內(nèi)模PID控制算法。

3．2．2 上位機(jī)“研華webAccess”設(shè)計(jì)
    設(shè)計(jì)步驟如下：
    (1)建立熱力監(jiān)控系統(tǒng)的工程項(xiàng)目，并為工程節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控節(jié)點(diǎn)設(shè)置合適的IP地址，選擇TCP／1P方式與西門子PLC通信；
    (2)設(shè)計(jì)熱力系統(tǒng)的登陸畫面、主畫面、PID控制站畫面、報(bào)警群組畫面、實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫面、歷史趨勢(shì)畫面、報(bào)表等；
    (3)完成各個(gè)工作畫面所需要的監(jiān)控點(diǎn)的鏈接；
    (4)利用腳本語言完成畫面的切換與動(dòng)畫的實(shí)現(xiàn)；
    (5)保存設(shè)計(jì)文件，通過網(wǎng)絡(luò)下載到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，然后就可以進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。再通過調(diào)試、修改程序，直到完善整個(gè)工程。

4 熱力監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
    當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)的配置完成后，啟動(dòng)工程核心程序和監(jiān)控，進(jìn)入熱力監(jiān)控系統(tǒng)的登陸界面，如圖5所示。

    進(jìn)入登陸畫面后，輸入管理員名稱和密碼進(jìn)入熱力系統(tǒng)主畫面，主畫面的菜單包含了系統(tǒng)的所有的功能，可以切換到其他任何監(jiān)控畫面，非常人性化。如圖6所示。

5 結(jié) 語
    這里基于內(nèi)模PID控制方法設(shè)計(jì)了熱力系統(tǒng)中二次網(wǎng)的溫度、壓力的基礎(chǔ)級(jí)回路的控制器。實(shí)現(xiàn)了熱力系統(tǒng)重要工藝參數(shù)的閉環(huán)控制；同時(shí)基于“研華webAccess”軟件把各個(gè)節(jié)點(diǎn)及自控設(shè)備連接起來構(gòu)成一個(gè)完整的、網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)了熱力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其基于網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)使其在未來工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域有較高的推廣價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。
    這里把先進(jìn)的內(nèi)模PID控制算法應(yīng)用于熱力系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，首次嘗試網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的使用。