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)
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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。