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案例頻道1 引言
目前我國北方許多城市已經(jīng)或者即將進(jìn)行熱網(wǎng)改造工程，將傳統(tǒng)的分散供熱改造為集中供熱。由城市周邊的熱電廠的供熱機(jī)組提供熱源，在城市中建設(shè)熱交換站統(tǒng)一向用戶供熱。以前的換熱站多為地上建筑，占地面積大影響城市美觀，設(shè)備運(yùn)行為人工調(diào)節(jié)，隨著室外溫度的不斷改變，應(yīng)不斷的調(diào)節(jié)二次供水的溫度以保證室內(nèi)能夠維持恒定的溫度，在這種情況下，人工手動調(diào)節(jié)存在著較大偏差，只能夠進(jìn)行初步調(diào)節(jié)，不能夠滿足居民對室內(nèi)溫度恒定的要求。
為了改變這一情況，本文提出了基于DSP的現(xiàn)場控制器，并將其應(yīng)用于熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中。系統(tǒng)控制部分采用分布式控制模式，監(jiān)測部分采用集中監(jiān)測模式，保證了系統(tǒng)的實(shí)時性、安全性。鑒于篇幅，本文重點(diǎn)介紹現(xiàn)場控制器的熱力站控制部分的實(shí)現(xiàn)。
2 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理
熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)和現(xiàn)場控制器組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是在一次設(shè)備(傳感器、變送器、各種執(zhí)行機(jī)構(gòu))的基礎(chǔ)上完成對熱網(wǎng)的監(jiān)測與控制，通過調(diào)節(jié)供熱管網(wǎng)的供水流量、供水溫度、供水壓力，保證熱網(wǎng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定的運(yùn)行。根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，考慮到通用性、實(shí)時性和可擴(kuò)展性等方面的因素，采用了主要由上位計算機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場控制器構(gòu)成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)工作過程如下:上位機(jī)首先初始化CAN網(wǎng)卡,設(shè)置網(wǎng)卡工作模式、接收碼、接收屏蔽碼和波特率,然后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài),在適當(dāng)條件下與現(xiàn)場控制器進(jìn)行通信。現(xiàn)場控制器主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場設(shè)備的控制等功能,并以查詢或中斷方式與主機(jī)進(jìn)行通信。
2．2 系統(tǒng)各部分功能介紹
CAN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用總線式結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低，系統(tǒng)可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線。
上位計算機(jī)采用工控機(jī)，其負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)進(jìn)行管理。上位機(jī)通過CAN網(wǎng)卡與現(xiàn)場控制器通信，同時通過局域網(wǎng)或者公共電話交換網(wǎng)與整個工廠或者公司的計算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)信息共享。上位機(jī)具有組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程控制、流程顯示、數(shù)據(jù)存儲、趨勢顯示、報表打印、通信等功能。
CAN網(wǎng)卡是負(fù)責(zé)CAN總線與PC機(jī)之間數(shù)據(jù)交換的功能模塊。CAN網(wǎng)卡上存在兩個方向的數(shù)據(jù)交換：CAN網(wǎng)卡與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換(通過雙端口RAM實(shí)現(xiàn))以及CAN網(wǎng)卡與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換(由微處理器通過訪問CAN控制器的接收緩沖區(qū)以及發(fā)送緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn))。CAN網(wǎng)卡上的CAN控制器選用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。
現(xiàn)場控制器具有通信、數(shù)據(jù)采集、智能控制、報警、現(xiàn)場顯示及數(shù)據(jù)存儲和處理功能，采用PID閉環(huán)控制算法，對被控對象進(jìn)行迅速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制。可脫離網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行。
3 熱力站控制系統(tǒng)設(shè)計
3．1 熱力站控制系統(tǒng)
熱力站的基本控制策略就是要保證二次水出口有一個恒定的預(yù)設(shè)定溫度。控制元件是換熱器一次水出口的循環(huán)泵,該循環(huán)泵控制換熱器的一次水的流量。控制由軟件實(shí)現(xiàn),該軟件中將預(yù)設(shè)定溫度值作為設(shè)定值,測量所得溫度值作為輸入值,循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速作為輸出值。預(yù)設(shè)定溫度值根據(jù)供暖曲線結(jié)合室外溫度計算得出,每個熱力站均安裝了室外溫度傳感器,通過現(xiàn)場控制器計算出當(dāng)前的預(yù)設(shè)定溫度,這個設(shè)定值是隨著室外溫度的變化而隨時改變的，變化規(guī)律反映于供暖曲線中。
該曲線是根據(jù)實(shí)際供熱管理中總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)曲線而獲得的。各地由于實(shí)際供暖情況不同，曲線有所不同。用戶將本地區(qū)的規(guī)律曲線用5個關(guān)鍵點(diǎn)連接起來，可將該曲線的函數(shù)表達(dá)式輸入控制器，供暖曲線如圖2所示。
圖2 供暖曲線
二次供水溫度與由循環(huán)泵控制的一次水流量有關(guān),本系統(tǒng)設(shè)計為流量內(nèi)環(huán)、溫度外環(huán)的串級控制系統(tǒng),使系統(tǒng)的滯后性大大縮短。通過兩個PID 調(diào)節(jié)器PID(T) 和PID(F) ,使二次供水溫度趨近于預(yù)設(shè)定溫度。圖3為熱力站控制系統(tǒng)框圖。
圖3 熱力站控制系統(tǒng)框圖
3．2 現(xiàn)場控制器硬件系統(tǒng)
現(xiàn)場控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4 現(xiàn)場控制器的結(jié)構(gòu)框圖
該現(xiàn)場控制器具有14路模擬量輸入端口、2路模擬量輸出端口、4路開關(guān)量輸入端口、4路開關(guān)量輸出端口以及時鐘接口、數(shù)據(jù)存儲接口、液晶顯示接口、網(wǎng)絡(luò)通信接口、報警輸出接口等。本系統(tǒng)采用TI公司的帶有10位A/D轉(zhuǎn)換器和CAN控制器的DSP
芯片TMS320LF
圖6 模擬量輸出單元具體電路
模擬量輸入接口電路如圖5所示（這里僅給出了一個通道，其他13路通道與此相同）。為保證采樣精度，本系統(tǒng)選用了千分之一精度的低溫系統(tǒng)的電阻（100歐）取樣,將4到20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為0.66到3.3V的電壓信號，輸入到DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320LF
模擬量輸出單元具體電路如圖6所示（這里僅給出了一個通道，其他通道與此相同）。該系統(tǒng)采用4通道12位雙緩沖的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7625將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為0到2.5V的模擬電壓量，通過調(diào)理電路將輸出電平按比例轉(zhuǎn)換為0到5V，為消除傳輸線電阻的壓降對精度的影響，減小外界干擾對傳輸線的作用，采用電流環(huán)XTR110將0到5V的電壓信號轉(zhuǎn)化為4到20mA的電流信號，以便于傳輸。DAC7625的片選信號/CS和載入DAC輸入控制信號/LDAC分別來自CPLD的輸出端。
3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)中有兩個PID控制器，圖3中，控制器PID(F)為副控制器，PID(T)為主控制器。該系統(tǒng)的計算順序?yàn)橄戎骰芈罚?SPAN lang=EN-US>PID(T)）,后副回路(PID(F))。控制方式有兩種：異步采樣控制和同步采樣控制，本系統(tǒng)采用同步采樣控制，采樣周期根據(jù)副回路選擇。為減輕CPU工作負(fù)擔(dān)，減小誤動作時的影響，本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。
離散的PID表達(dá)式為：
圖5 增量式PID控制算法程序框圖
4 結(jié)束語
在熱力站內(nèi)對用戶供熱系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測和控制，能很好地保證用戶室溫在設(shè)定范圍內(nèi)波動，不僅節(jié)省了人力和物力，節(jié)約了大量能源，而且提高了自動化程度和管理水平，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號