杭州西门子S7-300代理商

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一、前言

　　在城市集中供热系统中，热力站作为热网系统面对系统热用户后一级调节单元，热力站的控制效果直接决定热用户的采暖效果。太原市热力公司所辖城市热网包含400余座热力站，供热面积覆盖太原市总采暖面积的60%，所有热力站均采用间连型热力换热站。

　　在间连热网热力站中，二次网供回水压力、温度及liuliang均是影响供热效果的重要因素，而二次网各供参数的调节主要是依靠对二次网循环泵及补水泵的控制。传统的热力站控制中，循环泵与补水泵一般都采用工频泵，系统在设计选型时已经决定了系统二次网的主要参数，但是相对的，系统的适应性、扩展性及各参数的jingque调整均受到极大限制。

　　太原热力公司自99年起，开始逐步对太原集中供热热网的各个热力站进行自动控制化改造。对于原有的热力站，统一增加自控仪表、PLC及变频设备；对于新建的热力站，在设计时即在工艺系统基础上引入自控设备。自控系统辅助将热力站的控制jingque化，结合热网中控室全网平衡系统及通讯网络系统，进行全网均匀调节，达到较好的控制效果。本文着重介绍自控系统及变频器在热力站控制中的应用。

　　二、热力站自控系统构成

　　间连型热力站自控系统按设备类型分，可分为：温度、压力变送器，liuliang计，电动调节阀，循环泵及补水泵；按控制回路分，则可分为：一次网liuliang控制回路、二次网循环控制回路、二次网定压回路。 

　　在热力站自控系统中，一次网liuliang控制回路主要通过调节一次回水调节阀来实现。二次网的调节回路则是通过调节二次网循环泵及补水泵转速来实现。一次网的控制指令主要由热网调度中心根据全网平衡算法下发，而二次网循环泵及补水泵变频器转速则由站内PLC系统依据各热力站所带热网的实际情况计算得出。

　　热力站自控系统结构如下图。

　　图1 典型热力站系统结构图

　　三、系统控制思想

　　在集中供热工程中由于各用户的建筑面积、暖气片性能及房屋保温质量各不相同，很难确定一组典型的室内温度作为直接被控量，而供、回水的平均温度从整体上反映了各用户暖气片的平均温度，因此一般的供热系统都是根据室外环境温度及不同的供热时段来控制供、回水平均温度的方法来间接控制用户室温。

　　在太原各热网控制中，由于在进行热力站自控改造的同时，对热网调度系统也进行了调整。目前太原各个热力分公司热网调度中心都加设了全网平衡系统，调度中心通过与个热力站进行通讯，获取热网数据，并根据室外温度情况对全网热力站的供热效果进行均匀调整。

　　各热力站从控制中心获取对应的二次网供回水平均温度，站内系统将独立控制回路分为二次网供回水平均温度控制回路和一次网liuliang控制回路，根据平均温度的偏差确定一次网liuliang的设定值，然后调节阀门开度使liuliang达到设定值。

　　站内的控制系统还根据热力站的实际情况对二次网循环泵及补水泵进行调速，

　　系统根据二次网供、回水平均温度的温差，通过变频器自动调节循环泵的转速，实现对系统总liuliang和温度的调节。使循环水泵按照实际负荷输出功率，减少不必要的电能损失，实现小liuliang大温差的运行模式。通过此举，可以及时地把liuliang、扬程调整到需要的数值上，消除多余的电能消耗，从而达到良好的节能效果。通常热力系统会设计两台变频泵，这不仅是为了系统备用，也是为了防止系统超调。如果负荷不够，则泵的转速加大，达到100％时还不满足要求，则启动第二台泵。同时系统还可以根据运行时间自动切换各循环泵，也提供低水压保护和连锁功能。

　　控制系统的二网供、回水压力是热网安全运行的重要参数。供水压力过高可能造成热水管道及用户暖气片的破裂；供、回水压力过低，使得部分热用户无法的到足够热量。恒压控制的佳方案是对补水泵进行变频调速控制，但考虑此处对压力的稳定性要求并不高，只要压力不超出某一范围即可，所以也可以采用开关补水控制方案。

　　四、热力站控制系统的实现

　　1、一网回路控制：

　　热力站的一次网回路控制，主要是热负荷控制。通过控制调节一次网回路上的电动调节阀，来调节流过热力站的一次热水的liuliang。在全网控制系统中，全网控制中心根据目前室外温度情况，参考热源的运行情况及各热力站反馈的二次网运行数据，计算出各热力站一次网控制阀门的开度指令或二次网目标控制温度。热力站系统根据全网控制中心下发的指令，调节一次网liuliang调节阀，从而实现全热网的热资源均匀分配。

　　一次网回路控制中主要的参考对象为热力站一、二次网供回水温度；一网控制的对象为一次网调节阀；控制目的为提供热力站必须的供暖热量。

　　2、二次网循环泵控制：

　　热力站系统二次网循环泵是通过变频器来调速。

　　传统热力站系统循环泵通常采用工频泵，循环泵选定后，热力站二次网的liuliang无法进行调整，从而造成热力站系统无法根据室外温度及实际供热需求来调整，造成热力及电力资源的浪费。而且大功率的工频泵在起停时会对电网造成冲击。

　　目前，热力系统自控改造中，对15KW以上的循环泵普遍使用变频控制。一般的循环泵均采用压差控制方式，即循环泵的转速受二次网供回水压差调整。压差控制的方式可以通过调节循环泵转速，调节二网liuliang以满足供热需求，从而减少浪费。

　　在热力站循环泵控制中，我们采用供回水温差结合供回水压差控制的方式。

　　热力站控制系统根据各系统的实际情况，设定一个供回水压差目标值。设定此供回水压差值以满足二次管网的供暖水循环。在此基础上，热力站PLC系统通过测量二次网供回水温差来对循环泵进行修正。当二网供回水温差偏大时，则需tigao循环泵转速，加大二网liuliang，tigao二网回水温度，改善供热效果；当二网供回水温差过小时，需适当降低循环泵转速，减小二次网的liuliang，实现小liuliang大温差的运行模式。这种调整可以起到节约电能及热能的效果，在大型热网中，这种节能手段就能取得可观的效果。

　　3、二网定压补水控制：

　　二次网的补水控制采用的是定压控制，传统热力站中往往采用压力表电节点控制。随着城市集中供热的发展，系统的热负荷越来越大，热力站系统所带的供暖面积都比较大，并且供热网条件不一，二网系统的水力损失较大。严重的水力损失使得二次网的补水系统压力加大，补水频繁。而传统的工频补水泵的频繁起停，容易造成二次管网压力的波动。

　　在热负荷较大的系统中，我们采用补水泵变频控制，对补水系统进行jingque的微调。当系统失水时，二网压力下降，系统会通过变频器控制补水泵以一定的转速进行补水，补水泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调整，从而避免补水泵在启动和停止时对二次网系统的冲击。

　　4.现场人机界面

　　在现场人机界面上，可以通过操作面板任意调节系统所需的各种运行状态，例如：一、二次网供回水温度及温差，变频器大小运行频率等，并可随时查阅以往运行记录。根据用户要求可将当前参数以画面、曲线、报表的形式在屏幕上显示。

　　五、热力站自控系统的优点

　　在热力站中使用变频器及可编程控制器，充分发挥变频器的调速和节能的优点及可编程控制器配置灵活、控制可靠、编程方便的优点，使整个系统的稳定性有了可靠保障。

　　通过热力站自动控制系统的投运，过去主要依靠人工调节的控制手段得到了彻底改善，热网的运行得到合理控制，失调现象得到了有效地解决，消除了热网中各站冷热不均的现象。按需供热、节能降耗，改变了不合理的小温差大liuliang运行方式，既保证了远端客户的供热需要又避免了近端用户的过热现象直接tigao了热网的供热效果。

随着PLC技术的不断发展，越来越显示其强大的核心控制功能，PLC和其他设备之间的连接已经从比较烦琐的传统I/O方式向越来越受欢迎的简洁先进的通信方式过渡，不仅为设计者节省了大量的硬件成本，更能为远程控制，组网提供了可能，使控制系统更加无缝地融为一体。

　　本文主要通过艾默生PLC和多台变频器组网通信（以MODBUS协议方式）为例，说明PLC和多台变频器网络控制的通信程序的设计方法。

　　一、 MODBUS协议简要介绍

　　Modbus协议由美国的MODICON公司提出，通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控，它已经成为一通用工业标准。控制器通信使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：IPC，HMI，PLC等；典型的从设备：各种仪表，PLC，变频器等。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回一消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回应。Modbus协议建立了主设备查询和从设备回应的格式：设备（或广播）地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。Modbus协议同时支持RTU模式和ASCII模式，RTU模式对应的帧格式如下：(ASCII模式介绍省略)
 
更详细的说明请查阅MODBUS协议的有关资料（或登陆网站 www.modbus.org）。

　　二、 艾默生PLC集成的MODBUS协议功能

　　艾默生EC20系列PLC的通信口COM 1集成了MODBUS主站协议， 在编程时先在编程软件的系统块里进行设置具体如下：系统块—>“通信口”菜单—>“通信口1参数设置”菜单—> 选“MODBUS协议”—> 进行“MODBUS设置”—> 进行通信参数和（主模式）站号等设置即可。
然后利用MODBUS指令进行编程-----------MODBUS (S1) （S2）（S3）各参数含义如下：
S1  指定的通讯通道;    
S2  发送数据起始地址;     
S3  接收数据起始地址;
MODBUS指令发送过程中，自动加上所需的起始字符，结束字符和校验和；发送的数据，不需设定发送的数据长度，系统会根据功能码自动按系统内部设定长度进行发送。
2个重要的通信标志：SM135-- MODBUS的通讯成功标志位，通讯成功时置位,不会自动复位，所以在发送数据的时候要进行一次复位；SM136—MODBUS的通信错误标志位，通信错误（包括从设备没有回应）时置位，不会自动复位，所以在接收数据的时候要进行一次复位；
三、 艾默生变频器通信协议
 
　　艾默生公司生产的EV系列变频器都集成MODBUS协议，且提供RS232C和RS485通信口供用户选择，所以通过PLC和变频器通信的方式完成控制比较简单经济，而且显得系统比较，下面简单介绍其协议：
1. 支持MODBUS RTU和ASCII格式；
2. 参数的MODBUS协议地址影射规则：变频器的功能码参数、控制参数和状态参数都映射为Modbus的读写寄存器。变频器功能码的组号映射为寄存器地址的高字节，组内索引映射为寄存器地址的低字节。变频器的控制参数和状态参数均虚拟为变频器功能码组。功能码组号与其映射的寄存器地址高字节的对应关系如下：F0组：0x00；F1组：0x01；F2组：0x02；F3组：0x03；F4组：0x04；F5组：0x05；F6组：0x06；F7组：0x07；F8组：0x08；F9组：0x09；FA组：0x0A；Fb组：0x0B；FC组：0x0C；Fd组：0x0D；FE组：0x0E；FF组：0x0F；FH组：0x10；FL组：0x11；Fn组：0x12；FP组：0x13；FU组：0x14；变频器控制参数组：0x32；变频器状态参数组：0x33。例如变频器功能码参数F3.02的寄存器地址为0x302，变频器功能码参数FF.01的寄存器地址为0xF01。
3. 支持的功能码如下：


4. 具体的协议介绍请参考艾默生变频器用户手册；
 
　　四、 程序流程图
　　主设备对从设备的消息查询命令主要分为2大类，连续命令序列和随机命令序列。
　　连续命令序列: 主设备需要定时或连续向从设备发送的命令序列.特点是周期性,连续性.如PLC对变频器读取运行频率命令,运行状态命令等。
　　随机命令序列: 主设备不定时或随机向从设备发送的命令序列.特点是不定时性,随机性.如PLC对变频器的启停控制,改写频率或其他参数等。

　　五、 程序清单：( 子程序和主程序 )

　　本程序主要介绍1台EC20PLC（作为主站）按照MODBUS协议网络对3台变频器(从站号分别是2,3,4)进行通信控制的简单范例，本例中：
连续命令序列 包括对2,3,4号变频器的运行频率的读取；
随机命令序列 包括对2,3,4号变频器进行启动，停止，更改频率的命令操作;

随着我国自动化控制水平的不断tigao，PLC(可编程序控制器)、文本显示器、触摸屏已广泛应用于各行各业，现将它们作一简单介绍，并阐述其在瑞气公司制氮设备中的应用。

　　一、可编程序控制器

　　在自动化控制领域，PLC(Programmable Logic Controller)是一种重要的控制设备。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。目前，世界上有200多厂家生产几百个品种PLC产品，例如：美国AB，德国siemens，日本三菱、Omron，施耐德，GE等，在PLC应用方面，我国是很活跃的，应用的行业也很广。例如钢铁、机械、冶金、食品、饮料、包装、汽车、石化等行业。

　　从结构上分，PLC分为固定式和组合式(模块式)两种。固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。

　　CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去指挥有关的控制电路。

　　CPU主要由运算器、控制器、寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态总线构成，CPU单元还包括外围芯片、总线接口及有关电路。内存主要用于存储程序及数据，是PLC不可缺少的组成单元。CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，IO数量及软件容量等，因此限制着控制规模。

　　PLC系统的其它设备：

　　1、编程设备：编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直接参与现场控制运行。小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机(运行编程软件)充当编程器。

　　2、人机界面：简单的人机界面是指示灯、按钮等，目前液晶屏(或触摸屏)式的一体式操作员终端应用越来越广泛，由计算机(运行组态软件)充当人机界面非常普及。

　　3、输入输出设备：用于性地存储用户数据，如EPROM、EEPROM写入器、条码阅读器，输入模拟量的电位器，打印机等。

　　目前，国内PLC市场仍以国外产品为主，瑞气公司主要是采用德国Siemens S7-200系列(S7-200系列销售突破10万台，Profibus全球节点超过1000万)，它在PLC市场领域中占有率相当高。

　　瑞气公司根据工艺的要求、系统控制功能特点、用户的需要及变压吸附和再生的技术要求，确定分子筛吸附、再生、均压等各阶段的时间，用梯形图或指令语句方式编辑PLC控制程序，控制各阶段阀门的开关状态及有关相应的报警(如：纯度、碳位报警等)。如用户需要在线显示、修改参数(如纯度、压力、liuliang、温度、露点等)及提供预留给用户标准信号(如电流信号：4-20mA)作DCS系统。如需要在线显示、修改参数要增加模拟量扩展模块与显示部分(文本显示器TD200或触摸屏显示)。

　　碳位报警系统：当设备在长期使用过程中，吸附塔内分子筛逐渐下沉，当下沉到一定程度，PLC控制系统会发出间断声光报警，即提示用户应尽快添加分子筛，但系统仍然可继续运行，报警同时存在;这时候如果用户继续使用设备，分子筛继续下沉到另一个程度，这时制氮机会自动卸压后停机，同时发会发出连续声光报警，此时应立即添加分子筛，否则系统拒绝工作。

　　纯度报警系统：当产品气纯度达不到预先设定纯度值时(纯度设定值是通过二次仪表、TD200或触摸屏进行设定的)，PLC控制系统会发出间断声光报警，并对不合格气体进行排空(有自动排空与手动排空，根据用户需求自选)。若不合格气体连续排空时间超过1小时(排空时间长短可通过TD200或触摸屏进行设置)，则说明设备存在故障，不能制得合格气体。控制系统会自动卸压后停机，并发出间断声光报警。

　　由于压力、liuliang、温度及露点等(电流或电压信号)这些信号是模拟信号，因此必须通过EM231(模拟量输入模块)进行A/D转换，然后通过PLC编程在TD200或触摸屏上显示。根据这些数据再通过PLC编程进行与预置参数进行比较，超过或低于预置值将发出报警信号。报警信息详细内容可在TD200或触摸屏上查找。在纯化系统中通过PLC编程可以进行自动加氢控制与闭环控制;通过PLC编程对温度进行PID控制。PID控制精度高，波动小，响应快。PID调节中，用比例环节(P)来决定基本的调节响应力度，用微分环节(D)来加速对快速变动的响应，用积分环节(I)来消除残留误差。对PID进行整定时，总是先调节比例环节，然后一般是调节积分环节，后调节微分环节。

二、文本显示器

　　目前上使用的文本显示器有西门子、HITECH、eView、台达等品牌。其中西门子TD200文本显示器为普遍，它是所有SIMATIC S7-200系列操作员界面问题的佳解决方法。

　　TD200连接很简单，只需用它提供的连接电缆接到CPU 22X系列PPI接口上即可。不需要单独的电源(如果TD200与S7-200系列之间距离超过2.5m,需接额外电源)。背光LCD液晶显示(即使在逆光情况下也容易看清)。

　　TD200具有下列用途：

　　1、显示信息---显示多80条信息，每条信息多可包含4个变量。

　　2、在控制系统中起设定和修正参数的作用，例如：改变动作、报警等的设定值。

　　3、可以提供8个由用户自定义的功能键。

　　4、提供密码保护功能。

　　瑞气变压吸附制氮、制氧设备及氮气纯化设备中，一般均配有TD200文本显示器，它可以方便用户进行设备运行参数、状态查询，并能在授权的状况下对系统参数进行适当的修改，极大地满足了用户对产品操作使用简单有效的要求。

　　典型使用情况如下：

　　1、显示制氮设备换热器出口气体温度，超温时自动跳出文字报警信息。

　　2、氮气低压故障报警处理

　　当氮气压力低于设定值时，文本显示器有文字提示。一旦氮气压力满足条件，系统恢复正常，并对故障报警自动复位。

　　3、 超温故障报警处理

　　当系统由于硬件损坏而引起不正常的加温，如SSR(固态继电器)，CPU继电器的接点、热电偶等器件的损坏而引起，这些故障须用户特别小心注意，发现此故障应立即检查维修。故障有指示灯闪烁报警，并有文字提示。

　　4、显示设备运行的累计时间

　　三、触摸屏(人机界面Human Machine Interface)

　　在工业控制领域，随着生产方式和技术的进步，人机交流的工具已从机械的操作杆、按钮开关和指示灯等发展到了友好的触摸屏和信息面板等。由于人机界面(HMI)产品的应用越来越广，HMI产品和供应商也越来越多，从技术、产品到市场等各环节看，融操作监控、数据存取、参数修改功能于一体的HMI已逐渐成为一个相对独立的产业门类。目前，世界上触摸屏的品牌很多，例如：SIEMENS 、OMRON、施耐德、三菱、A&B、台湾EVIEW ，HITECH、日本HAKKO、富士等等，其中，PRO-FACE是世界上为数不多的HMI供应商。据有关报告显示，Pro-face在中国的HMI市场中表现出色，成为其中的品牌。

　　Pro-face是全球的日本Digital电子有限公司的主要成员之一，公司主要产品包括：可编程触摸屏(GP系列、ST)、平板式工业计算机(PL系列、PS系列)、图形逻辑控制器(LT系列、GLC系列)以及IT产品信息终端等各类人机界面。

　　日本Digital电子有限公司成立于1972年，是全球HMI行业。20多年来以其精湛的技术，优良的品质和严格的管理享誉全球，Pro-face这一品牌已成为优质人机界面的代名词。Pro-face它以其出众的外观、紧密的结构设计、高效的运算能力、杰出的控制体系、卓越的品质和完善的服务，令众多高端机械设备生产厂商和各大型项目工程单位对Pro-face的产品爱不释手。尤其是他们的可编程触摸屏，可连接世界上200多个品牌PLC，为我们提供了更大的操作空间。

　　上图是瑞气制氮设备运用Pro-face的(GP37-W2型)触摸屏示意图。从这幅画面上我们可以了解到设备的工作状态(设备处于停止。。)、累计运行时间(245小时12分12秒)、工作流程及阀门的开、关状态，还可以通过上面按钮开停机、参数设置、查看系统故障信息等。例如还可以显示气体进出口压力、出口liuliang、纯度、温度、露点及其它们的记录曲线等。它也可以作为用户中控室的实时监控装备