空调控制系统|西门子PLC自控系统详细介绍

换热站是供热系统中的重要组成部分，本文以太原某换热站为例介绍了换热站监控系统的组成、功能及实现方法。本案例采用的控制系统为SIEMENS S7-200 PLC，以此结合SIEMENS Smart700触摸屏进行现场数据采集控制。系统为BAS系统预留了标准的modbus-RTU通讯接口，方便BAS上位机对换热站进行实时监控。用户可以根据现场情况及时调节换热站参数，提高换热站的自动化程度，降低运行成本，增强可靠性。
传统换热站大多采用人工监控，一方面浪费人力，另一方面在出现事故隐患时操作人员难以发现，易造成热力失衡，影响供热效果，还会造成能源的***浪费。如在换热站中引入PLC、触摸屏及上位监控系统等自控设备，可对现场设备实时监测和控制，不仅大大提高了工作效率，降低了故障发生率，还使控制过程更加直观、调节和控制更加方便。
1 换热站
换热站自控系统按设备类型分，可分为PLC控制器、人机界面、温度及压力变送器、电动液压调节阀、变频器、循环泵、***泵；按控制回路分，可分为一次管网流量控制回路和二次管网压差控制回路。
1.1 一次管网回路控制
换热站的一次管网回路控制，主要是热负荷控制。通过控制调节一次管网回路上的电动调节阀，来调节流经板换的一次管网蒸汽或热水的流量，从而实现对二次管网出水温度的控制。
 
图1.一次管网示意图

1.2 二次管网循环泵控制
换热站系统二次管网循环泵是通过变频器来调节控制的。系统采用PID算法，比较供回水压差设定值与反馈值的差值，自动计算出变频器运行频率。控制系统根据实际情况，设定一个供回水压差目标值以满足二次管网的供暖水循环。在此基础上，PLC系统通过测量供回水温差来对循环泵进行修正。当二次管网供回水温差偏大时，则提高循环泵转速，加大二次网的流量，提高二次管网的回水温度，以改善供热效果；当二次管网供回水温差过小时，需适当降低循环泵转速，减小二次管网的流量，实现小流量大温差的运行模式。这种循环泵的控制方式可以起到节约电能及热能的效果。
启动系统后，变频器先投入运行的，当变频频率上升到50Hz并保持一段时间，系统默认单台水泵不能满足运行需求，会增加一台运行水泵。增泵时系统先将运行的变频泵切换到工频运行，然后投入另外一台水泵变频运行。当二台水泵投入运行后，如果变频器频率下降到20Hz并保持一段时间，系统默认此时水泵运行台数过多，会将工频运行的水泵停止。当变频器在运行过程中出现故障时，备用的水泵会工频投入运行。
 
图2.变频器控制主回路

1.3 二次管网定压***控制
二次管网的***控制采用的是定压控制。当系统失水时，二次管网压力下降，系统会通过变频器控制***泵以一定的转速进行***，***泵的转速根据当前压力与目标压力的差值均匀调速，从而避免***泵在启动和停止时对二次管网系统的冲击。

2 系统设计

该换热站以就地控制为核心，将现场的温度、压力、阀门开度、泵的起停状态等信号传输到控制器，由其进行采集和控制，还可以通过modbus-RTU通讯的方式，与上位机保持实时连接。

2.1 现场仪表和执行机构
换热站仪表和执行机构清单如表1所示。

表1 仪表和执行机构清单 
序号 名称 型号 数量
1 水温传感器 QAE2164 4
2 压力传感器 HUBA501 2
3 电动液压调节阀 SKC62 2
4 调节阀 VVF53.100 2
5 ***泵变频器 ACS510-3Kw 1
6 循环泵变频器 ACS510-15Kw 1

2.2 硬件构成
针对该换热站现场控制需求，SIEMENS S7-200 PLC及触摸屏产品列表如表2。

表2 PLC及触摸屏产品列表 
序号 名称 型号 规格 数量
1 触摸屏 Smart700 7寸，256色真彩，以太网 1
2 CPU CPU224XP 14DI/10DO/2AI/1AO 1
3 以太网 EM243-1 TCP/IP以太网模块 1
4 开关量输入 EM221 8DI开关量输入 1
5 开关量输出 EM222 8DO开关量输出（继电器） 1
6 模拟量输入 EM231 4路AI，分辨率13位 2
7 模拟量输出 EM232 2路AO，12位 2

2.3 PLC可编程控制器
系统方案中采用西门子S7-200系列CPU224XP控制器，该款PLC具有10k程序容量，自带2个串行通讯口（2个RS485），扩展数字量为224点，右侧可扩展7个模块（包括IO、AI、AO等），可连接以太网模块及现场总线模块；同时，STEP 7-Micro/WIN V4.0 SP6提供丰富的应用指令（包括PID手自动无扰切换、表格功能）。

 
图3.S7-200通讯方式

其中，CPU224XP是控制系统的核心，在换热站中其完成的主要功能如下：
（1） 采集温度、压力、调节阀开度及变频器反鐀等仿真信号，并将其转换为数字信号，送至触摸屏及上位端；
（2） 根据二次网供水温度和室外温度通过调节阀调节一次网供水流量，***采暖效果；
（3） 根据二次网回水压力调节***泵电机转速，从而稳定管网压力；
（4） 根据二次网供回水压差控制循环泵，维持压差稳定；
（5）做相关报警功能，当系统出现故障情况下时，发出声光报警。

PID手自动无扰切换：听过编程实现PID指令支持手自动无扰切换功能，使热网运行更加稳定。当PID指令由自动模式切换到手动模式时，PID自动输出将停止运算，此时以手动输出值为准；当控制模式由手动切回自动时，PID指令会自动将***个输出值接续控制下去（不重新做累积积分）。PID手自动无扰切换部分

气候补偿曲线功能：在热网行业中，如能让控制温度根据室外温度进行相应的改变，将有利于供热量的调节，从而实现节能。我们根据热网行业而专门开发的气候补偿功能满足了上述需求。编程者在设置完室外温度与控制温度数组后，功能子程序会根据室外实际温度值自动调整控制温度值。图3 气候补偿曲线示意图

2.4 HMI触摸屏
触摸屏采用西门子Smart Line 精彩系列操作屏。作为西门子家族新成员，该屏具有如下优点：高分辨率宽屏显示（800*480）、LED背光，节能降耗、强大且丰富的通讯能力、高端的ARM处理器，主频达到400MHZ，使数据处理更快，画面显示更流畅、独特的边框倒角设计，让操作屏的外观更具流线型，给人以舒适感、使用符合UL标准的PC+ABS合金材料，耐高温、抗腐蚀，特别适用于工业现场的应用环境、可靠的电源设计，内置的24V电子自恢复反接保护，避免因误接线而导致的产品损坏，供电电源范围可达±20％、精彩系列面板的ESD、RS等关键指标比***（IEC）提高50％，通过CE认证。

SMART700触摸屏与PLC通过以太网协议相连，通讯速率可达到10Mbps。通过配置触摸屏数据，可以改变PID设定值及参数，监控调节阀、循环泵和***泵变频器运行工况，显示现场温度、压力等信号，内设报警极限值及报警记录画面，同时可将当前和历史数据以报表或曲线的方式在屏上显示出来，方便调节和控制整个工作过程。

 
图4.换热站工艺画面

 
图5.参数设定画面

2.6 变频器
现场使用ABB公司的ACS510系列变频器两台，带动循环水泵与***泵变频运行，实现节能调速。

2.7 其他
该系统控制方案扩展性强，同时可连接GPRS无线模块，还可通过串行通讯或现场总线方式连接分布式IO，满足客户各种扩容需求。

3 结束语

基于SIEMENS PLC和触摸屏为控制核心的换热站系统投运三个月运行稳定，节能效果明显，方便了现场人员的监控与调试，在客户处取得了良好反响。随着国家对环保越来越重视和能源的匮乏，基于PLC为核心的集中供热系统在北方发展潜力巨大，希望本文能对我司自动化产品在热网行业的推广起到一定积极的意义。