一体化控制器OCS和GPRS在小区供热中的应用

一、 引言
北方的冬天天气寒冷，各家各户都需要暖气过冬。因此各个居民区都要建立小区换热站。换热站主要应用于集中供热系统中，集中供热系统具有热惯性大、滞后明显以及受温度、天气因素干扰较大等特点，使得整个系统调节控制难度增大，并且传统的换热控制大多数采用继电器、变频器等进行简单控制，系统调节完全凭以往积累的经验，运行维护的成本过高，效率低下。针对热网调节中上述的状况，采用计算机监控管理系统对热网实行集中监控是一种行之有效的方法。该系统具有如下显著的特点：
1、监控中心计算机通过各现场控制设备实时采集现场数据，监控整个供热系统的关键数据，对热网的水力工况和热力工况进行综合分析，然后根据热力缝补状况及时调整供热温度等参数，协调整个系统稳定、可靠的运行，充分发挥系统的最大效能，降低成本。
2、在地理位置相对分散的各换热站中则采用美国HORNER公司的一体化控制器（OCS）进行现场控制，通过先进的PID算法，克服了传统PID控制器时间常数过大，调节惯性大，容易超调产生大幅度振荡等缺点，同时通过一体化的人机界面现场显示和操作十分方便。
3、通过串行通信协议与现场多台变频器进行实时通讯，采集变频器的关键参数并不断进行调整，使水泵工作在最佳状态下。
4、在数据传输方面，通过先进的GPRS网络与中心计算机实时通讯，节约了大量布有线网络所造成的时间、人力、资金的消耗。
下面就针对上述几部分内容进行详细的说明。

二、高度集成的一体化OCS控制器简介
您是否在PLC的应用过程中遇到过这样的问题：I/O设备，PLC，显示设备以及网络分别来自于不同的厂家，我们要花许多时间，经费将他们集成到一起，而且可能还需要购买好几种软件包，很多培训才能完成。这些无疑增加了我们工作的复杂程度，减缓了产品的研发投放速度，提高了产品的成本从而降低了企业的竞争力。
那么有什么办法可以解决这些问题呢？
美国Horner一体化控制器（OCS）就是把传统的PLC控制器、人机界面HMI、输入输出点I/O和网络Network集成到一起，仅用一套软件就可以对整个系统的硬件配置、逻辑程序、网络连接和人机界面进行配置和编辑，大大降低了工程师程序开发的时间和成本。Horner的OCS产品在欧美等发达国家有着非常广泛的应用，其特别适合设备制造业、自动化化生产线及各种DCS系统。美国Horner公司提出的一体化控制理念，越来越为业内人士所接受，正逐渐成为自动化控制行业的主流产品。
在本换热系统中主要采用了HORNER X系列的两款主流产品，小巧的紧凑型XLE103，和具有5.7寸彩色触摸屏的LX300。编程软件使用Horner自己开发的Cscape，并且是免费的。系统配置图如下，其中XLE103带有一个小的操作员界面（128x64背光显示，带有16个功能键），并带有内置I/O：12点直流输入（正/负逻辑）兼容12/24伏，12点直流输出（每通道最大0.5A), 2通道10-bit模拟输入（0-10V/4-20mA). 2路脉冲/PWM输出功能，另外还可配置4路高速计数器（10kHz）。XLE103自带2个的RS232/485接口，支持PLC/Drive通讯协议和一个大容量可移动存储器插槽（支持标准SD卡）。Xle有集成的CsCAN网络端口用于高速通讯和I/O扩展。每个Xle都是直流供电。Xle能被安装在DIN导轨上。LX300自带 5.7寸标准彩色触摸屏。支持CsCAN网络接口和远程I/O模块（SmartStix）.

三、OCS控制器具有灵活的PID控制功能和丰富的运算能力
现代化的换热站需要实现全自动的恒压恒温供水，因此PLC要根据现场变送器反馈回来的温度压力等参数来调整变频器的频率。控制两台循环泵和一台补水泵的转速，从而控制二次供热的温度和压力。此系统的PID完全由软件编程实现，不需要添加任何外围设备，最多可以实现8路独立的PID控制。并且LX300的扫描速率在0.2ms左右，对PID的响应速度很快。其中最具优势的是其具有参数自整定得功能，使最终用户即使不具备PID理论知识也能快速进行PID调节，用户只需开启PID的自学习功能，PLC就可以根据工作状况自动找出比例系数、积分时间、微分时间等参数。等到PID参数找到后就自动切入控制程序，其PID调节的具体画面如下所示：
此换热系统共需要3路PID控制：
1、实现室外温度补偿，自动控制二次供水温度功能，控制器既可以根据设定的供暖曲线和室外温度的变化自动控制二次侧出水温度，又可以根据设定的固定出水温度维持二次侧出水温度恒定，以满足用户最佳的节能效果需求。
2、二次侧循环变流量调节功能，控制器可以根据系统热负荷的变化，调整循环泵的转速，维持二次供、回水温差（可以调整）恒定，达到最佳的供热效率和节能效果。新启动前有一段时间（可以调整）的延时警报，用以提醒可能在现场维护的工作人员注意自身安全。
3、根据二次回水的压力调节二次供水的流量，通过实时检测二次管网回水的压力，通过PID调节及时控制二次管网的流量阀。保证二次供水的恒压。
四、OCS控制器与变频器的通讯
在工业自动化控制系统中，最为常见的是PLC和变频器的组合应用，并且产生了多种多样的PLC控 制变频器的方法，其中采用RS-485通讯方式实施控制的方案得到广泛的应用：因为它抗干扰能力强、传输速率高、传输距离远且造价低廉。但是，RS-485的通讯必须解决数据编码、求取校验和、成帧、发送数据、接收数据的奇偶校验、超时处理和出错重发等一系列技术问题，一条简单的变频器操作指令，有时要编写数十条PLC梯形图指令才能实现，编程工作量大而且繁琐，令设计者望而生畏。

但是在OCS中这一切都变得非常简单，我们只需要一个功能块就可以实现Modbus所有的功能，即保留了RS485通讯的优点，又省去了复杂的编程工作。以下是编一段通讯程序的例子，可以看到OCS非常简单的就从变频器取得了想要的参数：

五、GPRS与OCS的完美结合
DTU是指数据终端设备（Data Terminate unit),可以理解为下位GPRS发射终端。使用GPRS的优点是实时在线，当有数据传输时才按流量收费。可以省去大量的布线、调试、维护工作，对于地理位置相对很远的数据传输有很明显的优势。但是其本身也存在着一些弱点，比如说系统延时时间长（10秒左右），信号受周围环境影响较大、运营商支持等。
对于此换热系统，计算中心要求的数据实时性不高（1分钟左右），而且各个换热站地理位置相对很远，所以特别适合应用此种传输方式进行PLC和上位机的通讯。其基本示意图如下：

换热控制中心监控画面如下：

六、OCS的其他保护及报警功能
保护功能包括常规的过压保护、欠压保护、缺项保护、漏电保护、过流保护等功能。报警功能包括循环泵故障报警、补水泵故障报警、补水超压报警、系统软化水箱压力过低报警、二次网回水压力过低报警、换热站故障停机报警等功能。
HORNER OCS产品首次采用了移动存储技术，支持普通的SD卡或CF卡（最大可到2G）， 用于存储历史数据和报警信息。在本系统中我们采用了1G内存的SD卡实时存储报警信息和进行数据备份，当需要查看时，只需将SD卡拔出并插到计算机上就可以打开全部文件，而且所有文件均可以存为EXCEL格式。