1 引言
在北方大中城市冬季暖氣的主要依靠集中供熱系統(tǒng)，集中供熱系統(tǒng)在建筑小區(qū)按裝換熱站實現(xiàn)介質隔離換熱和終端供熱控制。換熱站主要應用于集中供熱系統(tǒng)中，集中供熱系統(tǒng)具有熱慣性大、滯后明顯以及受溫度、天氣因素干擾較大等特點，使得整個系統(tǒng)調節(jié)控制難度增大，并且傳統(tǒng)的換熱控制大多數(shù)采用繼電器、變頻器等進行簡單控制，系統(tǒng)調節(jié)完全憑以往積累的經驗，運行維護的成本過高，效率低下。針對熱網調節(jié)中上述的狀況，采用計算機監(jiān)控管理系統(tǒng)對熱網實行集中監(jiān)控是一種行之有效的方法。
美國Horner一體化控制器（OCS）是本文集中介紹的換熱控制系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 美國Horner一體化控制器（OCS）系統(tǒng)

監(jiān)控中心計算機通過各現(xiàn)場控制設備實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控整個供熱系統(tǒng)的關鍵數(shù)據(jù)，對熱網的水力工況和熱力工況進行綜合分析，然后根據(jù)熱力縫補狀況及時調整供熱溫度等參數(shù)，協(xié)調整個系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠的運行，充分發(fā)揮系統(tǒng)的最大效能，降低成本。

2 基于OCS控制器的換熱系統(tǒng)設計
2.1 關于OCS控制器
在PLC的應用過程中經常遇到過這樣的問題：I/O設備，PLC，顯示設備以及網絡分別來自于不同的廠家，需要花費許多時間，經費將他們集成到一起，而且可能還需要購買好幾種軟件包，很多培訓才能完成。這些無疑增加了工作的復雜程度，減緩了產品的研發(fā)投放速度，提高了產品的成本從而降低了企業(yè)的競爭力。那么有什么辦法可以解決這些問題呢？
美國Horner一體化控制器（OCS）就是把傳統(tǒng)的PLC控制器、人機界面HMI、輸入輸出點I/O和網絡Network集成到一起，僅用一套軟件就可以對整個系統(tǒng)的硬件配置、邏輯程序、網絡連接和人機界面進行配置和編輯，大大降低了工程師程序開發(fā)的時間和成本。Horner的OCS產品在歐美等發(fā)達國家有著非常廣泛的應用，其特別適合設備制造業(yè)、自動化化生產線及各種DCS系統(tǒng)。美國Horner公司提出的一體化控制理念，越來越為業(yè)內人士所接受，正逐漸成為自動化控制行業(yè)的主流產品。
在本換熱系統(tǒng)中主要采用了HORNER X系列的兩款主流產品，小巧的緊湊型XLE103，和具有5.7寸彩色觸摸屏的LX300。編程軟件使用Horner自己開發(fā)的Cscape，并且是免費的。系統(tǒng)配置圖如下，其中XLE103帶有一個小的操作員界面（128x64背光顯示，帶有16個功能鍵），并帶有內置I/O∶12點直流輸入（正/負邏輯）兼容12/24伏，12點直流輸出（每通道最大0.5A), 2通道10-bit模擬輸入（0-10V/4-20mA).2路脈沖/PWM輸出功能，另外還可配置4路高速計數(shù)器（10kHz）。XLE103自帶2個的RS232/485接口，支持PLC/Drive通訊協(xié)議和一個大容量可移動存儲器插槽（支持標準SD卡）。Xle有集成的CsCAN網絡端口用于高速通訊和I/O擴展。每個Xle都是直流供電。Xle能被安裝在DIN導軌上。LX300自帶5.7寸標準彩色觸摸屏。支持CsCAN網絡接口和遠程I/O模塊（SmartStix）。

2.2 PID控制功能和豐富的運算能力
現(xiàn)代化的換熱站需要實現(xiàn)全自動的恒壓恒溫供水，因此PLC要根據(jù)現(xiàn)場變送器反饋回來的溫度壓力等參數(shù)來調整變頻器的頻率?？刂苾膳_循環(huán)泵和一臺補水泵的轉速，從而控制二次供熱的溫度和壓力。
此系統(tǒng)的PID完全由軟件編程實現(xiàn)，不需要添加任何外圍設備，最多可以實現(xiàn)8路獨立的PID控制。并且LX300的掃描速率在0.2ms左右，對PID的響應速度很快。其中最具優(yōu)勢的是其具有參數(shù)自整定得功能，使最終用戶即使不具備PID理論知識也能快速進行PID調節(jié)，用戶只需開啟PID的自學習功能，PLC就可以根據(jù)工作狀況自動找出比例系數(shù)、積分時間、微分時間等參數(shù)。等到PID參數(shù)找到后就自動切入控制程序，其PID調節(jié)的具體畫面如圖2示。此換熱系統(tǒng)共需要3路PID控制。

圖2 PID調節(jié)的具體畫面

（1）實現(xiàn)室外溫度補償，自動控制二次供水溫度功能，控制器既可以根據(jù)設定的供暖曲線和室外溫度的變化自動控制二次側出水溫度，又可以根據(jù)設定的固定出水溫度維持二次側出水溫度恒定，以滿足用戶最佳的節(jié)能效果需求。
（2）二次側循環(huán)變流量調節(jié)功能，控制器可以根據(jù)系統(tǒng)熱負荷的變化，調整循環(huán)泵的轉速，維持二次供、回水溫差（可以調整）恒定，達到最佳的供熱效率和節(jié)能效果。新啟動前有一段時間（可以調整）的延時警報，用以提醒可能在現(xiàn)場維護的工作人員注意自身安全。
（3）根據(jù)二次回水的壓力調節(jié)二次供水的流量，通過實時檢測二次管網回水的壓力，通過PID調節(jié)及時控制二次管網的流量閥。保證二次供水的恒壓。
2.3 OCS控制器與變頻器的通訊
在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，最為常見的是PLC和變頻器的組合應用，并且產生了多種多樣的PLC控制變頻器的方法，其中采用RS-485通訊方式實施控制的方案得到廣泛的應用，因為它抗干擾能力強、傳輸速率高、傳輸距離遠且造價低廉。但是，RS-485的通訊必須解決數(shù)據(jù)編碼、求取校驗和、成幀、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的奇偶校驗、超時處理和出錯重發(fā)等一系列技術問題，一條簡單的變頻器操作指令，有時要編寫數(shù)十條PLC梯形圖指令才能實現(xiàn)，編程工作量大而且繁瑣。但是在OCS中這一切都變得非常簡單，我們只需要一個功能塊就可以實現(xiàn)Modbus所有的功能，即保留了RS485通訊的優(yōu)點，又省去了復雜的編程工作。以下是編一段通訊程序的例子，可以看到OCS非常簡單的就從變頻器取得了想要的參數(shù)（圖3）。

圖3 變頻器通訊編程

2.4 GPRS與OCS的完美結合
DTU是指數(shù)據(jù)終端設備（Data Terminate unit),可以理解為下位GPRS發(fā)射終端。使用GPRS的優(yōu)點是實時在線，當有數(shù)據(jù)傳輸時才按流量收費?？梢允∪ゴ罅康牟季€、調試、維護工作，對于地理位置相對很遠的數(shù)據(jù)傳輸有很明顯的優(yōu)勢。但是其本身也存在著一些弱點，比如說系統(tǒng)延時時間長（10s左右），信號受周圍環(huán)境影響較大、運營商支持等。
對于此換熱系統(tǒng)，計算中心要求的數(shù)據(jù)實時性不高（1min左右），而且各個換熱站地理位置相對很遠，所以特別適合應用此種傳輸方式進行PLC和上位機的通訊。其基本示意圖如圖4所示。換熱控制中心監(jiān)控畫面如圖5所示。

圖4 GPRS實時通訊系統(tǒng)

圖5 換熱控制中心監(jiān)控畫面

2.5 OCS保護及報警功能
保護功能包括常規(guī)的過壓保護、欠壓保護、缺項保護、漏電保護、過流保護等功能。報警功能包括循環(huán)泵故障報警、補水泵故障報警、補水超壓報警、系統(tǒng)軟化水箱壓力過低報警、二次網回水壓力過低報警、換熱站故障停機報警等功能。
HORNER OCS產品首次采用了移動存儲技術，支持普通的SD卡或CF卡（最大可到2G），用于存儲歷史數(shù)據(jù)和報警信息。在本系統(tǒng)中我們采用了1G內存的SD卡實時存儲報警信息和進行數(shù)據(jù)備份，當需要查看時，只需將SD卡拔出并插到計算機上就可以打開全部文件，而且所有文件均可以存為EXCEL格式。

3 結束語
在地理位置相對分散的各換熱站中則采用美國HORNER公司的一體化控制器（OCS）進行現(xiàn)場控制，通過先進的PID算法，克服了傳統(tǒng)PID控制器時間常數(shù)過大，調節(jié)慣性大，容易超調產生大幅度振蕩等缺點，同時通過一體化的人機界面現(xiàn)場顯示和操作十分方便。通過串行通信協(xié)議與現(xiàn)場多臺變頻器進行實時通訊，采集變頻器的關鍵參數(shù)并不斷進行調整，使水泵工作在最佳狀態(tài)下。在數(shù)據(jù)傳輸方面，通過先進的GPRS網絡與中心計算機實時通訊，節(jié)約了大量布有線網絡所造成的時間、人力、資金的消耗。