齐鲁工业大学课程设计大纲学院名称机械与汽车工程学院课程名称计算机控制技术开课教研室机械电子工程系指导老师张志秀姓名韩高升一、序言（1）换热站发展的背景从能源节约、环保要求、政府政策等几方面考虑，目前许多城市都采用了集中供热，拆除了许多小供热锅炉；集中供热锅炉将热源送往各片区的换热站，再由换热站把热量送往千家万户。
（2）换热站主要工艺换热站设备一般包括2台换热器、3循环泵、一用一备式变频恒压补水系统及水处理设备；锅炉房热水经一网循环把热量送入换热站，站内隔离式换热器将热量传递给二网循环送往用户；换热站自动化控制系统主要监控一网、二网进、出水的温度、压力、流量和循环泵、补水泵的状态、启停控制、转速、故障以及电量等参数；（3）换热站控制系统硬件构成压力变送器、热电阻、流量计、液位变送器、数采模块、隔离配电模块、嵌入式触摸屏、MCGS嵌入版软件（4） MCGS嵌入版软件功能特点☆容量小：整个系统最低配置只需要极小的存贮空间，可以方便的使用DOC等存贮设备；☆速度快：系统的时间控制精度高，可以方便地完成各种高速采集系统，满足实时控制系统要求；☆成本低：使用嵌入式计算机，大大降低设备成本；☆真正嵌入：运行于嵌入式实时多任务操作系统；☆稳定性高：无风扇，内置看门狗，上电重启时间短，可在各种恶劣环境下稳定长时间运行；☆功能强大：提供中断处理，定时扫描精度可达到毫秒级，提供对计算机串口，内存，端口的访问。
并可以根据需要灵活组态；☆通讯方便：内置串行通讯功能、以太网通讯功能、GPRS通讯功能、Web浏览功能和Modem远程诊断功能，可以方便地实现与各种设备进行数据交换、远程采集和Web浏览；☆操作简便：MCGS嵌入版采用的组态环境，继承了MCGS通用版与网络版简单易学的优点，组态操作既简单直观，又灵活多变；☆支持多种设备：提供了所有常用的硬件设备的驱动；二、换热站自动化控制系统控制系统总体换热站控制系统电气图：系统控制原理线路图如图1、数据处理数据处理包括：数据采集和数据计算处理（1）数据采集数据采集是指系统完成一次数据（过程参数、设备状态）的获得，如温度、压力、流量、液位的模拟量和设备状态等开关量信号，从现场一次仪表由信号电缆直接到系统控制柜内部端子。
一次模拟量参数要经过滤波、放大倍数、采样周期、报警、线性变换、非线性变换、信号转换等预设置；一次开关量状态要经过防抖、报警设置等预设置；(2) 数据计算处理数据计算处理是对系统采集的一次数据进行加工处理，得到系统所需的二次数据。
一次计算处理主要针对现场采集的数据进行滤波、量程转换；二次计算处理主要是对数据的求和、累计、平均值、最大值等计算；性能计算处理主要是完成换热效率、电量、水量的计算，可以得出效率、效益计算结果；2、数据显示部分数据显示部分主要包括：主画面显示、参数设置、曲线图、数据分组显示等；（1）主画面显示在系统运行中，主画面显示是非常重要的，也是非常直观的；画面的好坏直接影响的项目的形象。
利用MCGS软件强大的绘图功能可以很形象的绘制出换热站所有设备与工艺；用数显框在相应位置显示出模拟量（如：温度、压力、流量、液位、电流等）；用红、绿色以及动态效果来表示各泵的状态；（2）参数设置此界面主要用于现场工程师针对各换热站不同的运行工况设置一些保护值（例如液位低自动停止补水系统、二网出水压力超高停止循环泵等）以确保设备安全；（3）曲线图软件对所有模拟量分组做历史曲线与时实曲线（如：压力时实曲线、压力历史曲线、温度历史曲线、流量时实曲线等）便于查询、分析；（4）数据分组显示把相关、相互联系的参数、状态放在一起，便于运行检测、数据分析；三、选择换热器的类型已知：热水进口温度：95℃冷水进口温度：65℃热水出口温度：75℃冷水出口温度：56℃热水的定性温度：=1/2（95+65）=80℃冷水的定性温度：=1/2(75+56)=65℃两流体温差：=15℃选用结构比较简单，造价较低的固定管板式换热器。
（1）、流程安排冷却水接近环境温度，较热水而言，冷水不宜结垢，管内空间的流动截面比管外空间小，流体易于获得必要的理想流速。
为了更好的进行水水热交换，故冷水走壳程，热水走管程。
1.2 流程安排（1）.了解流体的物理化学性质：水-水（2）.计算流体的定性温度确定流水的物性数据；热水的定性温度T=80℃热水定性温度下的物理数据：冷水的定性温度T=65℃冷水定性温度下的物理数据四、控制功能借助MCGS编程简单的优点可以很方便的做出手动控制和自动控制方式；首先做一个手/自动标准按键内部程序令HA取反 *HA 手/自动变量显示属性令HA=0时显示自动，HA=1时显示自动（1）手动方式针对要控制起停的泵或变频器做相应的起停按键，例如控制1#循环泵：启动键：IF HA=0ThenXBQT1=1 *1#循环泵起停控制变量Endif停止键：IF HA=0ThenXBQT1=0Endif（2）自动方式自动方式主要是用于保护设备，例如防止补水水箱无水损坏补水泵，二网压力过高造成用户暖气爆裂等；下面我们将防止压力过高的程序列出：IF HA=1 And PT201>PTH1 * PT201二网出水压力变量Then * PTH1二网出水压力第一上限变量BPQT=0 * BPQT恒压补水系统起停控制变量Endif * PTL1二网出水压力第一下限变量IF HA=1 And PT201ThenBPQT=1Endif//如果二网出水压力高于第一设定压力自动停止恒压补水系统，低于设定下限压力时恢复；因为恒压补水系统本身具有PID调节功能，要求PTH1与PTL1正确设置就不会产生震荡；另外也可以用延时函数恢复来避免震荡；IF HA=1 And PT201ThenIF XBZT1=1 * XBZT1 1#循环泵状态变量ThenXBQT1=0 * XBZT1 1#循环泵起停控制变量BZ1=1 * 1#标志变量EndifIF XBZT2=1 * XBZT2 2#循环泵状态变量ThenXBQT2=0 * XBZT2 2#循环泵起停控制变量BZ2=1 * 2#标志变量EndifIF XBZT3=1 * XBZT3 3#循环泵状态变量ThenXBQT3=0 * XBZT3 3#循环泵起停控制变量BZ3=1 * 3#标志变量EndifEndif//如果二网出水压力高于第二设定压力判断哪台循环泵在运行就停止哪台；IF HA=1 And PT201ThenIF BZ1=1ThenXBQT1=1EndifIF BZ2=1ThenXBQT2=1EndifIF BZ3=1ThenXBQT3=1EndifBZ1=0BZ2=0BZ3=0Endif//如果二网出水压力低于第二下限设定压力自动恢复循环泵运行；五、远传功能系统增加远传功能可以使换热站达到无人职守，远传方式可以选择光纤专线、数传电台、GPRS等方式；本文选择GPRS方式，硬件选择尉谱MA8-9 GPRS通讯平台其功能特点如下：MA8-9支持GSM 900/1800/1900 三频网络，整合目前最先进的GPRS模块与标准接口，内建TCP/IP协议，功能强大、提供安全、透明的传输信道。
首先要对MA8-9进行初始化设置如固定的网络IP地址，这就需要在中控室内的监控计算机上开通固定IP业务，其余设置如：通讯波特率：9600、奇偶校验：偶、数据位：8、停止位：1的设置要求必须与MCGS软件中设备连接的一致；在MCGS中将所有要上传的数据连接到传输信道中，为防止数据丢失，通常在发送端先放大，接受后在还原处理；补充说明：换热站自动控制系统最终实现无人职守，所以所有的报警均在中控室的监控计算机上完成，站内未做；结论：本文对于某些热力公司所管辖的一个庞大的供热系统，换热站高达几十座，提供了一套数据显示、调节控制解决方案。
六、西门子S7-200PLC在换热站自动控制系统中应用传统热力站的控制系统中，循环泵和补水泵都采用工频泵，在热力系统的选型过程中就可确定热力系统二次网的重要参数，但在设置过程中，热力系统的实际适应性、扩展性以及相关参数的调整受到了很大的限制。
随着企业的发展和技术的不断升级，企业开始对集中供热热网的热力站进行自动化改造，通过对原有的热力站点增加统一的自控仪表、PLC以及变频设备，自控系统能实现精确的热力站控制体系，并与热力网络中控室网络平衡系统以及通讯网络系统相结合，从而建立了全网均衡调节和分配的系统，达到较好的的控制效果。
1、系统选型该系统由一台计算机、一套可编程控制器（PLC）、2台变频器、一个电动调节阀及其他电器、仪表组成。
上位机选用工业控制计算机作为操控的人机界面，组态软件采用了三维力控5.0，下位机采用西门子S7-200。
变频器采用两台ACS-510，1台西门子电动温控阀YCDT，控制器采用一台西门子RWD68。
计算机主要用于管理与监视，PLC用于数据采集和控制，上位机和下位机之间采用485进行远程通信。
系统控制流程图如图所示2、 I/O分配及功能模拟量输入（AI）：13；模拟量输出（AO）：共22点；开关量输出（DO）：共16点；根据数字量输入、输出点数，选用西门子S7-200CPU226.3、扩展模块选择根据本系统模拟量输入、输出点数，选择模拟量扩展模块的个数为5个，其中包括EM235(AI4/O1)模块1个，EM2231(AI4)热电偶模块2个，EM231(AI4)模块1个，EM232(AO2)模块1个。
4、 S7-200 PLC通信协议西门子S7-200系列PLC是一种小型整体结构形式的PLC，它支持多样的通信协议。
本设计为1台计算机与1台PLC间的通信，为点到点通信（PPI）。
如图所示5.换热站控制系统的实际应用6、温度的自动调节换热站的控制系统按照小流量、大温差的运行方式，对热网的温度、压力、流量、开关量等进行信号采集测量、控制、远传，实时监控一次网、二次网、压力、流量，循环泵、补水泵运行状态，以及水箱液位等各个参数信息，使循环泵按照热力系统的实际符合输出功率，进而对供热系统进行有效的监测和控制，达到按需供热，实现气候补偿节能控制。
通过公式可计算出当前的预设定温度，这个设定点的选择是室外温度的变化而不断变化的。
出水温度设定值的公式：PV=A×F(x)+b（t）式中，PV为出水温度设定值；F(X)为室外温度x的变化曲线函数，A为增益函数；b（t）为时间或时段的函数。
阀门的开度有控制器内设定的PID算法计算：温度差）、偏差、偏差变化率；数、微分系数，三者的大小是经过多次建模、仿真和大量的实验而得出的。
7、一次网回路控制换热站中一次网的回路控制的主要部分是热负荷控制。
通过对一次网回路上的电动调节阀控制，从而实现一次网热水流量的控制，热力供应和控制系统中，热力供应整体网络的控制中心是根据当前室外温度状况，结合热源的运行状况以及换热站所反馈的二次网运行数据，计算出换热站一次网控制阀门的开度状况或是二次网的热力目标控制温度。