1 引言 目前我國北方許多城市已經(jīng)或者即將進行熱網(wǎng)改造工程，將傳統(tǒng)的分散供熱改造為集中供熱。由城市周邊的熱電廠的供熱機組提供熱源，在城市中建設熱交換站統(tǒng)一向用戶供熱。以前的換熱站多為地上建筑，占地面積大影響城市美觀，設備運行為人工調(diào)節(jié)，隨著室外溫度的不斷改變，應不斷的調(diào)節(jié)二次供水的溫度以保證室內(nèi)能夠維持恒定的溫度，在這種情況下，人工手動調(diào)節(jié)存在著較大偏差，只能夠進行初步調(diào)節(jié)，不能夠滿足居民對室內(nèi)溫度恒定的要求。 為了改變這一情況，本文提出了基于DSP的現(xiàn)場控制器，并將其應用于熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中。系統(tǒng)控制部分采用分布式控制模式，監(jiān)測部分采用集中監(jiān)測模式，保證了系統(tǒng)的實時性、安全性。鑒于篇幅，本文重點介紹現(xiàn)場控制器的熱力站控制部分的實現(xiàn)。 2 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng) 2．1 系統(tǒng)結(jié)構與工作原理 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)主要由上位機和現(xiàn)場控制器組成，總體結(jié)構如圖1所示。 圖1 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構 熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是在一次設備(傳感器、變送器、各種執(zhí)行機構)的基礎上完成對熱網(wǎng)的監(jiān)測與控制，通過調(diào)節(jié)供熱管網(wǎng)的供水流量、供水溫度、供水壓力，保證熱網(wǎng)安全、可靠、高效、穩(wěn)定的運行。根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)在保證系統(tǒng)可靠工作和降低成本的條件下，考慮到通用性、實時性和可擴展性等方面的因素，采用了主要由上位計算機系統(tǒng)和現(xiàn)場控制器構成的系統(tǒng)結(jié)構。 系統(tǒng)工作過程如下:上位機首先初始化CAN網(wǎng)卡,設置網(wǎng)卡工作模式、接收碼、接收屏蔽碼和波特率,然后進入運行狀態(tài),在適當條件下與現(xiàn)場控制器進行通信。現(xiàn)場控制器主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與處理、現(xiàn)場設備的控制等功能,并以查詢或中斷方式與主機進行通信。 2．2 系統(tǒng)各部分功能介紹 CAN網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構采用總線式結(jié)構，其結(jié)構簡單、成本低，系統(tǒng)可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協(xié)議，通信介質(zhì)采用雙絞線。 2.2.1 上位機 上位計算機采用工控機，其負責對整個系統(tǒng)進行管理。上位機通過CAN網(wǎng)卡與現(xiàn)場控制器通信，同時通過局域網(wǎng)或者公共電話交換網(wǎng)與整個工廠或者公司的計算機信息網(wǎng)絡進行連接，實現(xiàn)信息共享。上位機具有組態(tài)、數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設置、遠程控制、流程顯示、數(shù)據(jù)存儲、趨勢顯示、報表打印、通信等功能。 2.2.2 CAN網(wǎng)卡 CAN網(wǎng)卡是負責CAN總線與PC機之間數(shù)據(jù)交換的功能模塊。CAN網(wǎng)卡上存在兩個方向的數(shù)據(jù)交換：CAN網(wǎng)卡與PC機之間的數(shù)據(jù)交換(通過雙端口RAM實現(xiàn))以及CAN網(wǎng)卡與CAN總線之間的數(shù)據(jù)交換(由微處理器通過訪問CAN控制器的接收緩沖區(qū)以及發(fā)送緩沖區(qū)來實現(xiàn))。CAN網(wǎng)卡上的CAN控制器選用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。 2.2.3 現(xiàn)場控制器 現(xiàn)場控制器具有通信、數(shù)據(jù)采集、智能控制、報警、現(xiàn)場顯示及數(shù)據(jù)存儲和處理功能，采用PID閉環(huán)控制算法，對被控對象進行迅速、準確、穩(wěn)定的控制。可脫離網(wǎng)絡獨立運行。 3 熱力站控制系統(tǒng)設計 3．1 熱力站控制系統(tǒng) 熱力站的基本控制策略就是要保證二次水出口有一個恒定的預設定溫度。控制元件是換熱器一次水出口的循環(huán)泵,該循環(huán)泵控制換熱器的一次水的流量。控制由軟件實現(xiàn),該軟件中將預設定溫度值作為設定值,測量所得溫度值作為輸入值,循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速作為輸出值。預設定溫度值根據(jù)供暖曲線結(jié)合室外溫度計算得出,每個熱力站均安裝了室外溫度傳感器,通過現(xiàn)場控制器計算出當前的預設定溫度,這個設定值是隨著室外溫度的變化而隨時改變的，變化規(guī)律反映于供暖曲線中。 該曲線是根據(jù)實際供熱管理中總結(jié)出的經(jīng)驗曲線而獲得的。各地由于實際供暖情況不同，曲線有所不同。用戶將本地區(qū)的規(guī)律曲線用5個關鍵點連接起來，可將該曲線的函數(shù)表達式輸入控制器，供暖曲線如圖2所示。 圖2 供暖曲線 二次供水溫度與由循環(huán)泵控制的一次水流量有關,本系統(tǒng)設計為流量內(nèi)環(huán)、溫度外環(huán)的串級控制系統(tǒng),使系統(tǒng)的滯后性大大縮短。通過兩個PID 調(diào)節(jié)器PID(T) 和PID(F) ,使二次供水溫度趨近于預設定溫度。圖3為熱力站控制系統(tǒng)框圖。 圖3 熱力站控制系統(tǒng)框圖 3．2 現(xiàn)場控制器硬件系統(tǒng) 現(xiàn)場控制器的結(jié)構框圖如圖4所示。 圖4 現(xiàn)場控制器的結(jié)構框圖 該現(xiàn)場控制器具有14路模擬量輸入端口、2路模擬量輸出端口、4路開關量輸入端口、4路開關量輸出端口以及時鐘接口、數(shù)據(jù)存儲接口、液晶顯示接口、網(wǎng)絡通信接口、報警輸出接口等。本系統(tǒng)采用TI公司的帶有10位A/D轉(zhuǎn)換器和CAN控制器的DSP 芯片TMS320LF2407A作為CPU。 圖6 模擬量輸出單元具體電路 模擬量輸入接口電路如圖5所示（這里僅給出了一個通道，其他13路通道與此相同）。為保證采樣精度，本系統(tǒng)選用了千分之一精度的低溫系統(tǒng)的電阻（100歐）取樣,將4到20mA的標準電流信號轉(zhuǎn)換為0.66到3.3V的電壓信號，輸入到DSP的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。TMS320LF2407A具有16通道輸入的10位ADC轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時間為500nS。 模擬量輸出單元具體電路如圖6所示（這里僅給出了一個通道，其他通道與此相同）。該系統(tǒng)采用4通道12位雙緩沖的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC7625將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為0到2.5V的模擬電壓量，通過調(diào)理電路將輸出電平按比例轉(zhuǎn)換為0到5V，為消除傳輸線電阻的壓降對精度的影響，減小外界干擾對傳輸線的作用，采用電流環(huán)XTR110將0到5V的電壓信號轉(zhuǎn)化為4到20mA的電流信號，以便于傳輸。DAC7625的片選信號/CS和載入DAC輸入控制信號/LDAC分別來自CPLD的輸出端。 3.3 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) 本系統(tǒng)中有兩個PID控制器，圖3中，控制器PID(F)為副控制器，PID(T)為主控制器。該系統(tǒng)的計算順序為先主回路（PID(T)）,后副回路(PID(F))。控制方式有兩種：異步采樣控制和同步采樣控制，本系統(tǒng)采用同步采樣控制，采樣周期根據(jù)副回路選擇。為減輕CPU工作負擔，減小誤動作時的影響，本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法。 離散的PID表達式為： 圖5 增量式PID控制算法程序框圖 4 結(jié)束語 在熱力站內(nèi)對用戶供熱系統(tǒng)進行監(jiān)測和控制，能很好地保證用戶室溫在設定范圍內(nèi)波動，不僅節(jié)省了人力和物力，節(jié)約了大量能源，而且提高了自動化程度和管理水平，帶來良好的經(jīng)濟效益和社會效益。