控制网

1 引言

目前我国北方许多城市已经或者即将进行热网改造工程，将传统的分散供热改造为集中供热。由城市周边的热电厂的供热机组提供热源，在城市中建设热交换站统一向用户供热。以前的换热站多为地上建筑，占地面积大影响城市美观，设备运行为人工调节，随着室外温度的不断改变，应不断的调节二次供水的温度以保证室内能够维持恒定的温度，在这种情况下，人工手动调节存在着较大偏差，只能够进行初步调节，不能够满足居民对室内温度恒定的要求。

为了改变这一情况，本文提出了基于DSP的现场控制器，并将其应用于热网监控系统中。系统控制部分采用分布式控制模式，监测部分采用集中监测模式，保证了系统的实时性、安全性。鉴于篇幅，本文重点介绍现场控制器的热力站控制部分的实现。

2 热网监控系统

2．1 系统结构与工作原理

热网监控系统主要由上位机和现场控制器组成，总体结构如图1所示。

图1 热网监控系统总体结构

热网监控系统是在一次设备(传感器、变送器、各种执行机构)的基础上完成对热网的监测与控制，通过调节供热管网的供水流量、供水温度、供水压力，保证热网安全、可靠、高效、稳定的运行。根据上述要求，本系统在保证系统可靠工作和降低成本的条件下，考虑到通用性、实时性和可扩展性等方面的因素，采用了主要由上位计算机系统和现场控制器构成的系统结构。

系统工作过程如下:上位机首先初始化CAN网卡,设置网卡工作模式、接收码、接收屏蔽码和波特率,然后进入运行状态,在适当条件下与现场控制器进行通信。现场控制器主要完成现场数据的采集与处理、现场设备的控制等功能,并以查询或中断方式与主机进行通信。

2．2 系统各部分功能介绍

CAN网络的拓扑结构采用总线式结构，其结构简单、成本低，系统可靠性高。信息的传输采用CAN通信协议，通信介质采用双绞线。

2.2.1 上位机

    上位计算机采用工控机，其负责对整个系统进行管理。上位机通过CAN网卡与现场控制器通信，同时通过局域网或者公共电话交换网与整个工厂或者公司的计算机信息网络进行连接，实现信息共享。上位机具有组态、数据采集、参数设置、远程控制、流程显示、数据存储、趋势显示、报表打印、通信等功能。

2.2.2 CAN网卡

CAN网卡是负责CAN总线与PC机之间数据交换的功能模块。CAN网卡上存在两个方向的数据交换：CAN网卡与PC机之间的数据交换(通过双端口RAM实现)以及CAN网卡与CAN总线之间的数据交换(由微处理器通过访问CAN控制器的接收缓冲区以及发送缓冲区来实现)。CAN网卡上的CAN控制器选用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。

2.2.3 现场控制器

    现场控制器具有通信、数据采集、智能控制、报警、现场显示及数据存储和处理功能，采用PID闭环控制算法，对被控对象进行迅速、准确、稳定的控制。可脱离网络独立运行。

3 热力站控制系统设计

3．1 热力站控制系统

热力站的基本控制策略就是要保证二次水出口有一个恒定的预设定温度。控制元件是换热器一次水出口的循环泵,该循环泵控制换热器的一次水的流量。控制由软件实现,该软件中将预设定温度值作为设定值,测量所得温度值作为输入值,循环泵的转速作为输出值。预设定温度值根据供暖曲线结合室外温度计算得出,每个热力站均安装了室外温度传感器,通过现场控制器计算出当前的预设定温度,这个设定值是随着室外温度的变化而随时改变的，变化规律反映于供暖曲线中。

该曲线是根据实际供热管理中总结出的经验曲线而获得的。各地由于实际供暖情况不同，曲线有所不同。用户将本地区的规律曲线用5个关键点连接起来，可将该曲线的函数表达式输入控制器，供暖曲线如图2所示。

图2 供暖曲线

二次供水温度与由循环泵控制的一次水流量有关,本系统设计为流量内环、温度外环的串级控制系统,使系统的滞后性大大缩短。通过两个PID 调节器PID(T) 和PID(F) ,使二次供水温度趋近于预设定温度。图3为热力站控制系统框图。

图3 热力站控制系统框图

3．2 现场控制器硬件系统

现场控制器的结构框图如图4所示。

图4 现场控制器的结构框图

该现场控制器具有14路模拟量输入端口、2路模拟量输出端口、4路开关量输入端口、4路开关量输出端口以及时钟接口、数据存储接口、液晶显示接口、网络通信接口、报警输出接口等。本系统采用TI公司的带有10位A/D转换器和CAN控制器的DSP

芯片TMS320LF2407A作为CPU。

图6 模拟量输出单元具体电路