小区热力站的控制系统设计刍议

摘 要：小区的集中供热系统采取了就地控制与集中协调的控制原则，其中就地控制采取了闭环PID控制，控制器选择了可靠性高、性价比优良的西门子S7-200系列PLC，针对热力站的供水压力、温度、流量等反应系统工况的参数进行监控，下面就对整个本地监控系统进行介绍。

关键词：PID控制；PLC

中图分类号：TU99 文献标识码：A

在热力站的底层设备中，由于一次侧有热源本身的压力差能使其循环流动，这样一来就无需加动力装置，只需要控制调节阀的开度即可以调节其流量；与一次侧不同，二次侧需要增加循环泵来提供低温水流动的压力，由于实际供水压力的波动很大，为了保证供水压力的同时减少电能的消耗，所以这里使用两台变频器来调节二次侧的循环泵工作状态；另外，根据小区供热系统的经验，二次侧管网中的低温水极有可能在小区用户中损失，所以需要增加补水泵对二次侧管网进行补水。

一、热力站控制系统的构成和功能

热力站的控制系统是整个小区集中供热监控系统的核心部分，负责供热系统全部管网的工作状况，并将换热装置的所有信号和报警信息发送至监控中心，同时接收监控中心的参数设定值数据，及时改变小区的供热状态。

热力站的控制器选择了西门子S7-200 PLC，其中CPU型号为226 CN，该CPU具有24输入/16输出共40个数字量I/O点，可扩展7个模块，最大具有35 路模拟量I/O或248路数字量I/O，具有PID控制器，6个独立的30kHz高速计数器，26K字节程序和数据存储空间，2路独立的20kHz高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，有MPI通讯协议、PPI通讯协议和自由方式通讯能力；本小区控制系统根据统计的模拟量I/O点数与数字量I/O点数，扩展的模块包括3个EM235 CN（4路模拟量输入/1路模拟量输出）、2个EM232（2路模拟量输出）；由于热力站与控制中心之间选择了无线通信的方式，所以另外还有GPRS通信模块SINAUT MD720-3和与之配套的天线。

整个控制部分的结构如图1-1所示，其中CPU 226 CN的功能是在数据采集的基础上扫描控制程序并输出控制信号，同时与本地计算机和无线通信模块进行连接（Port1口连接本地计算机，实现管理人员的集中监控，而Port0口连接GPRS无线模块MD720-3，实现与中心控制室的信息传递）；5个扩展模块通过排线与CPU模块相连，主要功能是采集底层设备的运行状态数据和发出程序的处理结果即控制信号。

底层设备可以分为传感器和执行器，传感器包括室外温度传感器、管道温度传感器、压力传感器、流量计等，其信号形式均为标准的4-20mA电流信号；执行器包括循环泵、补水泵、电动调节阀等。这里需要说明的是，为了达到闭环调节压力的要求，循环泵与补水泵的工作状态是通过西门子的MM440变频器调节的，调节的方式为模拟量信号（0-10V）控制。

二、编程软件及程序结构的组成

1、编程软件的介绍

在文中，我们使用S7-200 PLC的编程软件STEP7--Micro/WIN，该软件是西门子公司专为S7-200系列PLC研制开发的，借助于Windows的应用软件，其功能之强大，既能应客户需求开发控制程序并使用，又能在线实时监控客户程序的执行状态，是S7-200 PLC客户十分重要的开发工具。

2、S7-200的编程结构

S7-200 PLC的控制程序由主程序、子程序和中断程序组成。

三、可编程控制器中的PID指令使用

1、PID算法

PID（Proportional+Integral+Derivative的简称）是一种控制算法，在工业控制的很多方面（包括流量、温度等慢变化过程或者位置、速度等快变化过程中）都能得到比较好的控制效果。

PID控制算法一般由比例项+积分项+微分项组成，但在实际编程时可灵活使用，根据系统的具体要求我们可以只选择比例项，或者选择比例+积分项，或者选择比例+积分+微分项，积分项的作用是消除系统静差，微分项可以改善系统的动态响应速度，微分项有缓和输出值剧烈变化的效果。

使用S7-200 PLC中的PID指令，首先要先选定采样周期T、比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益KD等控制参数。在这些控制参数中，比较容易获取的参数是采样周期时间和比例增益，相对较难获取的参数是积分增益和微分增益，这些参数往往要在调试中得到。一般我们使用经验法和公式法来得到这些参数，即便是这样，为了能得到最好的控制效果，我们还是需要在应用中进行验证和完善。

2、PLC中的PID指令

PID运算指令是根据表格（TBL）中的输入和设置信息对LOOP指定的回路执行PID环路计算的指令。由于需要进行PID闭环控制的应用比较多，所以S7-200中同时可设置8个PID控制回路，用户只需输入和配置回路的参数信息，就可以立刻完成PID运算的任务。

当EN端口执行条件存在时候，就可进行PID运算。指令的两个操作数TBL和LOOP，TBL是回路表的起始地址，一个PID回路占用32个字节，LOOP是回路号，可以是0～7，但不可以重复使用。

一个PID环路有两个输入变量、定点和进程变量。定点通常为固定数值，例如管网流动水的温度设置；进程变量是与环路输出相关的数值，因此可测量环路输出对受控系统的影响。

参考文献

[1]张宇晨.集中供热热水管网水力计算与运行调节[D].山东建筑大学，2008.

[2]SIMATIC S7-200 PLC手册[M].西门子公司，2003.

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[4]邹伯敏.自动控制理论[M].机械工业出版社，2007，260-275.