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| -- 作者：wangxinxin -- 發布時間：2010-11-13 12:19:39 -- 基于DSP的現場控制器的熱力站控制系統設計 1 引言 目前我國北方許多城市已經或者即將進行熱網改造工程，將傳統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，設備運行為人工調節，隨著室外溫度的不斷改變，應不斷的調節二次供水的溫度以保證室內能夠維持恒定的溫度，在這種情況下，人工手動調節存在著較大偏差，只能夠進行初步調節，不能夠滿足居民對室內溫度恒定的要求。 為了改變這一情況，本文提出了基于DSP的現場控制器，并將其應用于熱網監控系統中。系統控制部分采用分布式控制模式，監測部分采用集中監測模式，保證了系統的實時性、安全性。鑒于篇幅，本文重點介紹現場控制器的熱力站控制部分的實現。 2 熱網監控系統 2．1 系統結構與工作原理 熱網監控系統主要由上位機和現場控制器組成，總體結構如圖1所示。 圖1 熱網監控系統總體結構 熱網監控系統是在一次設備(傳感器、變送器、各種執行機構)的基礎上完成對熱網的監測與控制，通過調節供熱管網的供水流量、供水溫度、供水壓力，保證熱網安全、可靠、高效、穩定的運行。根據上述要求，本系統在保證系統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和現場控制器構成的系統結構。 系統工作過程如下:上位機首先初始化CAN網卡,設置網卡工作模式、接收碼、接收屏蔽碼和波特率,然后進入運行狀態,在適當條件下與現場控制器進行通信。現場控制器主要完成現場數據的采集與處理、現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 系統各部分功能介紹 CAN網絡的拓撲結構采用總線式結構，其結構簡單、成本低，系統可靠性高。信息的傳輸采用CAN通信協議，通信介質采用雙絞線。 2.2.1 上位機 上位計算機采用工控機，其負責對整個系統進行管理。上位機通過CAN網卡與現場控制器通信，同時通過局域網或者公共電話交換網與整個工廠或者公司的計算機信息網絡進行連接，實現信息共享。上位機具有組態、數據采集、參數設置、遠程控制、流程顯示、數據存儲、趨勢顯示、報表打印、通信等功能。 2.2.2 CAN網卡 CAN網卡是負責CAN總線與PC機之間數據交換的功能模塊。CAN網卡上存在兩個方向的數據交換：CAN網卡與PC機之間的數據交換(通過雙端口RAM實現)以及CAN網卡與CAN總線之間的數據交換(由微處理器通過訪問CAN控制器的接收緩沖區以及發送緩沖區來實現)。CAN網卡上的CAN控制器選用的是PHILIPS公司的SJA1000芯片。 2.2.3 現場控制器 現場控制器具有通信、數據采集、智能控制、報警、現場顯示及數據存儲和處理功能，采用PID閉環控制算法，對被控對象進行迅速、準確、穩定的控制。可脫離網絡獨立運行。 3 熱力站控制系統設計 3．1 熱力站控制系統 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泵,該循環泵控制換熱器的一次水的流量。控制由軟件實現,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,循環泵的轉速作為輸出值。預設定溫度值根據供暖曲線結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，變化規律反映于供暖曲線中。 該曲線是根據實際供熱管理中總結出的經驗曲線而獲得的。各地由于實際供暖情況不同，曲線有所不同。用戶將本地區的規律曲線用5個關鍵點連接起來，可將該曲線的函數表達式輸入控制器，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泵控制的一次水流量有關,本系統設計為流量內環、溫度外環的串級控制系統,使系統的滯后性大大縮短。通過兩個PID 調節器PID(T) 和PID(F) ,使二次供水溫度趨近于預設定溫度。圖3為熱力站控制系統框圖。 圖3 熱力站控制系統框圖 3．2 現場控制器硬件系統 現場控制器的結構框圖如圖4所示。 圖4 現場控制器的結構框圖 該現場控制器具有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、數據存儲接口、液晶顯示接口、網絡通信接口、報警輸出接口等。本系統采用TI公司的帶有10位A/D轉換器和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，本系統選用了千分之一精度的低溫系統的電阻（100歐）取樣,將4到20mA的標準電流信號轉換為0.66到3.3V的電壓信號，輸入到DSP的模數轉換單元，進行模數轉換。TMS320LF2407A具有16通道輸入的10位ADC轉換器，最小轉換時間為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）。該系統采用4通道12位雙緩沖的數模轉換芯片DAC7625將數字量轉化為0到2.5V的模擬電壓量，通過調理電路將輸出電平按比例轉換為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XTR110將0到5V的電壓信號轉化為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 系統軟件設計與實現 本系統中有兩個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，本系統采用同步采樣控制，采樣周期根據副回路選擇。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 結束語 在熱力站內對用戶供熱系統進行監測和控制，能很好地保證用戶室溫在設定范圍內波動，不僅節省了人力和物力，節約了大量能源，而且提高了自動化程度和管理水平，帶來良好的經濟效益和社會效益。 |