基于DCS的换热站管网监控系统设计与实现

王连进，孙少杰2，李建荣2，赵一凡，宿元亮3，仪垂杰

(1.青岛大学 机电工程学院，山东 青岛 266071； 2.华能青岛热电有限公司，山东 青岛 266400；3.青岛理工大学 机械工程学院，山东 青岛 266520)

我国的老旧小区的换热站大部分是上世纪80年代所建，因当时计算机网络技术的局限性和集送处理量少，靠普通仪表、人工采集和手动控制即可完成当日的生产管理工作。但随着我国的城乡建设飞速发展，城乡居民对于供暖个性化和舒适化的要求不断提高，需要有更加系统和科学的小区换热站监控系统。原有老旧小区的换热站存在许多问题：由于监控测点数量不足，监控参数数量少，导致用户出现的问题发现不及时；现有热力管网分配热能不合理；现有的热力管网控制大多数是依靠有经验的工人手动调节控制，极少数的采用电动控制，使得控制系统的准确性和即时性差。因此，急需设计研发一种基于Opto分布式监控系统，来提高新建小区供暖系统数字化、自动化水平。

DCS(Distributed Control System,集散分布式控制系统)[1]基本设计思想是控制分散、操作和管理集中，就是将管理和操作集中，功能和危险分散。所以,DCS是较为理想的工业过程控制的体系构架，符合工业控制自动的基本要求。基于美国Opto 22公司的Opto 22 SNAP PAC开发平台设计开发的分布式检测控制系统采用先进的工业以太网通信技术和高可靠性的现场总线技术，形成了控制相对集中、危险和功能相对分散的开放型集散控制系统。本系统可实现对新建小区换热站的各个监控测点数据的准确、动态、实时显示；具有良好的可靠性、可用性、灵活性和扩展性；还可以在非正常工作情况下，实时进行声光等信号报警，根据实际要求进行远程闭环控制和远程动态补偿等。该系统还具有可读性好、易于现场人员调试等优点。

1 DCS系统的网络构建

DCS作为一种控制系统结构形式，其核心思想就是分散采集控制，集中监视管理。虽然经过近40年的发展，但是其基本结构没有发生改变，DCS系统结构原型如图1所示。

CS—控制站；OS—操作员站；ES—工程师站；SCS—监控计算机站；CG—计算机网关；CNET—控制网络

从系统结构分析，集散控制系统一般都包括三大基本部分，分别是分散控制装置、集中操作管理系统以及通信系统。通过上述结构，可以看出集散控制系统具有较强的分散功能，各个局部系统能够独立工作，各局部系统之间通过高速数据总线和以太网进行通信。

根据上述结构和换热站的数据采集通信要求，可将系统设计成3部分，分别对应着企业管理级、过程控制级和现场控制级，如图2所示。其中，现场控制级为了实现现场的过程控制和采集数据，需要控制模块、以太网交换机、远程I/O、执行机构等设备协同工作；过程管理级由操作员站、工程师站、实时数据库等组成，完成系统的监控[2]、现场的组态及复杂控制算法的实施等工作，是数据采集的中间级；企业管理级包含数据库服务器、企业MIS系统、Web服务器、ERP系统，主要完成历史数据的收集、分析和处理，提升企业的管控一体化程度。

图2 基于以太网的分布式监控系统方案

从网络结构上看，企业管理级通过主干网与过程控制级进行网络通信，采用光纤或屏蔽双绞线；监控计算机和控制器通过100 Mbit/s以太网连接，完成了过程控制级和现场控制级之间的通信；现场监控网络采用流行的现场总线[3](RS485和RS232)，其中主干网和过程控制网都基于以太网通信标准协议。华能青岛热电内网通过C/S访问数据库，外网可采用B/S访问数据数据库。

2 Opto 22 SNAP PAC 硬件配置

2.1 数据采集模块

设计开发的换热站监控系统采用SNAP PAC系列(美国Opto 22公司开发)。该系列的系统是一款基于工业以太网和PC的集散分布式I/O控制系统，主要应用于石油化工、新能源电力、水处理、交通管控、生产制造等领域。在实际工业生产中，可以根据现场不同的数据采集需要，形成从一个点到几十万个点的可多可少的监控系统[4]。

根据青岛市黄岛区泊里镇某小区换热站的实际需要和测量的点数,系统选用了Opto 22 SANP-PAC-R2的控制器、Opto 22 SNAP-PAC-RCK16的底板、8个Opto 22 SNAP模拟量输入I/O、2个模拟量输出I/O、2个数字量输入I/O、2个数字量输出I/O，可完成对32个测点的数据采集。Opto 22公司提供的软件开发环境PAC Project 9.1具备了完整的组态开发平台，具备强大的I/O和网络通信分析处理能力，可以实现与具有相同通信协议的设备实时通信[5]。

2.2 I/O控制策略配置

I/O控制策略主要是完成数据的采集和过程的控制的硬件单元。I/O控制策略的配置主要是依靠PAC Project 9.1开发平台的PAC Control软件来编写程序，然后编译下载到控制器，实现脱离PC机独立完成现场数据的采集和现场的动态补偿[6]。

2.2.1 硬件配置

建立I/O策略，就是要配置控制引擎、I/O单元和I/O点。

策略的核心部分为控制引擎，它可以管理现场的所有控制器，指挥各个控制器完成自己相应的工作，本系统以一个新建小区换热站为例，只应用了一个控制器c1(IP地址为192.168.1.103)。这样上位操作机就可以访问该控制器的注册表获取其数据信息[7]。

配置I/O单元，需要配置I/O单元的处理器和I/O模块。每个控制策略可以包含多个I/O单元。本系统中用到的I/O模块包括：模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出。其中换热站的I/O单元处理器配置界面如图3所示。

图3 I/O单元处理器配置界面

2.2.2 流程图编程和下载运行

PAC Control为编程人员提供的是一种流程图式的编程方式，这种编程方式十分形象地展示了程序的运行过程，通过一个个流程框图来完成程序的编写，复杂的程序可以用Opto Script脚本控制语言来编写。这种编程方式给出了4类程序块：动作块、条件块、继续块和脚本语言块。通过连线将各个块进行连接，完成其流程图的顺序、循环和选择的结构。编写好的程序将以Chart的形式保存下来，由相应的处理器自动调用。流程图编程的结构如图4所示。

图4 流程图编程示意图

当策略编写调试完成后，通过PAC Control下载到控制器中，保存在控制器的闪存中,当控制器上电并与上位机连接后，可完成系统的自动运行。

3 系统软件的结构和组态

3.1 系统软件结构

本集散检测控制系统的核心是系统软件的构架，主要是由现场监控系统和数据管理系统构成。现场监控系统的作用是采集和汇总现场数据，实时显示控制界面和数据趋势，及发生危险情况时的报警；数据管理系统的主要作用是分析管理采集到的数据、报表输出数据和查询相关历史数据[8]。两系统的有机结合，才能实现整个系统的功能。软件的系统结构如图5所示。

图5 软件的系统结构

3.2 现场监控软件的实现

本系统软件是利用Opto 22组态监控软件实现的，系统主要由I/O控制策略和人机交互界面组成。PAC Project 9.1组态开发软件是美国Opto 22公司提供的一整套大型综合性的工业过程控制应用软件，主要由PAC Control、PAC Manger、PAC Display等几部分组成。这几部分通过共同的COM接口连接，共享实时数据。I/O控制策略的编写由PAC Control来完成，人机交互界面的实现由PAC Display来完成。以读取补水泵的启停时间为例简要说明软件的实现过程。

图6是程序运行流程图,人机运行界面效果如图7所示。

图6 补水泵启停时间读取程序流程图

图7 人机交互界面

4 结束语

将分布式集散监控系统(DCS)运用于小区换热站监控系统,提高了小区换热站自动化控制和信息化管理的水平。本系统核心是上位机和Opto 22软硬件，综合运用现场总线和工业以太网通信技术，实现了对换热站每个监控测点进行动态、实时、准确的显示。从而提高了换热站的实时和优化控制水平。该系统在华能青岛热电小区换热站运行调试，结果表明系统运行稳定、安全可靠、操作简单，达到了预期的目的。