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【摘要】 依托我校新校区34万平米无水直热式电供暖工程，课题组应用PLC及单片机控制技术，以校园电供暖的各个电暖器为控制对象，以校园建筑的不同房间不同区域的取暖温度为控制参数，设计由现场层、中间控制层、顶层管理层组成的集散控制系统，从而实现分散控制集中管理的电供暖温度控制实验平台的开发，并将该控制系统打造成我校独具特色的教学科研和“双创”平台，使我校三个学院的10余个专业师生受益，既满足了学生实践环节需要，又满足了我校生产实际需求，为我校应用型人才培养奠定了基础。
【关键词】 电供暖 集散控制 PLC 单片机
引言：
随着我国社会经济的高速发展，人们生活水平不断提高，但同时也带来环境的破坏和污染，许多大中城市的环境承载能力已逼近极限，国家领导人提出“蓝天保卫战”的口号，城镇供暖的清洁化已成为国家意志，在中央有关部门指导下，北方各地分别制定了利用电等清洁能源替代散煤燃烧供暖的3-5年行动计划，力促社会经济从高速增长向高质量协调发展转型。
一、校园电供暖工程介绍
我校图书馆、公共教学楼、各学院教学楼、实验楼、体育馆、礼堂、公寓、食堂、生活服务中心、后勤保障用房等建筑采用直热式电供暖，即供暖系统仅为电缆、末端散热装置和自动控制系统，无任何水介质。所有建筑物的各个房间均设置壁挂直热式碳晶电暖器，图书馆等局部大空间，为设置地埋式碳纤维地热电缆。电供暖电系统与学习生活办公用电系统为相互独立的两套系统，电采暖总容量15140KVA，配置总功率16MW。电暖供电系统每年非采暖季时关闭报停。
校区内设置一座10kV开闭所，开闭所辐射两个主变配电室（5台主变压器）和11个箱变位，其分布于校区的教学、实验、图书馆、公寓、餐饮商业和后勤保障等六大区域，以满足电采暖对用电的需求。10kV供电降压后，经42个低压屏以放射式配电至各建筑物的总配电柜（120个），再经建筑物各楼层配电箱（718个）至电采暖终端设备—壁挂直热式全铝翅片碳晶电暖器（11320个）。
二、实验平台总体设计
相对于目前学校现有控制平台的上位机+单片机的简单控制模式，本实验平台以校园电供暖的各个电暖器为控制对象，以校园建筑的不同房间不同区域的取暖温度为控制参数，自下而上组成由单片机现場层温度控制器、中间控制层PLC控制器、顶层管理层工控机监控界面的集散控制系统，从而实现了分散控制集中管理的电供暖温度控制实验平台的研制。
控制系统结构图如图1所示，其中工控机作为管理层，设置在总控制中心，PLC为控制层，选用西门子的S7-300，设置在每栋楼的控制中心，温度控制器为现场层，选用单片机作为控制核心，电暖器选用碳晶硅电暖器，工控机与PLC之间通讯采用PrefilBus通讯总线，PLC与温度控制器之间选用485通讯总线。
2.1管理层工控机设计
管理层工控机可以将由人或计算机运算分析后重新得到的被控参数设定值发送至相应的控制单元，改变现场层的控制趋势[1]。另外也可以按需要直接选定需要控制的某个电暖器，自动或手动给出由人或计算机运行分析后的出的控制指令，让相应的现场控制器执行。这样，管理层工控机不仅可以监视整个系统的运行情况，而且可以简单、迅速的调整设备运行状态[2]。
2.2控制层PLC控制器设计
控制层PLC控制器使用西门子S7-300来实现的，并根据相应算法，将温度设定值和其它命令向现场层温度控制器发出指令，也将现场层温度控制器的状态信息进行采集与运用。不同建筑的控制层PLC均连接至以太网总线上，并以S7协议与顶层的安装有组态软件的管理层工控机进行数据通讯。
2.3现场层温度控制器设计
温度控制器，是由C8051单片机系统组成的独立设备，可以嵌入式安装在装置上便于实验调试，也可以独立安装在控制现场便于实际应用操作。同一个建筑内的现场层温度控制器，均连接在同一网络的485总线上，以Modbus总线协议与本楼的控制层西门子S7-300PLC进行通讯。PLC作为Modbus主站，通过轮询扫描的方式与各分机进行数据交换。
三、温度控制算法设计
由于现有的电采暖控制系统中，现场控制器通常采用基于温度的PID闭环反馈控制，因而当温度传感器或者其检测通道出现故障时，控制输出要么饱和，要么截止，这会导致电暖器仅能处于开通或关断状态，使房间温度处于高或低两种极端状态，不能跟踪给定值使供暖要求不能得到有效保证。再者，当电暖器或者执行通道出现故障时，房间的控温要求显然亦不能完成。此外，当管理层、控制层和现场控制层之间的通讯通道出现故障时，会使整个DCS控制系统处于瘫痪状态。
针对现有的电采暖控制系统中检测通道和执行通道等故障，本实验平台采用一种基于预测模型的故障诊断方法，该方法无需增加任何硬件资源，采用离线或在线状态下获得的内部模型，构建预测模型，再利用单位阶跃扰动作用下预测模型输出变化量和实际输出变化量差值大小来判定执行通道的工作状态，当差值超过整定阈值时，确定为故障状态，报警提示同时转入基于环境调节的控温程序，类似执行通道故障检测方法，在综合考虑传感器开路和短路数值，进而诊断检测通道故障，报警提示同时转入基于预测控制的控温程序。对于通讯通道故障，可以采用延时查询的方法判定其工作状态，当通讯故障发生时，现场控制器转入恒温控制程序，降低了对系统维护人员水平要求及维护成本，同时也提高了电供暖系统的可靠性。
四、负荷等级分类设计
现有的电采暖控制系统中，如果采用相同的环境温度作为唯一的温度设定值，就会导致象走廊和洗手间等一类的热负荷无谓消耗了大量能源，另外控制点全部时间使用相同的温度设定值，同样会造成电能的浪费。采用类似于电负荷分类的方法，将校园中的办公室、教室、实验室、仓库、走廊等热负荷，按房间工作属性及供暖需求，划分其热负荷等级，进而依据热负荷等级确定其给定温度，通过优化温度给定值的方法，降低电能的无谓消耗，进而实现了节能降耗。
五、平台搭建与调试
该控制平台采用立架式综合装置的硬件组成，其中顶层监控层工控机与所配打印机外置，其余各相关器件与接线端子全部放在表面。此装置的立架式结构，既便于观察器件动作效果，也便于对外接线。
系统全部设置后，就可以在实时数据画面查看实时数据与状态，也可以在主画面中点击相应建筑图片，进入所在楼平面图，选择楼层后直接以图型的方式查看数据，不同控制点的温度以不同颜色代表，效果非常直观。如图2所示。
六、结束语
该电供暖控制系统可替换传统水暖系统，在学校等公共建筑中进行电供暖控制，运行费用低，没有传统水暖的“跑冒滴漏”隐患，节省水资源，降低烟尘污染。我校每个采暖季相比同规模的集中供热面积可节约电费约430万元，实现了节能、环保、减排的效果。
此外该平台的设计和实现还推进了学校自动化类、计算机类、仪器仪表类、能源动力类等十余个专业的实践教学的改革和创新，新增了自动化控制系统和生产管理软件等应用方面的专业课程和实习实训环节，达到了有针对性设置实训科目的目的，进一步夯实了应用型人才培养的专业教育与产业发展需要、课程体系与职业标准需要、创新教学过程与实践能力需要 “三个对接”的基础。
参 考 文 献
[1]张伟.基于PLC的热网系统的自动平衡分析与应用[D].沈阳：东北大学，2009.
[2]李全中，柴景武.城市供热调度管理SCADA系统的应用[J]自动化博览，2012，12（01）：66-69.
[3]贾伟.物联网的数据采集与信息传输技术研究[J].现代电子技术， 2016， 39 （5） ：33-37.
[4]汤伟，窦晨超，冯晓会. 基于西门子 S7-300 PLC 的过程控制实验平台设计[J]. 实验室研究与探索，2018， 37（4）： 49–52.
[5]赵越岭，王俊生.“过程控制系统”课程实验平台设计[J].辽宁工业大学学报（ 社会科学版），2014，16（4）：54-56.
【关键词】 电供暖 集散控制 PLC 单片机
引言：
随着我国社会经济的高速发展，人们生活水平不断提高，但同时也带来环境的破坏和污染，许多大中城市的环境承载能力已逼近极限，国家领导人提出“蓝天保卫战”的口号，城镇供暖的清洁化已成为国家意志，在中央有关部门指导下，北方各地分别制定了利用电等清洁能源替代散煤燃烧供暖的3-5年行动计划，力促社会经济从高速增长向高质量协调发展转型。
一、校园电供暖工程介绍
我校图书馆、公共教学楼、各学院教学楼、实验楼、体育馆、礼堂、公寓、食堂、生活服务中心、后勤保障用房等建筑采用直热式电供暖，即供暖系统仅为电缆、末端散热装置和自动控制系统，无任何水介质。所有建筑物的各个房间均设置壁挂直热式碳晶电暖器，图书馆等局部大空间，为设置地埋式碳纤维地热电缆。电供暖电系统与学习生活办公用电系统为相互独立的两套系统，电采暖总容量15140KVA，配置总功率16MW。电暖供电系统每年非采暖季时关闭报停。
校区内设置一座10kV开闭所，开闭所辐射两个主变配电室（5台主变压器）和11个箱变位，其分布于校区的教学、实验、图书馆、公寓、餐饮商业和后勤保障等六大区域，以满足电采暖对用电的需求。10kV供电降压后，经42个低压屏以放射式配电至各建筑物的总配电柜（120个），再经建筑物各楼层配电箱（718个）至电采暖终端设备—壁挂直热式全铝翅片碳晶电暖器（11320个）。
二、实验平台总体设计
相对于目前学校现有控制平台的上位机+单片机的简单控制模式，本实验平台以校园电供暖的各个电暖器为控制对象，以校园建筑的不同房间不同区域的取暖温度为控制参数，自下而上组成由单片机现場层温度控制器、中间控制层PLC控制器、顶层管理层工控机监控界面的集散控制系统，从而实现了分散控制集中管理的电供暖温度控制实验平台的研制。
控制系统结构图如图1所示，其中工控机作为管理层，设置在总控制中心，PLC为控制层，选用西门子的S7-300，设置在每栋楼的控制中心，温度控制器为现场层，选用单片机作为控制核心，电暖器选用碳晶硅电暖器，工控机与PLC之间通讯采用PrefilBus通讯总线，PLC与温度控制器之间选用485通讯总线。
2.1管理层工控机设计
管理层工控机可以将由人或计算机运算分析后重新得到的被控参数设定值发送至相应的控制单元，改变现场层的控制趋势[1]。另外也可以按需要直接选定需要控制的某个电暖器，自动或手动给出由人或计算机运行分析后的出的控制指令，让相应的现场控制器执行。这样，管理层工控机不仅可以监视整个系统的运行情况，而且可以简单、迅速的调整设备运行状态[2]。
2.2控制层PLC控制器设计
控制层PLC控制器使用西门子S7-300来实现的，并根据相应算法，将温度设定值和其它命令向现场层温度控制器发出指令，也将现场层温度控制器的状态信息进行采集与运用。不同建筑的控制层PLC均连接至以太网总线上，并以S7协议与顶层的安装有组态软件的管理层工控机进行数据通讯。
2.3现场层温度控制器设计
温度控制器，是由C8051单片机系统组成的独立设备，可以嵌入式安装在装置上便于实验调试，也可以独立安装在控制现场便于实际应用操作。同一个建筑内的现场层温度控制器，均连接在同一网络的485总线上，以Modbus总线协议与本楼的控制层西门子S7-300PLC进行通讯。PLC作为Modbus主站，通过轮询扫描的方式与各分机进行数据交换。
三、温度控制算法设计
由于现有的电采暖控制系统中，现场控制器通常采用基于温度的PID闭环反馈控制，因而当温度传感器或者其检测通道出现故障时，控制输出要么饱和，要么截止，这会导致电暖器仅能处于开通或关断状态，使房间温度处于高或低两种极端状态，不能跟踪给定值使供暖要求不能得到有效保证。再者，当电暖器或者执行通道出现故障时，房间的控温要求显然亦不能完成。此外，当管理层、控制层和现场控制层之间的通讯通道出现故障时，会使整个DCS控制系统处于瘫痪状态。
针对现有的电采暖控制系统中检测通道和执行通道等故障，本实验平台采用一种基于预测模型的故障诊断方法，该方法无需增加任何硬件资源，采用离线或在线状态下获得的内部模型，构建预测模型，再利用单位阶跃扰动作用下预测模型输出变化量和实际输出变化量差值大小来判定执行通道的工作状态，当差值超过整定阈值时，确定为故障状态，报警提示同时转入基于环境调节的控温程序，类似执行通道故障检测方法，在综合考虑传感器开路和短路数值，进而诊断检测通道故障，报警提示同时转入基于预测控制的控温程序。对于通讯通道故障，可以采用延时查询的方法判定其工作状态，当通讯故障发生时，现场控制器转入恒温控制程序，降低了对系统维护人员水平要求及维护成本，同时也提高了电供暖系统的可靠性。
四、负荷等级分类设计
现有的电采暖控制系统中，如果采用相同的环境温度作为唯一的温度设定值，就会导致象走廊和洗手间等一类的热负荷无谓消耗了大量能源，另外控制点全部时间使用相同的温度设定值，同样会造成电能的浪费。采用类似于电负荷分类的方法，将校园中的办公室、教室、实验室、仓库、走廊等热负荷，按房间工作属性及供暖需求，划分其热负荷等级，进而依据热负荷等级确定其给定温度，通过优化温度给定值的方法，降低电能的无谓消耗，进而实现了节能降耗。
五、平台搭建与调试
该控制平台采用立架式综合装置的硬件组成，其中顶层监控层工控机与所配打印机外置，其余各相关器件与接线端子全部放在表面。此装置的立架式结构，既便于观察器件动作效果，也便于对外接线。
系统全部设置后，就可以在实时数据画面查看实时数据与状态，也可以在主画面中点击相应建筑图片，进入所在楼平面图，选择楼层后直接以图型的方式查看数据，不同控制点的温度以不同颜色代表，效果非常直观。如图2所示。
六、结束语
该电供暖控制系统可替换传统水暖系统，在学校等公共建筑中进行电供暖控制，运行费用低，没有传统水暖的“跑冒滴漏”隐患，节省水资源，降低烟尘污染。我校每个采暖季相比同规模的集中供热面积可节约电费约430万元，实现了节能、环保、减排的效果。
此外该平台的设计和实现还推进了学校自动化类、计算机类、仪器仪表类、能源动力类等十余个专业的实践教学的改革和创新，新增了自动化控制系统和生产管理软件等应用方面的专业课程和实习实训环节，达到了有针对性设置实训科目的目的，进一步夯实了应用型人才培养的专业教育与产业发展需要、课程体系与职业标准需要、创新教学过程与实践能力需要 “三个对接”的基础。
参 考 文 献
[1]张伟.基于PLC的热网系统的自动平衡分析与应用[D].沈阳：东北大学，2009.
[2]李全中，柴景武.城市供热调度管理SCADA系统的应用[J]自动化博览，2012，12（01）：66-69.
[3]贾伟.物联网的数据采集与信息传输技术研究[J].现代电子技术， 2016， 39 （5） ：33-37.
[4]汤伟，窦晨超，冯晓会. 基于西门子 S7-300 PLC 的过程控制实验平台设计[J]. 实验室研究与探索，2018， 37（4）： 49–52.
[5]赵越岭，王俊生.“过程控制系统”课程实验平台设计[J].辽宁工业大学学报（ 社会科学版），2014，16（4）：54-56.