基于虚拟控制技术的热量平衡计算.pdf

技术纵横Technology 96 文献标识码：B 文章编号：1003-0492（2017）08-0096-05 中图分类号：TP271 基于虚拟控制技术的 热量平衡计算 Heat Balance Calculation Based on Virtual Control Technology 鲍教旗，贾国栋，公培雪，徐欢 （华能曲阜电厂，山东 曲阜 273100） 摘要：本文以RS-485总线在上海新华DCS中的应用为切入点，简要 介绍了MODBUS RTU协议的通讯模式、RS-485总线应用在现场的 软硬件设计以及虚拟DPU的应用技术。通过MODBUS RTU和虚拟 DPU，实现不同供热控制系统的数据互联共享以及不同供热系统公共参 数的组态计算 ，根据热量平衡原理，对比实现热网供热热量和蒸汽凝水 流量的平衡计算。 关键词：MODBUS；虚拟DPU；热量平衡 Abstract: This article makes a brief introduction of the MODBUS RTU protocol communication mode, RS-485 bus application in the field of hardware and software design, and the application of virtual DPU technology, with an application of RS-485 bus in Shanghai Xinhua DCS. By MODBUS RTU and virtual DPU, the data of different heating control system can be shared and the configuration of public parameters of different heating system can be calculated. Besides, according to the principle of heat balance, the heating heat and steam condensate water flow can also be obtained. Key words: MODBUS; Virtual DPU; Heat balance 系统使用网段、地址基本一致，不利于控制系统现场 组网。目前华能曲阜电厂热网首站热源由#1、2机组抽 汽，热网循环水小汽轮机乏汽，加热器公用一个疏水 系统分别疏水至#1、2机组。供热系统数据分别布置于 #1、2机组及热网首站控制系统，十分不利于蒸汽、热 量的失衡监视。本文拟设计一套基于MODBUSRTU及 DPU虚拟技术实现#1、2机组供热抽汽、乏汽加热、疏 水、热量等参数平衡计算后的监视功能。硬件配置来自 现有的不同机组控制系统的MMI作为MODBUS的数据 源从站，设置一台工业计算机作为主站，通过主站的进 行虚拟DPU进行数据采集和组态计算，并将组态数据进 行画面组态投影至集控室大屏幕集中显示，供运行人员 监视。本项目设计只在供热季使用。 2通讯实现 2.1MODBUS通讯协议 MODBUS协议由Modicon公司开发，目前已是工 业领域最流行的通讯协议。该协议支持传统的RS485和 以太网设备。MODBUS协议规定了两种通讯方式，即 RTU和ASCII方式。 RTU（远程终端）方式通讯采用8位字节的二进 制数据通讯，数据校验采用CRC循环冗余校验，通讯 1前言 华能曲阜电厂2225MW供热机组，采用上海新华控制工程公司 XDPS400+控制系统，热网首站选用XDPS400+及XDC800B控制系 统，#1、2机组及热网站控制系统独立运行，数据不能互联，各控制 万方数据 2017.08 AUTOMATION PANORAMA97 速度较快;ASCII方式采用7位ASCII码进行通讯，数 据校验采用LRC逻辑冗余校验，通讯速率较慢。本设 计采用RTU通讯方式。上海新华MODBUS数据通讯软 件MODBUS2可实现数据发送和接收功能。MODBUS 通 信 协 议 的 特 点 是 将 通 讯 参 与 者 规 定 为 “ 主 ” （MASTER）和“从”（SLAVE）。每台从站都有自 己唯一编号，即从站地址，地址范围1255。通讯时 先由主站发出通讯申请指令字符串，指令字符串由从站 地址开头，然后根据功能码类型做出相应回答，对发送 给其他从站的指令字符串则不进行处理。 2.2通讯原理 运行于XDPS系统软件的虚拟DPU（VDPU）通过 调用动态链接MODIPLC.DLL通讯接口程序，将#1、2 机组及热网控制系统OPU发送过来（或发送给OPU） 的数据经串口服务器转换映射为XDPS系统的虚拟I/O 卡件，每一个数据对应虚拟I/O卡件的虚拟I/O通道。 这样，对OPU工控机数据的处理就变得和XDPS系统通 过现场I/O卡件采集的数据相同了。XDPS系统强大的 算法库同样适用于对通讯数据的处理，从而完成逻辑组 态和计算。 2.3现场总线接线及通讯网络 通讯硬件采用计算机串口连接，通过RS-232转 RS-485模块进行现场总线连接，现场总线接线后汇总 至串口服务器的RS-485接线口，实现主从站硬件连 接。数据网络示意如图1所示。 图1 数据网络示意图 RS-485现场总线接线方式如2所示。 图2 RS-485现场总线接线方式 3接口软件及驱动配置 通讯软件运行在XDPS系统的任意一台开启VDPU 的MMI站上。 3.1驱动程序组成 XDPSModbus（RTU）程序由动态链接文件 Modiplc.dll和配置文件Modiplc.ini组成。如采用 VDPU方式，应将这两个文件拷贝至VDPU目录下运 行；如采用DPU方式，则应以文件下装的形式，把以上 两个文件安装至VDPU目录下，下装的Modiplc.dll为 不同的。 3.2虚拟寄存器与VDPU数据通道对应关系 XDPS每个站最多可安装14块I/O卡件，但VDPU 每个站最多可带16块虚拟卡件，每对VDPU最多可带16 个站。XDPS内测点地址由以下几个因素确定:DPU节 点号、站号、卡件地址、通道号、MODBUS设备从站 地址号、寄存器地址。除此之外，测点的类型应一致。 这种映射关系在Modiplc.ini中定义完成。 3.3驱动配置 驱动配置文件用于定义通讯接口参数以及外部数据 与虚拟I/O通道的对应关系。驱动文件配置如下： CONFIG communication_port1=TCP,222.222.221. X,4001,3,debug /通讯口1参数配置:通讯串口号，波特率，数据 万方数据 技术纵横Technology 98 位，偶校验，1个停止位，3个卡通讯 Port1_PLC1/通讯口1的第一个卡的通讯数据配 置，#1机组MMI Slave_No=1/该MMI的MODBUS从站地址 Station_No=1/对应的虚拟I/O站号 PlateNum=1/该MMI所对应的虚拟卡件数量 Plate1_No=1/卡件地址为1 Plate1_AI=3,0,33,5 /#1卡为AI卡，通讯功能码3(读从400001开始的 寄存器)，起始寄存器地址40001，连续读33个点，采 样周期500ms Port1_PLC2/通讯口1的第二个卡的通讯数据配 置，#2机组MMI Port1_PLC3/通讯口1的第三个卡的通讯数据配 置,热网首站MMI。 3.4DPU 配置文件( VDPU. CFG) DPU配置文件中定义需要使用的接口驱动以及虚 拟I/O站配置。 配置文件配置说明 IOSTATION TotalDriver=1 DRIVER1=modiplc,1,3,16 I/O站驱动配置 驱动数量 驱动1=驱动名，起始虚拟I/O站号，虚拟I/O站数 量，每个虚拟I/O站卡件数量。 3.5MMI虚拟从站配置 Modbus2的运行依附于XDPSNETWIN软件的启 动，配置的MMI作为Modbus中的一个从站，完成同 主站之间的数据收发。配置文件Modbus2.cfg，由于本 工程只使用AI数据的发送，未对其他I/O进行配置，典 型配置如下： SLAVE_NO； 从 站 站 号 说 明 ， 站 号 范 围 为 1247 No=2/从站站号与主站配置一一对应 COMPORT COM1=9600,n,8,1；端口号COM1，速率为 9600,最大为19,200；无校验，数据位8位，停止位 1位 SEND_AITAG；MMI向主站发送的模拟量点 1=MW,0,225,65535,10/测点名，下限，上 限，上限时对应的数值，倍率；0-65535对应全量程 范围或放大100倍(当收到/发送2字节为0对应模拟量值 为-100，2字节为65535对应模拟量值为100) 2=D10A012,0,300,65535,10 33= AXBYTES BYTES=2;发送与接收点为字节，2=2字节 ENLARGE=yes;=yes表示当发送点为2字节时， 将模拟量值放大后转换成整形值送出。 4数据收集及组态计算 4.1收集数据 根据MODBUS2的发送点量程及单位，配置测点 点目录建立DPU，配置DPU的IO通道及数据采集的量 程等，实现在组态软件中可在线组态IO测点，为计算 提供基础数据。 4.2数据计算公式 根据供热系统的热量、流量平衡原理，建立两个 平衡关系。首先计算流量平衡，热网首站的疏水来自于 #1、2机组抽汽加热器凝结水和热网首站的小机乏汽加 热器凝结水，机组抽汽来自机组6抽，乏汽来自于机组 #3抽，除去小机轴封供汽的损失，热网首站凝水基本损 失为零。因此流量平衡计算公式如下： Q热网Q#1+Q#2+Q乏汽 其中：Q热网为热网总疏水流量； Q#1为#1机组6抽蒸汽流量； Q#2为#2机组6抽蒸汽流量； Q乏汽为热网小机母管蒸汽流量。 热网首站的另一个平衡关系为热量平衡关系，目 前我厂热网吸收主要包括：#1、2机组6抽蒸汽热量、 万方数据 2017.08 AUTOMATION PANORAMA99 小机乏汽加热热量、#1机组#3凝汽器热网循环水热 量，另外本次计算不计热网循环水常温补水热量；热 网回收的热量包括：热网疏水回收热量；热网损失及 做功的热量包括：小机拖动消耗热量、管道及加热器 热损失、城区供热吸收热量。本设计计算采用近似计 算方法，管道及加热器损失暂不做考虑，综上可得出 一个近似平衡的关系，热网吸收的热量近似等于热网 损失热量、城区吸收热量、小汽轮机拖动消耗热量和 热网疏水热量之和。热网吸收热量根据流量、温度等 测点可以计算出其焓值和热量。热网首站总进入热量 计算公式如下： Q吸热Q1机抽热+Q2机抽热+Q#3段抽热+Q背压热 其中Q吸热为热网首站总进入热量； Q1机抽热为#1机组6抽抽汽热量； Q2机抽热为#2机组6抽抽汽热量； Q#3抽热为#3抽母管小机进汽热量； Q背压热为#1机组#3凝汽器供热量。 热网首站消耗的能量计算公式为： Q耗热Q小机功耗+Q城区耗能 其中Q耗热为总消耗热量； Q小机功耗为热网小机耗能热量； Q城区耗能为城区供热耗能热量。 总的热量平衡计算公式为： Q吸热Q耗热+Q疏水回收 其中Q疏水回收为热网疏水至机组热量。 DCS组态中计算热量用到的模块为PTCal。 计算公式为：Q热=Q流量*焓值 蒸汽流量的计算公式为：QAi（P）1/2 其中：Q为瞬时流量； 为流体密度； P为差压值（kPa）； Ai为仪表分段修正系数。 过热蒸汽密度计算公式： 其中：T为温度（） P为绝对压力（MPa），等于表压加上标准大气压。 5组态实现及监视功能 5.1组态计算 根据4.2数据计算公式，利用XDPS6.0组态软件， 对收集的原始数据进行计算，求出热量、流量、热电比 等参数。背压供热及循环水供热热量计算、小机做功及 热量计算、抽汽供热计算等如图3所示。 图3 抽汽热量计算 根据流量及热量平衡原理的