智能換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究論文

　　摘要：智能換熱站的自動(dòng)控制系統(tǒng)由監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)、本地監(jiān)控站（現(xiàn)場控制層）3部分組成。本文重點(diǎn)介紹了智能換熱站現(xiàn)場控制層的硬件設(shè)計(jì)，結(jié)合換熱站的主要調(diào)節(jié)參數(shù)二次側(cè)的供水溫度、供回水壓差和回水壓力，給出了智能換熱站主要控制策略。

　　關(guān)鍵詞：智能換熱站；PLC；智能PID；變頻器

　　集中供熱系統(tǒng)是城市重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志[1]。換熱站作為連接熱源與用戶的重要紐帶，起著熱量匹配、轉(zhuǎn)換和輸配的功能，其安全、可靠、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行直接影響熱源效率及供熱質(zhì)量。鑒于此，智能換熱站利用現(xiàn)代工業(yè)自控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)代信息處理技術(shù)，實(shí)施更科學(xué)、更規(guī)范的監(jiān)控管理，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)的人工操作模式向現(xiàn)代化、高度集成化、自動(dòng)化、智能化的模式轉(zhuǎn)變，最終達(dá)到提高供熱質(zhì)量，節(jié)約能源的目的。本文是以保定市老城區(qū)集中供熱改造設(shè)計(jì)為例。

　　1換熱站工作原理

　　換熱站就是換熱的場所，它連接一次網(wǎng)和二次網(wǎng)，就像一個(gè)變壓器一樣把一次網(wǎng)的高溫?zé)崃繐Q熱給二次網(wǎng)的熱水再供給用戶。換熱站通過熱源熱水在一次網(wǎng)循環(huán)將熱量傳送給二次網(wǎng)中的循環(huán)水，經(jīng)過換熱站的一次網(wǎng)熱水回到熱源被加熱后重復(fù)下一次循環(huán)；吸收了一次網(wǎng)熱量的二次網(wǎng)循環(huán)水由換熱站循環(huán)泵加壓后送至各供熱用戶，流經(jīng)用戶散熱后的二次網(wǎng)循環(huán)水返回吸收一次網(wǎng)熱量，重復(fù)上一次循環(huán)周而復(fù)始。換熱站通過流量計(jì)、溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器采集信號送至PLC，并上傳數(shù)據(jù)信息；同時(shí)，PLC還可對循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵等實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)換熱站的無人值守[2]。PLC是熱量交換，熱量分配及系統(tǒng)監(jiān)控、調(diào)節(jié)的樞紐，在供熱期間通過調(diào)整和保持熱媒參數(shù)（溫度、壓力和流量等），進(jìn)行分時(shí)、分區(qū)節(jié)能控制和氣候補(bǔ)償節(jié)能控制，滿足按需供熱，實(shí)現(xiàn)供熱、用熱全網(wǎng)熱量平衡和節(jié)約能源。

　　2智能換熱站控制系統(tǒng)組成

　　智能換熱站的自動(dòng)控制系統(tǒng)由監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)、本地監(jiān)控站（現(xiàn)場控制層）3部分組成[3]，見圖2。監(jiān)控中心硬件由服務(wù)器、工作站、集中顯示系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、打印機(jī)和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等組成。監(jiān)控中心能夠?qū)崿F(xiàn)對供熱系統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)行、調(diào)度和能耗管理、故障診斷和報(bào)警處理、數(shù)據(jù)存儲和統(tǒng)計(jì)及分析、集中顯示等功能。本地監(jiān)控站（現(xiàn)場控制層）由PLC、傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備、人機(jī)界面等組成，能夠?qū)崟r(shí)采集各換熱站一、二次網(wǎng)的壓力、溫度、流量、液位等參數(shù)，監(jiān)視和調(diào)控設(shè)備運(yùn)行。通信網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控中心、各個(gè)換熱站、熱源、管道監(jiān)控節(jié)點(diǎn)等連接成一個(gè)整體，是熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的橋梁和紐帶。

　　3智能換熱站現(xiàn)場控制層硬件設(shè)計(jì)

　　換熱站現(xiàn)場控制系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器、壓力、溫度、流量變送器，通訊模塊等以及視頻攝像機(jī)、交換機(jī)等部件構(gòu)成[4]。控制核心PLC采用德國西門子公司的S7-300系列，其模塊化的結(jié)構(gòu)、易于實(shí)現(xiàn)分布式的配置、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好，在供熱領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。中央處理單元采用CPU315-2DP，自身帶有Profibus-DP主/從現(xiàn)場總線通信接口；溫度測量模塊采用SM331AI8×RTD8點(diǎn)輸入熱電阻專用模塊；模擬量輸入模塊采用SM331AI8×（9～14）bit，輸入精度9～14位可調(diào)；模擬量輸出模塊采用SM332AO8×12bit，輸出的電流和電壓可調(diào)整；數(shù)字量輸入模塊和輸出模塊分別采用16點(diǎn)24VDC的SM321和32點(diǎn)24VDC的SM322。變頻器采用ABB公司的ACS510系列變頻器，內(nèi)置RFI濾波器和變感電抗器，具有PID閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，變頻器與PLC采用Profibus-DP方式通訊，由PLC控制改變變頻器的輸出頻率，調(diào)節(jié)循環(huán)泵與補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。采用西門子TP精智系列觸摸屏作為PLC的人機(jī)界面，通過觸摸屏按鈕可調(diào)整和修改PID參數(shù)；顯示現(xiàn)場壓力、溫度、流量、液位等信號，監(jiān)測循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、調(diào)節(jié)閥、變頻器等設(shè)備工況；為了方便調(diào)節(jié)和控制整個(gè)工作過程，通過設(shè)置報(bào)警極限值可進(jìn)行聲、光報(bào)警。視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)為網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，采用光纖以有線方式租用通信運(yùn)行商鏈路實(shí)現(xiàn)換熱站和監(jiān)控中心之間運(yùn)行數(shù)據(jù)和視頻信號實(shí)時(shí)傳送，并接受監(jiān)控中心發(fā)送的指令。智能換熱站數(shù)據(jù)采集見圖3。

　　4智能換熱站主要控制策略

　　影響用戶供暖質(zhì)量的因素主要是供熱系統(tǒng)中水的溫度、管道壓力及流量，調(diào)整二次側(cè)的供水溫度、供回水壓差和回水壓力就能滿足用戶對供暖的要求，通過對一次網(wǎng)側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及對二次網(wǎng)側(cè)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的控制即可實(shí)現(xiàn)對以上各參數(shù)的調(diào)節(jié)[5]。

　　4.1二次網(wǎng)供水溫度的調(diào)節(jié)

　　根據(jù)供熱對象的特性和本地的氣候條件，給出一條二次供水溫度與自然時(shí)間及室外溫度之間的對應(yīng)曲線。按照當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷（曲線可以進(jìn)行偏差修正）、室外溫度的變化及不利點(diǎn)溫度，利用PLC的強(qiáng)大控制功能和豐富算法，結(jié)合一天中溫度設(shè)定值的變化規(guī)律對控制算法進(jìn)行修正，根據(jù)修正后的控制算法得出二次網(wǎng)側(cè)供熱溫度的設(shè)定值，把設(shè)定值和實(shí)測供熱溫度比較后，送入控制器，執(zhí)行智能PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，改變一次網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)一次側(cè)流量的量調(diào)節(jié)和二次側(cè)供水溫度的質(zhì)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到二次網(wǎng)供水溫度的要求。

　　4.2二次網(wǎng)供回水壓差控制

　　為了滿足將熱水供至管路末端用戶，必須在換熱站二次網(wǎng)設(shè)置循環(huán)泵。二次網(wǎng)供回水要保持一個(gè)恒定壓差來保證供回水的流量，使熱量傳送給用戶。因此，循環(huán)泵須采用變頻控制。由壓力傳感器檢測供回水壓差信號并與設(shè)定值比較，通過變頻器采用智能PID方式調(diào)節(jié)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，使得二次網(wǎng)供回水的壓差保持恒定，在保證最不利點(diǎn)正常供暖的前提下，既實(shí)現(xiàn)了分時(shí)段變流量功能，又有效地節(jié)約了電能。壓差設(shè)定值可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)曲線進(jìn)行設(shè)定。

　　4.3二次網(wǎng)回水定壓控制

　　熱水管網(wǎng)常會發(fā)生漏水現(xiàn)象，導(dǎo)致水壓不穩(wěn)定，為了維持管網(wǎng)恒壓點(diǎn)壓力，在二次管網(wǎng)回水處設(shè)置一臺回水壓力變送器，將回水壓力信號輸送至補(bǔ)水泵變頻器，變頻器根據(jù)回水壓力設(shè)定值，通過內(nèi)部PID控制調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，保持二次熱網(wǎng)的水壓恒定。

　　5結(jié)語

　　通過采用電子信息技術(shù)、PLC控制技術(shù)和變頻調(diào)速技術(shù)等，智能換熱站控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對溫度、壓力、流量等參數(shù)的自動(dòng)控制，不僅提高了供熱系統(tǒng)的自動(dòng)化程度及控制精度，還節(jié)省了大量的人力和物力。通過遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)，熱力網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對換熱站的遠(yuǎn)程遙測、遠(yuǎn)程遙信、遠(yuǎn)程遙控，利用視頻系統(tǒng)還可實(shí)時(shí)監(jiān)視換熱站現(xiàn)場情況，最終達(dá)到無人值守，起到了減人增效的效果。