城市集中供熱無人值守?fù)Q熱站智能控制系統(tǒng)的研究與分析

郭小榕

[摘要] 本套無人值守?fù)Q熱站智能控制系統(tǒng)主要由人機(jī)界面-PLC-變頻器、光纖以太網(wǎng)組成。重點(diǎn)闡述了二次供水溫度的自動化控制回路及具體實(shí)施，循環(huán)泵補(bǔ)水泵的變頻控制方案，通過以太網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)行證明程序模塊設(shè)計(jì)合理，算法控制精度高，遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)可靠穩(wěn)定，節(jié)省了大量的煤、電能源，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

[關(guān)鍵詞] 換熱站：可編程序控制器；PID控制；變頻調(diào)速；以太網(wǎng)

[DOI] 10.13939/j.cnki.zgsc.2015.30.105

隨著人們生活水平的提高，對節(jié)能及環(huán)境保護(hù)的日益重視，近年來城市集中供熱得到了迅速發(fā)展。本文主要介紹無人值守?fù)Q熱站通過采取自控技術(shù)及設(shè)備達(dá)到控制換熱站實(shí)現(xiàn)按需供熱，對供熱系統(tǒng)供、回水溫度、循環(huán)流量的集中運(yùn)行調(diào)節(jié)。整個(gè)熱力網(wǎng)是雙管封閉式供熱系統(tǒng)，熱用戶只取熱，不取水。

1 換熱站智能控制系統(tǒng)組成

1.1 控制原理

換熱站系統(tǒng)采用多個(gè)壓力和溫度傳感器分別安裝在換熱器熱介質(zhì)入口、熱介質(zhì)出口、冷介質(zhì)入口及冷介質(zhì)出口等位置，采集現(xiàn)場溫度和壓力信號。兩臺循環(huán)泵和兩臺補(bǔ)水泵運(yùn)行方式均為一用一備。控制系統(tǒng)采用含PID指令且支持多回路調(diào)節(jié)的PLC，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：人機(jī)界面-PLC-變頻器。

換熱器熱介質(zhì)入口溫度和壓力信號是進(jìn)行PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)參數(shù)，調(diào)節(jié)閥用來控制熱介質(zhì)入口流量。在整個(gè)系統(tǒng)工作之前，換熱器冷介質(zhì)出口處采集的溫度信號與設(shè)定值相比較，若不同則通過PLC的PID指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制調(diào)節(jié)閥開度，直至相等，將滿足要求的熱水送至熱用戶。調(diào)節(jié)循環(huán)泵頻率達(dá)到既定二次供回水的流量及壓差，實(shí)現(xiàn)整個(gè)熱力網(wǎng)的水循環(huán)。根據(jù)熱用戶與換熱站垂直距離的高度設(shè)定二次網(wǎng)回水的壓力，二次網(wǎng)壓力由補(bǔ)水泵控制，有兩種運(yùn)行方式，第一，使用控制器的PID控制輸出O～10V直流電壓向變頻器A12頻率給定，以隨時(shí)改變補(bǔ)水泵運(yùn)行頻率的方式控制二次網(wǎng)壓力；第二，利用PLC給變頻器啟停信號轉(zhuǎn)動補(bǔ)水泵以達(dá)到設(shè)定壓力的目的。人性化的使用界面直觀反映整個(gè)換熱站的運(yùn)行狀況。操作人員少，人員培訓(xùn)簡單。

1.2 換熱站控制功能描述

（1） 數(shù)據(jù)采集功能：水的溫度、壓力、流量；調(diào)節(jié)閥開度；泵的工作狀態(tài)；變頻器工作狀態(tài)、頻率；水箱液位；室外溫度。

（2） 參數(shù)設(shè)定功能：二次供水溫度設(shè)定；二次供水溫度高低限設(shè)定；設(shè)備輪換間隔時(shí)長設(shè)定；二次供回水溫差設(shè)定；補(bǔ)水壓力高低限報(bào)警值設(shè)定；補(bǔ)水壓力設(shè)定值籌。

（3） 保護(hù)/報(bào)警功能：電機(jī)過流/過壓保護(hù)；二次超溫/超壓保護(hù)；二次欠壓保護(hù)；補(bǔ)充水箱液面低保護(hù)/高報(bào)警。

（4） 遠(yuǎn)程監(jiān)控功能：標(biāo)準(zhǔn)的通信接口可以把換熱站的各種參數(shù)傳送到熱源廠中央控制室，運(yùn)行人員根據(jù)實(shí)際工況可以向換熱站下達(dá)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)換熱站無人值守，中央控制室計(jì)算機(jī)預(yù)裝組態(tài)可同時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)十個(gè)換熱站。2換熱站智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于PID控制器的標(biāo)準(zhǔn)算式為：

e（t）=r（t）-y（t）為偏差值，r（t）為給定值，y（t）為被控變量，K_p為比例系數(shù)，T_i為積分時(shí)間常數(shù)，T_d為微分時(shí)間常數(shù)。PID參數(shù)范圍為K_p=1.6～5，T_i=3～10m，T_d=0.5～3m。

2.1 調(diào)節(jié)閥控制策略

換熱站通過改變調(diào)節(jié)閥開度來改變熱介質(zhì)入口流量，從而改變二次供水溫度，這樣在供熱系統(tǒng)滿足熱用戶需求量的前提下，保證最佳工況。按照供回水溫差設(shè)定值來調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，既保證供熱質(zhì)量，又做到經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時(shí)智能控制對流量累積，并實(shí)時(shí)顯示。

2.2 補(bǔ)水泵控制策略

補(bǔ)水泵的自動控制系統(tǒng)有兩臺補(bǔ)水泵，一用一備的工作模式，通過回水管網(wǎng)上壓力變送器的反饋值與內(nèi)部的設(shè)定值比較，使輸出到補(bǔ)水泵電機(jī)的頻率相應(yīng)變化，而出水壓力則始終維持在設(shè)定值附近，避免了管網(wǎng)因出水壓力過大而破裂的危險(xiǎn)，延長使用壽命。要充分考慮熱膨脹帶來的系統(tǒng)壓力變化，例如：靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.4MPa，動態(tài)時(shí)系統(tǒng)壓力設(shè)定為0.38MPa。

2.3 人機(jī)界面

觸摸屏屏控按鈕與相應(yīng)PLC觸點(diǎn)通過軟件相連，實(shí)時(shí)監(jiān)控?fù)Q熱站恒溫恒壓運(yùn)行。觸摸屏主控界面主要完成如下功能：①手動或自動控制調(diào)節(jié)閥和變頻器，設(shè)置控制參數(shù)；②手動或自動控制循環(huán)泵和補(bǔ)水泵；③當(dāng)溫度或壓力過高或過低時(shí)，觸摸屏發(fā)出報(bào)警信號，報(bào)警時(shí)按順序關(guān)閉循環(huán)泵和補(bǔ)水泵；④監(jiān)控和設(shè)置現(xiàn)場溫度、壓力等參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示各種運(yùn)行參數(shù)。

2.4 熱源廠中心控制室

熱源廠中央控制室的遠(yuǎn)程監(jiān)控使得換熱站實(shí)現(xiàn)了真正的無人值守。聲光報(bào)警系統(tǒng)能及時(shí)向運(yùn)行人員提供準(zhǔn)確的故障信息，數(shù)據(jù)報(bào)表系統(tǒng)取代了按時(shí)抄表的工作，并能夠提供滿足要求的報(bào)表，提高了管理效率，智能控制系統(tǒng)保證換熱機(jī)組自動運(yùn)行，無須運(yùn)行人員頻繁操作，控制穩(wěn)定，效果良好。

3 換熱站智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件

（1） 人機(jī)界面：采用觸摸屏與PLC直接相連，通過配置觸摸屏按鈕內(nèi)置數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)改變PID參數(shù)；監(jiān)測換熱器、調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵及變頻器工況，顯示現(xiàn)場溫度、壓力信號。

（2） PLC：是控制系統(tǒng)的核心，可設(shè)置PID參數(shù)進(jìn)行閉環(huán)控制；根據(jù)PID運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行D/A變換輸出，實(shí)現(xiàn)手動或自動調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（調(diào)節(jié)閥、變頻器）；具有系統(tǒng)故障診斷，判斷異常溫度、壓力、電流等故障信號。

（3） 變頻器：通過變頻器調(diào)節(jié)循環(huán)泵與補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能調(diào)速。

3.2 系統(tǒng)軟件

觸摸屏能夠通過PLC對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制和報(bào)警，達(dá)到高可靠性、穩(wěn)定性運(yùn)行目的。無人值守?fù)Q熱站的人機(jī)界面軟件具備報(bào)警管理功能，每條報(bào)警信息包含報(bào)警站點(diǎn)、報(bào)警發(fā)生時(shí)間、報(bào)警參數(shù)及當(dāng)前值等詳細(xì)信息。軟件對過去的報(bào)警按站點(diǎn)或按時(shí)間進(jìn)行查詢，并記錄報(bào)警的處理人和處理時(shí)間。軟件系統(tǒng)對運(yùn)行人員、維護(hù)人員、管理人員賦予不同的權(quán)限，不同人員具有不同的操作權(quán)限，從而避免了操作不當(dāng)所造成的系統(tǒng)故障。軟件系統(tǒng)還設(shè)置巡檢記錄，巡檢人員每到一個(gè)站點(diǎn)檢查完畢，按一下觸摸屏屏控按鈕就記錄了當(dāng)前巡檢的時(shí)間，和當(dāng)天已經(jīng)巡檢的次數(shù)，方便了管理人員對運(yùn)行人員的管理。

3.3 光纖以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通信實(shí)現(xiàn)

為了掌握供熱流域分配情況、小區(qū)用熱總量和調(diào)節(jié)熱用戶所用熱量并進(jìn)行熱能資源優(yōu)化、調(diào)度和自動化管理，系統(tǒng)需要對換熱站運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測，力求做到換熱站無人值守。

以太網(wǎng)通信的特點(diǎn)：①永遠(yuǎn)在線；②快速登錄；③高速傳輸；④覆蓋面廣；⑤可靠性強(qiáng)；⑥安全性高；⑦無人值守；⑧靈活方便。

4 結(jié)論

在換熱站中使用變頻器及可編程控制器，充分發(fā)揮變頻器的調(diào)速和節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)及可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便的優(yōu)點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了可靠保障。采用觸摸屏對換熱站運(yùn)行過程進(jìn)行控制，使控制過程智能化、可視化，便于操作和維護(hù)。熱力網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)的無人值守運(yùn)行管理模式。該系統(tǒng)的智能特點(diǎn)為：①人機(jī)界面友好；②全面保護(hù)機(jī)組設(shè)備；③帶有遠(yuǎn)程通信接口。通過換熱站智能控制系統(tǒng)的投運(yùn)，過去主要依靠人工調(diào)節(jié)的手段得到了徹底改善，熱力換熱站運(yùn)行得到合理控制，失調(diào)現(xiàn)象得到了有效地解決，消除了熱力網(wǎng)中各站冷熱不均的現(xiàn)象。按需供熱、節(jié)能降耗，改變了不合理的小溫差大流量運(yùn)行方式，既保證了遠(yuǎn)端客戶的供熱需要又避免了近端用戶的過熱現(xiàn)象，直接改善了供熱效果。該系統(tǒng)在高層樓宇等供熱領(lǐng)域有實(shí)用和推廣價(jià)值。