換熱站PLC控制器的設計與應用

郭明華

[摘要]文章闡述了PLC的發展史及實際中各方面的使用情況，著重介紹了采用先進的自動控制技術、計算機技術與現代通信技術建立的一套可靠穩定的換熱站自動化控制系統，該系統將提高換熱站的運行管理水平，提高對全管網的調控能力，同時達到節能降耗的目的，使得換熱站能夠更加安全、穩定、高效、經濟地運行。

[關鍵詞]PLC；換熱站；節能降耗

[DOI]1013939/jcnkizgsc201550051

1PLC的發展史

世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研制的。限于當時的元器件條件及計算機發展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小規模集成大量組成，可以完成簡單的邏輯控制及定時、計數功能。20世紀70年代初出現了微處理器，人們很快將其引入可編程控制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業控制裝置。為了方便熟悉繼電器、接觸器系統的過程技術人員使用，可編程控制器采用和繼電器電路圖類似的梯形圖作為主要編程語言，并將參加運算及處理的計算機存儲元件都以繼電器命名。此時的PLC為微機技術和繼電器常規控制概念相結合的產物。

20世紀末期，可編程控制器的發展特點是更加適用于現代工業的需要。從控制規模上來說，這個時期發展了大型機和超小型機；從控制能力上來說，誕生了各種各樣的特殊功能單元，用于壓力、溫度、轉速、位移等各式各樣的控制場合；從產品的配套能力來說，生產了各種人機界面、通信單元，使應用可編程控制器的工業控制設備的配套更加容易。目前，可保編程控制器在進行制造、石油化工、冶金、鋼鐵、汽車、輕工業等領域的應用都得到了長足的發展。

我國可編程控制器的引進、應用、研制、生產是伴隨著改革開放開始的。最初是在引進設備中大量使用了可編程控制器，接下來在各種企業的生產設備及產品中不斷擴大了PLC的應用。目前，我國自己可以生產中小型可編程控制器，隨著我國現代化進程的深入，PLC在我國將由更廣闊的應用天地。

2PLC的應用

目前，PLC在國內外已廣泛應用于鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、輕紡、交通運輸、環保及維護娛樂等各個行業，使用情況大致可歸納為如下幾類。

21開關量的邏輯控制

這是PLC最基本、最廣泛的應用領域，它取代傳統的繼電器電路，實現邏輯控制、順序控制，既可用于單臺設備的控制，也可用于多機群控及自動化流水線。如注塑機、印刷機、訂書機械、組合機床、磨床、包裝生產線、電鍍流水線等。

22模擬量控制

在工業生產過程當中，有許多連續變化的量，如溫度、壓力、流液位和速度等都是模擬量。為了使可編程控制器處理模擬量，必須實現模擬量（Analog）和數字量（Digital）之間的A/D轉換及D/A轉換。PLC廠家都生產配套的A/D和D/A轉換模塊，可使編程控制器用于模擬量控制。

23運動控制

PLC可以用于圓周運動或直線運動的控制。從控制結構配置來說，早期直接用于開關量I/O模塊連接位置傳感器和執行機構，現在一般使用專用的運動控制模塊。如可驅動步進電機或伺服電機的單軸或多軸位置控制模塊。世界上各主要PLC廠家的產品幾乎都有運動控制功能，廣泛用于各種機械、機床、機器人、電梯等場合。

24過程控制

過程控制是指對溫度、壓力、流量等模擬量的閉環控制。作為工業控制計算機，PLC 能編制各種各樣的控制算法程序，完成閉環控制。PID調節是一般閉環控制系統中用得較多的調節方法，大中型PLC都有PID模塊，目前許多小型PLC也具有此功能模塊。PID處理一般是運行專用的PID子程序。過程控制在冶金、化工、熱處理、鍋爐控制等場合有非常廣泛的應用。

25數據處理

現代PLC具有數學運算（含矩陣運算、函數運算、邏輯運算）、數據傳輸、數據轉換、排序、查表、位操作等功能，可以完成數據的采集、分析及處理。

26通信及聯網

PLC通信含PLC間的通信及PLC與其他智能設備間的通信。隨著計算機控制設備的發展，工廠自動化網絡發展得很快，各PLC廠商都十分重視PLC的通信功能，紛紛推出各自的網絡系統。新進生產的PLC都具有通信接口，通信非常方便。

3換熱站PLC設計及應用

我國北方地區的冬季漫長而寒冷，暖氣、地熱等供暖方式成為人民冬季室內御寒的主要手段。對于一個供熱系統來講，既要根據室外溫度的變化調節二次供水溫度，又要保證終端用戶的室內變化不超出某一范圍（18±2℃，最低不低于16℃），才能使終端用戶有一個舒適的生活、工作環境，也能最大限度地節約能源。同時為實現換熱站在無人值守的情況下，中控室能遠程調度換熱站的參數，保證熱網的熱力平衡，設計實現熱力站自動化控制系統勢在必行。

31熱力系統簡介

換熱站采用技術成熟、運行可靠的換熱機組作為工藝部分的主要設備。其結構為在綜合底盤上安裝板式換熱器一臺，熱網循環水泵二臺（一用一備）、補水泵二臺（一用一備）、電氣控制柜一臺、調節閥一臺及配套的其他閥門和相應的連接工藝管道管件。電氣控制柜內安裝熱網循環水泵、補水泵變頻器各一臺。均采用一拖二或相互切換運行方式。

水作為熱能的載體，由熱源廠經管網系統輸送到換熱站（機組），經換熱器通過二次管網將熱能帶給用戶。換熱機組自動控制的最終目的是使換熱站（（機組）供出的熱量與用戶實際需要的熱量相同（不考慮熱損失時））。

32控制過程分析

熱用戶室內溫度是控制系統的目標參數，主要取決于換熱器的效率和二次網的綜合供熱能力。在這兩個因素不變的前提下，熱用戶室內平均溫度取決于二次網的綜合供熱能力。在這兩個因素不變的前提下，熱用戶室內平均溫度取決于二次網的供回水平均溫度和當時的室外溫度。我們把室外溫度范圍劃分成幾段，在不同的溫度段內我們提供改變一次網調節閥的開度來控制二次網的供水平均溫度。根據控制分級執行的原則，該系統可以分成以下幾部分：

（1）熱力站就地監控系統：以PLC控制器為核心，現場的溫度、壓力、熱量、流量、液位、閥門開度、泵的啟停狀態等信號傳輸到控制器，由其進行A/D轉換并作出判斷和處理，實現現場的就地控制。

（2）現場儀表和執行機構：包括溫度、壓力、熱量、流量、液位等傳感器和變頻器、閥門執行器等執行機構。

（3）通訊系統：以有線電話網（ADSL）為傳輸介質，實現熱網熱源調度中心與熱力站就地監控系統的通訊。以雙絞線（以太網）為傳輸介質，實現中控室與公司辦公管理系統的通訊。

33方案

換熱站控制基本原理就是隨著熱用戶溫度和回水壓力的變化，自動化控制調節閥開度和循環泵、補水泵轉速，達到恒溫恒壓的控制要求，同時對系統進行連鎖保護。

（1）二次供水溫度的調節。根據本地的氣候條件以及供熱對象的特性，給出一條室外溫度及自然時間與二次供水溫度之間的對應曲線，按此曲線自動設定供水溫度；按照設定好的供水溫度設定值進行恒溫控制。

二次供水溫度控制回路圖其主要功能是通過二次供熱系統的溫度檢測、分析，算出最佳的供水溫度，通過調節一次管網流量，使二次供水溫度接近于它的設定值。這樣在供熱系統滿足用戶需求量的前提下，保證最佳工況。

（2）循環泵控制。循環泵開啟的多少和大小由回水溫度設定值與二次回水溫度的差值來決定。當二次回水溫度低于回水溫度設定值時，需要增大循環泵的開啟量；反之，則減小。回水溫度設定值是根據室外天氣來確定，當天氣冷時，回水溫度設定值應該小些，這樣可以使大量熱量充分留在用戶里。程序本身定義了回水溫度設定值與室外溫度的關系曲線，操作員可以在人機界面上直接定義回水溫度設定值。

（3）補水定壓控制。通過回水管網上壓變器反饋值與內部設定值比較，使輸出到補水泵電機的頻率相應變化，而出水壓力則始終維持在設定值附近，避免了管網因出水壓力過大而破裂的危險。

自動控制完成對換熱機組的自動檢測、控制、順序控制、自動保護、有計劃的調控熱工參數，使熱力站機組供熱過程在給定工況下穩定運行。

34結論

通過對該城市熱網自動控制系統的投運，熱網過去主要依靠人工調節的控制手段得到徹底改善，一次網運行得到合理控制，失調現象得到有效的解決，消除熱網中各站冷熱不均的現象。按需供熱節能降耗，改變不合理的小溫差大流量運行方式，既保證遠端客戶的供熱需要，又避免近端用戶的過熱現象，直接給企業帶來經濟效益的提高。隨著供熱事業的規模化發展，有效的開展自控手段將大大增強供熱運行的管理能力。做到決策有依據，管理有證可查，大大提高供暖公司生產管理、人員管理和設備維護的水平。

4結論

今天的PLC在處理模擬量、數字運算、人機接口和網絡的各方面能力都已大幅度提高，成為工業控制領域的主要控制設備，在各行各業發揮著越來越大的作用。隨著PLC、DCS相互滲透，二者的界限日趨模糊的時候，PLC將從傳統的應用于離散的制造業向應用到連續的流程工業擴展。

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