分布式變頻無人值守?fù)Q熱站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝麗蓉， 魏志煌， 程 靜

(1．新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047； 2．西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710072)

分布式變頻無人值守?fù)Q熱站的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝麗蓉1， 魏志煌2， 程 靜1

(1．新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047； 2．西北工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，西安 710072)

針對新疆烏魯木齊市榮和城青建熱力公司的換熱站，采用分布式變頻技術(shù)，確定了分布式系統(tǒng)的水泵運(yùn)行策略；利用MCGS組態(tài)軟件對現(xiàn)場數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行組態(tài)，建立換熱站動態(tài)運(yùn)行界面；通過PLC實(shí)現(xiàn)了換熱站一、二網(wǎng)數(shù)據(jù)采集處理、觸摸屏通信、設(shè)定值控制；采用Modbus協(xié)議，通過RS485轉(zhuǎn)TCP模塊經(jīng)公共網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對各個(gè)換熱站進(jìn)行“三遙”操作。現(xiàn)場運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定性好，節(jié)能效果明顯，成功解決了時(shí)段不同，熱需求也不同的公共建筑的經(jīng)濟(jì)、舒適和節(jié)能供熱問題。

換熱站； 分布式變頻技術(shù)； 可編程邏輯控制器； 運(yùn)行策略

0 引 言

隨著我國改革開放的進(jìn)一步加深，生活水平的提高，節(jié)能技術(shù)的進(jìn)步，城鎮(zhèn)供熱行業(yè)得到了迅速發(fā)展。然而，近年來環(huán)境不斷惡化，國家對節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境提出了更高的要求。因此在保證系統(tǒng)穩(wěn)定，用戶舒適的前提下，提高城市供熱系統(tǒng)的監(jiān)控運(yùn)行水平，降低能耗和熱耗，提高效率，達(dá)到最優(yōu)效果，是未來發(fā)展的必然趨勢[1-4]。

本文結(jié)合烏魯木齊市榮和城青建熱力公司改造項(xiàng)目，確定該供熱系統(tǒng)的布置形式和運(yùn)行調(diào)節(jié)方案，采用PID和采樣控制算法，選擇西門子PLC224作為現(xiàn)場控制器為主的硬軟件，采用分布式變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無人值守，自動調(diào)節(jié)的調(diào)控體系[5]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

分布式監(jiān)控系統(tǒng)[7-8]按照功能可分為兩大部分:監(jiān)控中心、現(xiàn)場控制站。由于現(xiàn)場PLC224XP沒有網(wǎng)絡(luò)接口，采用C2000的RS485轉(zhuǎn)TCP，然后通過電話網(wǎng)撥號，利用C2000的虛擬串口管理程序在監(jiān)控中心虛擬對應(yīng)的串口，采用modbus通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場控制站的通信。換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 換熱站的監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場控制站的核心是采用西門子的PLC224XP。現(xiàn)場溫度、壓力、流量、液位儀表通過變送器變成標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號，然后送入模擬量采集模塊EM235，自動控制實(shí)現(xiàn)一次網(wǎng)加壓泵、二網(wǎng)循環(huán)泵、補(bǔ)水泵的變頻

控制。同時(shí)現(xiàn)場采用昆侖通泰的觸摸屏，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，現(xiàn)場巡檢等功能。

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對換熱站的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)測并可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)調(diào)度和遠(yuǎn)程控制。

2 無人值守?fù)Q熱站控制方案

要實(shí)現(xiàn)無人值守，就是對一、二網(wǎng)的水泵進(jìn)行合理控制，達(dá)到自動監(jiān)測，調(diào)控功能[10-16]。

2.1 一次熱網(wǎng)加壓泵控制方案

熱力站的基本控制策略就是要保證二次水出口有一個(gè)恒定的預(yù)設(shè)定溫度，控制元件是換熱器一次變頻器，該變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)換熱器的一次熱水流量。因此，可以采取4種控制策略如下：

(1) 手動定頻率。通過操作人員手動給定頻率來調(diào)節(jié)，主要用于前期調(diào)試所用。

(2) 定一網(wǎng)流量。通過檢測一次流量值，將設(shè)定流量作為給定值，通過采用PI控制和采用控制的方法使一網(wǎng)的流量恒定在設(shè)定值左右。

(3) 分時(shí)段定二次供溫。將預(yù)設(shè)定溫度作為給定值(分時(shí)段修正)，測量出水溫度值作為反饋值，將偏差進(jìn)行比例積分控制運(yùn)算，輸出控制指令給一次變頻器，自動改變一次流量，保證二次供水溫度的恒定。

(4) 經(jīng)驗(yàn)曲線。換熱站均安裝了室外溫度傳感器，通過公式計(jì)算出當(dāng)前的預(yù)設(shè)定溫度或者由經(jīng)驗(yàn)操作人員設(shè)定相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)曲線，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)曲線和室外溫度值，系統(tǒng)自動計(jì)算最優(yōu)二次供溫設(shè)定點(diǎn)，然后利用PI控制和采用控制進(jìn)行調(diào)節(jié)二次供溫。

一次熱網(wǎng)加壓泵控制流程圖如圖2所示。

圖2 一網(wǎng)加壓泵控制流程圖

2.2 二次熱網(wǎng)循環(huán)泵控制方案

二次循環(huán)泵主要負(fù)責(zé)二次用戶熱水循環(huán)，主要要求二次壓差滿足一定值，使得熱水能到達(dá)到每個(gè)用戶中。因此采用的控制如下：

(1) 手動定頻率。通過操作人員手動給定頻率來調(diào)節(jié)，主要用于前期調(diào)試、檢修所用。

(2) 二次定壓。通過采集二次供回壓，計(jì)算其壓差，與設(shè)定值進(jìn)行比較，將偏差進(jìn)行比例積分控制運(yùn)算，輸出控制二次循環(huán)泵的變頻器，保證二次供回壓恒定。二次熱網(wǎng)循環(huán)泵控制流程圖見圖3所示。

圖3 二網(wǎng)循環(huán)泵控制流程圖

2.3 二次熱網(wǎng)補(bǔ)水泵控制方案

為了保持熱網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，熱網(wǎng)補(bǔ)水系統(tǒng)還應(yīng)保持一定的水壓，即保持系統(tǒng)恒壓點(diǎn)的壓力恒定。考慮到熱網(wǎng)漏水情況比較少，采取簡單的邏輯控制補(bǔ)水，即根據(jù)要保持的水壓值，設(shè)定一定大小的上下限，在水箱液位在安全液位之上時(shí)，低于下限開始補(bǔ)水直至上限值，然后停止補(bǔ)水泵補(bǔ)水。

二次熱網(wǎng)補(bǔ)水泵控制流程圖如圖4所示。

圖4 二網(wǎng)補(bǔ)水控制流程圖

2.4 室外溫度補(bǔ)償計(jì)算

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用二網(wǎng)供溫作為被控量，通過變頻器調(diào)節(jié)一網(wǎng)加壓泵的轉(zhuǎn)速從而調(diào)節(jié)一網(wǎng)與二網(wǎng)的熱量，使得二次供溫穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值上。采用室外溫度補(bǔ)償時(shí)，由于室外溫度是一個(gè)動態(tài)變化的量，故二網(wǎng)供水溫度也是一個(gè)動態(tài)變化的量。設(shè)計(jì)出室外溫度為某值得對應(yīng)的二網(wǎng)供溫，由于每個(gè)地方每個(gè)公司要求有所不同，開始設(shè)計(jì)出來的未必適用，故設(shè)計(jì)時(shí)采用手動輸入室外溫度與二網(wǎng)供溫對應(yīng)關(guān)系來修正曲線。

2.5 分時(shí)段補(bǔ)償

系統(tǒng)的熱用戶不是每時(shí)每刻都在所在居民樓中，有些建筑白天有人，晚上基本無人，所以根據(jù)用戶所在時(shí)刻設(shè)置了分時(shí)段進(jìn)行二次供溫補(bǔ)償，當(dāng)無人或者人少時(shí)，可以使供溫稍微減少一些，當(dāng)人多時(shí)刻，供溫稍微提高一些，達(dá)到節(jié)省能耗，又使用戶舒適。

2.6 分階段變流調(diào)節(jié)

在供熱系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行期間，隨著室外溫度的提高，分為幾個(gè)階段減少循環(huán)量，在同一調(diào)節(jié)階段內(nèi)，循環(huán)流量維持不變，實(shí)行質(zhì)調(diào)節(jié)，這種調(diào)節(jié)是分階段變流調(diào)節(jié)，分別吸收了質(zhì)調(diào)節(jié)和量調(diào)節(jié)優(yōu)點(diǎn)，又克服了兩者的不足，達(dá)到最大節(jié)電效果。

3 控制系統(tǒng)的編程與通信

(1) PLC編程。按照程序設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)繪制出程序結(jié)構(gòu)框圖；再根據(jù)工藝要求，繪制各功能單元的詳細(xì)功能框圖[9]。

(2) 觸摸屏編程。MCGS組態(tài)嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)軟件是對觸摸屏進(jìn)行組態(tài)，支持多種設(shè)備通信和處理。四號站最終組態(tài)界面如圖5所示。

圖5 四號站主界面組態(tài)圖

(3) 觸摸屏通信。觸摸屏與PLC224采用PPI通信，只需要簡單的連接兩根線，具體接線見圖6。

(4) PLC224XP與監(jiān)控中心modbus通信。PLC采集的各種數(shù)據(jù)都保存在V區(qū)，而監(jiān)控中心要想監(jiān)控每個(gè)換熱站，必須與換熱站建立通信。

Modbus協(xié)議是Modicon公司提出的一種總線單主站，主從式的報(bào)文傳輸協(xié)議[6]。監(jiān)控中心采用輪詢方式對現(xiàn)場每個(gè)換熱站進(jìn)行通信。S7-200內(nèi)部的數(shù)據(jù)存儲區(qū)與MODBUS的0、1、3、4共4類地址的對應(yīng)關(guān)系見表1所示。

圖6 觸摸屏與PLC224接線圖

MODBUS地址S7?200數(shù)據(jù)存儲區(qū)00001-00128Q0．0-Q15．710001-10128I0．0-I15．730001-30032AIW0?AIW6240001-4XXXXT—T+2?(XXXX-1)

表1中，T為S7-200中的緩沖區(qū)起始地址。如果已知S7-200中的V存儲區(qū)地址，推算MODBUS地址的公式如下:MODBUS地址=40000+(T/2+1)。

4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心與每個(gè)換熱站進(jìn)行通信，然后獲取各個(gè)換熱站的溫度、壓力、流量等模擬量和水泵運(yùn)行狀態(tài)量，然后進(jìn)行分析，然后進(jìn)行相關(guān)指令下發(fā)，合理進(jìn)行全網(wǎng)熱力分配。圖7是監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)控二號站的運(yùn)行畫面。

圖7 監(jiān)控中心實(shí)時(shí)運(yùn)行畫面

監(jiān)控中心的具體功能如下：① 實(shí)時(shí)在線監(jiān)控全部管網(wǎng)運(yùn)行工況和具體參數(shù),數(shù)據(jù)與現(xiàn)場保持一致，并用數(shù)字、實(shí)時(shí)和歷史趨勢圖、歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線等方式顯示數(shù)據(jù)。② 報(bào)警。對整個(gè)青建熱力管網(wǎng)運(yùn)行中的水箱液位、溫度、壓力進(jìn)行高低限報(bào)警。③ 數(shù)據(jù)存儲。能夠?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警信息進(jìn)行存儲,數(shù)據(jù)每隔10 min(參數(shù)可設(shè)置存入歷史數(shù)據(jù)庫,可隨時(shí)調(diào)用、檢索、查詢、打印以供企業(yè)分析參考。④ 報(bào)表打印。可打印班、日、月、年生產(chǎn)報(bào)表、運(yùn)行時(shí)刻趨勢曲線圖。⑤ 現(xiàn)場采集終端獲取流量、溫度、壓力等現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)后,通過TCP/IP通信方及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到熱力監(jiān)控中心的服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表,無需人工現(xiàn)場抄表,極大地提高了員工工作效率,降低了勞動強(qiáng)度。⑥ 實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備巡檢人員巡檢情況。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合烏魯木齊市榮和城青建熱力公司的換熱站，利用分布式變頻技術(shù)，確定分布式系統(tǒng)的水泵運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)無人值守方案，同時(shí)配備現(xiàn)場上位機(jī)對其進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測，監(jiān)控中心對其進(jìn)行“三遙”操作，解決了針對隨時(shí)段不同對熱的需求也不同的公共建筑經(jīng)濟(jì)、舒適和節(jié)能供熱。實(shí)踐表明，分布式無人值守?fù)Q熱站對提高供熱效率，減輕熱力站工作人員的工作強(qiáng)度，保證節(jié)能優(yōu)質(zhì)供熱、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、環(huán)境保護(hù)具有十分重要的作用。

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Design of Monitoring System with Unattended Distributive Frequency Conversion Heat-exchange Station

XIELirong1,WEIZhihuang2,CHENGJing1

(1. College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China; 2. School of Automation, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)

Based on the heat-exchange station of Urumqi city Ronghe Qingjian heating company, this paper gave method to determine the pumps arrangement of the distributed system, by using distributed frequency conversion. Then, many dynamic windows of the heat-exchange station were established in the use of the MCGS configuration software on the basic of the data and graphics on site. Besides, PLC realized the functions of primary and secondary heat networks’ data acquisition and processing, communication with touch screen, and the setpoint control. In order to achieve the function of communication with the monitor center, the RS485/TCP module was used via the Modbus protocol, then, the monitor center achieved the function for every heat-exchange station with ‘three remote’ operation. The result of filed operation shows that this system is stable, the effect of energy saving is significant, successful solves the problem that different public buildings need different heat demand in different period. It is economic, comfort and energy saving.

heat-exchange station; distributed frequency conversion technology; programmble logic controller(PLC); operational strategy

2016-09-10

謝麗蓉(1969-)，女，湖南衡陽人，副教授，主要從事控制系統(tǒng)優(yōu)化。Tel.:13579823332;E-mail:wzywwwxr@163.com

TP 391

A

1006-7167(2017)05-0135-04