智能換熱站自動(dòng)控制系統設計研究論文

智能換熱站自動(dòng)控制系統設計研究論文

　　摘要：智能換熱站的自動(dòng)控制系統由監控中心、通信網(wǎng)絡(luò )、本地監控站（現場(chǎng)控制層）3部分組成。本文重點(diǎn)介紹了智能換熱站現場(chǎng)控制層的硬件設計，結合換熱站的主要調節參數二次側的供水溫度、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

　　集中供熱系統是城市重要的基礎設施之一，也是城市現代化水平的重要標志[1]。換熱站作為連接熱源與用戶(hù)的重要紐帶，起著(zhù)熱量匹配、轉換和輸配的功能，其安全、可靠、穩定、經(jīng)濟節能運行直接影響熱源效率及供熱質(zhì)量。鑒于此，智能換熱站利用現代工業(yè)自控技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、現代信息處理技術(shù)，實(shí)施更科學(xué)、更規范的監控管理，實(shí)現由傳統的人工操作模式向現代化、高度集成化、自動(dòng)化、智能化的模式轉變，最終達到提高供熱質(zhì)量，節約能源的目的。本文是以保定市老城區集中供熱改造設計為例。

　　1換熱站工作原理

　　換熱站就是換熱的場(chǎng)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)的高溫熱量換熱給二次網(wǎng)的熱水再供給用戶(hù)。換熱站通過(guò)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(guò)換熱站的一次網(wǎng)熱水回到熱源被加熱后重復下一次循環(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(hù)，流經(jīng)用戶(hù)散熱后的二次網(wǎng)循環(huán)水返回吸收一次網(wǎng)熱量，重復上一次循環(huán)周而復始。換熱站通過(guò)流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器采集信號送至PLC，并上傳數據信息；同時(shí)，PLC還可對循環(huán)水泵、補水泵等實(shí)現遠程控制和自動(dòng)控制，從而實(shí)現換熱站的無(wú)人值守[2]。PLC是熱量交換，熱量分配及系統監控、調節的樞紐，在供熱期間通過(guò)調整和保持熱媒參數（溫度、壓力和流量等），進(jìn)行分時(shí)、分區節能控制和氣候補償節能控制，滿(mǎn)足按需供熱，實(shí)現供熱、用熱全網(wǎng)熱量平衡和節約能源。

　　2智能換熱站控制系統組成

　　智能換熱站的自動(dòng)控制系統由監控中心、通信網(wǎng)絡(luò )、本地監控站（現場(chǎng)控制層）3部分組成[3]，見(jiàn)圖2。監控中心硬件由服務(wù)器、工作站、集中顯示系統、電源系統、打印機和相應的網(wǎng)絡(luò )通信設備等組成。監控中心能夠實(shí)現對供熱系統監控運行、調度和能耗管理、故障診斷和報警處理、數據存儲和統計及分析、集中顯示等功能。本地監控站（現場(chǎng)控制層）由PLC、傳感器、變送器、執行機構、網(wǎng)絡(luò )通訊設備、人機界面等組成，能夠實(shí)時(shí)采集各換熱站一、二次網(wǎng)的壓力、溫度、流量、液位等參數，監視和調控設備運行。通信網(wǎng)絡(luò )將監控中心、各個(gè)換熱站、熱源、管道監控節點(diǎn)等連接成一個(gè)整體，是熱網(wǎng)監控系統的橋梁和紐帶。

　　3智能換熱站現場(chǎng)控制層硬件設計

　　換熱站現場(chǎng)控制系統由PLC控制器、觸摸屏、電動(dòng)調節閥、變頻器、壓力、溫度、流量變送器，通訊模塊等以及視頻攝像機、交換機等部件構成[4]�？刂坪诵腜LC采用德國西門(mén)子公司的S7-300系列，其模塊化的結構、易于實(shí)現分布式的配置、電磁兼容性強、抗震動(dòng)沖擊性能好，在供熱領(lǐng)域應用廣泛。中央處理單元采用CPU315-2DP，自身帶有Profibus-DP主/從現場(chǎng)總線(xiàn)通信接口；溫度測量模塊采用SM331AI8×RTD8點(diǎn)輸入熱電阻專(zhuān)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；模擬量輸出模塊采用SM332AO8×12bit，輸出的電流和電壓可調整；數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，內置RFI濾波器和變感電抗器，具有PID閉環(huán)調節功能，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，調節循環(huán)泵與補水泵轉速，實(shí)現節能運行。采用西門(mén)子TP精智系列觸摸屏作為PLC的人機界面，通過(guò)觸摸屏按鈕可調整和修改PID參數；顯示現場(chǎng)壓力、溫度、流量、液位等信號，監測循環(huán)泵、補水泵、調節閥、變頻器等設備工況；為了方便調節和控制整個(gè)工作過(guò)程，通過(guò)設置報警極限值可進(jìn)行聲、光報警。視頻監控攝像機為網(wǎng)絡(luò )攝像機，采用光纖以有線(xiàn)方式租用通信運行商鏈路實(shí)現換熱站和監控中心之間運行數據和視頻信號實(shí)時(shí)傳送，并接受監控中心發(fā)送的指令。智能換熱站數據采集見(jiàn)圖3。

　　4智能換熱站主要控制策略

　　影響用戶(hù)供暖質(zhì)量的因素主要是供熱系統中水的溫度、管道壓力及流量，調整二次側的供水溫度、供回水壓差和回水壓力就能滿(mǎn)足用戶(hù)對供暖的要求，通過(guò)對一次網(wǎng)側電動(dòng)調節閥以及對二次網(wǎng)側循環(huán)泵和補水泵的控制即可實(shí)現對以上各參數的調節[5]。

　　4.1二次網(wǎng)供水溫度的調節

　　根據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曲線(xiàn)。按照當地熱負荷（曲線(xiàn)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的強大控制功能和豐富算法，結合一天中溫度設定值的變化規律對控制算法進(jìn)行修正，根據修正后的控制算法得出二次網(wǎng)側供熱溫度的設定值，把設定值和實(shí)測供熱溫度比較后，送入控制器，執行智能PID閉環(huán)調節，改變一次網(wǎng)電動(dòng)調節閥的開(kāi)度，實(shí)現一次側流量的量調節和二次側供水溫度的質(zhì)調節，從而達到二次網(wǎng)供水溫度的要求。

　　4.2二次網(wǎng)供回水壓差控制

　　為了滿(mǎn)足將熱水供至管路末端用戶(hù)，必須在換熱站二次網(wǎng)設置循環(huán)泵。二次網(wǎng)供回水要保持一個(gè)恒定壓差來(lái)保證供回水的流量，使熱量傳送給用戶(hù)。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定值比較，通過(guò)變頻器采用智能PID方式調節循環(huán)泵的轉速，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)現了分時(shí)段變流量功能，又有效地節約了電能。壓差設定值可根據經(jīng)驗參數或經(jīng)驗曲線(xiàn)進(jìn)行設定。

　　4.3二次網(wǎng)回水定壓控制

　　熱水管網(wǎng)常會(huì )發(fā)生漏水現象，導致水壓不穩定，為了維持管網(wǎng)恒壓點(diǎn)壓力，在二次管網(wǎng)回水處設置一臺回水壓力變送器，將回水壓力信號輸送至補水泵變頻器，變頻器根據回水壓力設定值，通過(guò)內部PID控制調節補水泵的轉速，保持二次熱網(wǎng)的水壓恒定。

　　5結語(yǔ)

　　通過(guò)采用電子信息技術(shù)、PLC控制技術(shù)和變頻調速技術(shù)等，智能換熱站控制系統實(shí)現了對溫度、壓力、流量等參數的自動(dòng)控制，不僅提高了供熱系統的自動(dòng)化程度及控制精度，還節省了大量的人力和物力。通過(guò)遠程通信網(wǎng)絡(luò )，熱力網(wǎng)監控系統實(shí)現了對換熱站的遠程遙測、遠程遙信、遠程遙控，利用視頻系統還可實(shí)時(shí)監視換熱站現場(chǎng)情況，最終達到無(wú)人值守，起到了減人增效的效果。