傅振鐸
（北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司，北京，100176）
摘 要 本文針對(duì)換熱站控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于PLC控制器組成的換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PID控制策略，對(duì)換熱站的一次網(wǎng)、二次網(wǎng)和補(bǔ)水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集和控制，經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)穩(wěn)定，效果良好。
關(guān)鍵詞 集中供熱系統(tǒng)；換熱站控制系統(tǒng)；PLC
Development and Implement of Heat Exchanger Control System
Zhenduo Fu
（Beijing Hollysys Automation and Drive Co., Ltd，Beijing, 100176）
Abstract This paper discusses the heat exchanger control system, and develops a PLC based automatic control system with PID control method. The system accomplishes the realtime data acquisition and equipment control of the primary network, the secondary network and the water supply system. This system has been realized with a stable and good performance.
Key Words Central Heating Supply System; Control system of heat exchanger; PLC
1 引言
集中供熱系統(tǒng)是城市的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是城市現(xiàn)代化水平的標(biāo)志之一。發(fā)展集中供熱對(duì)節(jié)約能源、改善環(huán)境質(zhì)量、提高人民生活水平都具有重要的意義。因其具有良好的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益，故而在城市發(fā)展和完善集中供熱中是非常必要和迫切的。
城市集中供熱信息管理調(diào)度及自動(dòng)化控制系統(tǒng)對(duì)于保證供熱系統(tǒng)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。通過(guò)建設(shè)城市集中供熱信息管理調(diào)度及自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可收集到全市供熱工程的全部主要信息，集中監(jiān)視、綜合分析、協(xié)調(diào)調(diào)度、提高效率，使供熱行業(yè)管理從粗放型向集約型轉(zhuǎn)變，促使供熱行業(yè)控制水平整體提高。
降低熱能損失是供熱行業(yè)節(jié)能最主要方向，本文的目的在于提供供熱控制方案，通過(guò)自動(dòng)控制使熱損失降到最低。通過(guò)提供工藝控制功能庫(kù)，保證滿足負(fù)載的同時(shí)使這些設(shè)備在相應(yīng)工藝條件下，發(fā)揮最大的效率，最大程度地降低能源的損耗。
2 換熱站的工作原理
集中供熱又稱區(qū)域供熱，以熱水和蒸汽為載能體，通過(guò)管網(wǎng)為一個(gè)區(qū)域的所有熱用戶供熱。通常是由一個(gè)和多個(gè)供熱設(shè)備集中供熱，例如供熱鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)裝置、溫泉地?zé)?、低溫供熱核反?yīng)堆的熱源及工業(yè)余熱等。集中供熱系統(tǒng)是由熱源、熱用戶和熱網(wǎng)三部分組成。熱源負(fù)責(zé)制備熱媒，熱力網(wǎng)負(fù)責(zé)熱媒的輸送，熱用戶是指用熱場(chǎng)所。集中供熱系統(tǒng)的熱用戶有供暖、通風(fēng)、熱水供應(yīng)、空氣調(diào)節(jié)及生產(chǎn)工藝等用熱系統(tǒng)。
各熱用戶用熱系統(tǒng)的熱負(fù)荷，按其性質(zhì)可分為兩大類:季節(jié)性熱負(fù)荷和常年性熱負(fù)荷。熱水供熱系統(tǒng)按系統(tǒng)的密閉性可分為開(kāi)式和閉式兩種型式。在閉式系統(tǒng)中，熱網(wǎng)的循環(huán)水僅作熱媒，供給熱用戶熱量，而不從中取出使用。在開(kāi)式系統(tǒng)中，熱網(wǎng)循環(huán)水部分或全部從熱網(wǎng)中取出，直接用于生產(chǎn)或熱水供應(yīng)。
由于供熱系統(tǒng)中熱用戶的熱負(fù)荷并不是恒定的，如供暖通風(fēng)熱負(fù)荷隨室外氣象條件變化，熱水供應(yīng)和生產(chǎn)工藝用熱隨使用條件等因素變化。要保證供熱質(zhì)量，滿足各熱用戶要求，并使熱能的制備和輸送合理，就要對(duì)供熱系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行調(diào)節(jié)一一也就是供熱調(diào)節(jié)。
在城市集中熱水供熱系統(tǒng)中，供暖熱負(fù)荷是系統(tǒng)最主要的熱負(fù)荷，甚至是唯一的熱負(fù)荷。因此，在供熱系統(tǒng)中，通常按照供暖熱負(fù)荷隨室外溫度的變化規(guī)律，作為供熱調(diào)節(jié)的依據(jù)。供熱調(diào)節(jié)的目的，在于使供暖用戶的散熱設(shè)備的放熱量與用戶熱負(fù)荷的變化規(guī)律相適應(yīng)，以防止供暖熱用戶出現(xiàn)溫度過(guò)高或過(guò)低。
根據(jù)供熱調(diào)節(jié)地點(diǎn)不同，供熱調(diào)節(jié)可分為集中調(diào)節(jié)、局部調(diào)節(jié)和個(gè)體調(diào)節(jié)三種調(diào)節(jié)方式。集中調(diào)節(jié)在熱源處或供熱網(wǎng)處進(jìn)行。局部調(diào)節(jié)在換熱站或熱用戶引入口進(jìn)行，個(gè)體調(diào)節(jié)直接在散熱設(shè)備處進(jìn)行調(diào)節(jié)。集中供熱調(diào)節(jié)容易實(shí)施，運(yùn)行管理方便，是最主要的供熱調(diào)節(jié)方法。
集中供熱系統(tǒng)的換熱站是供熱網(wǎng)路與熱用戶的連接場(chǎng)所，在其內(nèi)安裝有與用戶連接的有關(guān)設(shè)備、管道、閥門(mén)、儀表和控制裝置。它的作用是根據(jù)熱網(wǎng)工況和不同的條件，采用不同的連接方式，將熱網(wǎng)輸送的熱媒加以調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換，向熱用戶系統(tǒng)分配熱量以滿足用戶的需求;同時(shí)還應(yīng)根據(jù)需要，進(jìn)行集中計(jì)量、檢測(cè)供熱熱媒的參數(shù)和數(shù)量。根據(jù)規(guī)模和設(shè)置地點(diǎn)不同，換熱站又可分為首站、區(qū)域換熱站、集中換熱站和用戶換熱站。熱力輸配網(wǎng)絡(luò)控制的重點(diǎn)是換熱站的控制。
換熱站主要完成從供熱一次網(wǎng)到二次網(wǎng)的熱量交換，置換出的二次網(wǎng)的熱水溫度一般在40℃~65℃之間。換熱站監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)熱網(wǎng)的溫度、壓力、流量、開(kāi)關(guān)量等進(jìn)行信號(hào)采集測(cè)量、控制、遠(yuǎn)傳，實(shí)時(shí)監(jiān)控一次網(wǎng)、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量，循環(huán)泵、補(bǔ)水泵運(yùn)行狀態(tài)，及水箱液位等各個(gè)參數(shù)信息，進(jìn)而對(duì)供熱過(guò)程進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制。在供熱期間可按室外溫度調(diào)節(jié)二次網(wǎng)供回水溫度（可手動(dòng)、自動(dòng)切換），達(dá)到按需供熱，實(shí)現(xiàn)氣候補(bǔ)償節(jié)能控制；也可以進(jìn)行分時(shí)分區(qū)節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)供熱全網(wǎng)熱量平衡及節(jié)約能源。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 換熱站的工作原理
3 換熱站控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站主要由液晶顯示操作終端和控制系統(tǒng)兩部分組成。彩色液晶顯示屏主要完成各種監(jiān)控畫(huà)面、采集參數(shù)的顯示，并接受一些參數(shù)設(shè)定的輸入信息?？刂葡到y(tǒng)采用性價(jià)比較高的和利時(shí)LM系列PLC，包括CPU模塊、I/O模塊，背板等，系統(tǒng)集成多種通訊接口，適用于各種通訊網(wǎng)絡(luò)。
現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站主要功能是對(duì)各換熱站、供熱沿線各節(jié)點(diǎn)、熱用戶運(yùn)行參數(shù)（一、二次網(wǎng)溫度、壓力、流量等）、各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及采集，并根據(jù)氣象環(huán)境和負(fù)荷的變化按預(yù)先設(shè)定的控制策略對(duì)換熱站循環(huán)泵、補(bǔ)水泵和調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱機(jī)組的完全自動(dòng)控制。如果有通訊網(wǎng)絡(luò)的支撐，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站還可以將反映換供熱運(yùn)行的數(shù)據(jù)傳送到調(diào)度中心，同時(shí)接收調(diào)度中心發(fā)來(lái)的調(diào)度控制指令。
LM的連接圖如圖3-1所示。
圖3-1 LM連接圖
4 換熱站控制系統(tǒng)的主要功能
一次網(wǎng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制
換熱站控制系統(tǒng)具有氣候補(bǔ)償和恒溫供水功能，即根據(jù)氣候的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)供熱量。應(yīng)用可編程控制器（PLC），根據(jù)室外溫度的變化和當(dāng)?shù)責(zé)嶝?fù)荷曲線，決定二級(jí)網(wǎng)側(cè)的供熱量，實(shí)測(cè)供熱量和設(shè)定值相比較后，進(jìn)行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，控制器輸出信號(hào)至電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，從而改變一級(jí)網(wǎng)側(cè)的流量，實(shí)現(xiàn)二級(jí)網(wǎng)側(cè)供熱量調(diào)節(jié)。
二次網(wǎng)循環(huán)泵變頻控制
實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)供/回水壓力差值PID控制，從而保證最不利點(diǎn)正常供暖。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。
補(bǔ)水泵變頻控制
自動(dòng)補(bǔ)水是由二次網(wǎng)側(cè)回水管路上的壓力變送器檢測(cè)的壓力信號(hào)與控制器上回水壓力設(shè)定值比較后輸出一個(gè)控制信號(hào)，通過(guò)PID控制來(lái)調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)二次網(wǎng)回水自動(dòng)補(bǔ)給。
保護(hù)功能
失壓保護(hù)：二次網(wǎng)側(cè)回水壓力低于超低限設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)停止循環(huán)泵運(yùn)行，并關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)投入運(yùn)行，開(kāi)始補(bǔ)水。自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)投入運(yùn)行后二次網(wǎng)側(cè)回水壓力仍繼續(xù)降低即發(fā)聲光信號(hào)報(bào)警。
斷電保護(hù)：停電后自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，切斷熱源，控制器及變頻器自動(dòng)復(fù)位并使各種設(shè)定參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)保持原斷電前設(shè)置。
超溫保護(hù)：二次網(wǎng)供水溫度超過(guò)80℃（操作面板可調(diào)設(shè)定值）時(shí)，一級(jí)網(wǎng)側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥關(guān)閉。一次網(wǎng)回水溫度超過(guò)70℃（操作面板可調(diào)設(shè)定值）時(shí)啟動(dòng)高限制保護(hù)，以一級(jí)網(wǎng)回水溫度為目標(biāo)控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度。一次網(wǎng)側(cè)供水溫度超過(guò)120℃時(shí)立即關(guān)閉一級(jí)網(wǎng)側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥并報(bào)警。
超壓保護(hù)：二次網(wǎng)供水壓力超過(guò)設(shè)定超高限值（操作面板可調(diào)設(shè)定值）循環(huán)泵停止運(yùn)行并關(guān)閉一次網(wǎng)側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。
監(jiān)測(cè)水箱液位，具備報(bào)警保護(hù)功能。水箱液位為4～20mA信號(hào)輸入，停補(bǔ)水泵信號(hào)由控制器送出，停泵水位可以人為設(shè)定。
經(jīng)過(guò)搭建這樣的換熱站自動(dòng)控制系統(tǒng)，最終可以實(shí)現(xiàn)換熱站的無(wú)人值守，帶來(lái)以下功能效果：
宏觀掌握供熱系統(tǒng)運(yùn)行狀況、運(yùn)行質(zhì)量。
保證供熱系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)。對(duì)熱網(wǎng)的水力工況和熱力工況進(jìn)行全自動(dòng)調(diào)節(jié)，解決各換熱站的耦合影響，消除熱網(wǎng)水平失調(diào)，平衡供熱效果。
以節(jié)省總供熱量為目標(biāo)，在滿足熱網(wǎng)用戶基本采暖要求的前提下盡量減少總供熱量，從而達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。
更好地進(jìn)行供熱系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)及管理。及時(shí)檢測(cè)報(bào)告供熱系統(tǒng)故障，做到防微杜漸，防患未然。
為熱網(wǎng)如何經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行提供分析基礎(chǔ)和分析依據(jù)。通過(guò)記錄的熱網(wǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)，在一個(gè)采暖期結(jié)束后與前期數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，查出主要能耗來(lái)源，為今后的節(jié)能改造提供條件。
5 結(jié)論
該套自動(dòng)化集中監(jiān)控系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①系統(tǒng)完成溫度、壓力的自動(dòng)控制，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；②提供完整的人機(jī)交互接口，用戶可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏完成對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)視和操作；③通過(guò)控制算法完成供熱的時(shí)間與溫度曲線控值，達(dá)到節(jié)能目的。
PLC控制系統(tǒng)作控制站，實(shí)現(xiàn)了對(duì)換熱站或換熱機(jī)組的自動(dòng)控制；實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)對(duì)話，方便操作人員在觸摸屏上了解現(xiàn)場(chǎng)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置或手動(dòng)控制，同時(shí)通過(guò)PLC控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障保護(hù)功能；維護(hù)人員可以直接從觸摸屏上靈活組態(tài)和方便查找現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障原因，達(dá)到了既顯示直觀又節(jié)省費(fèi)用的目的。本設(shè)計(jì)經(jīng)北京和利時(shí)自動(dòng)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)有限公司在多個(gè)熱網(wǎng)項(xiàng)目中具體實(shí)施實(shí)現(xiàn)，已得到了非常好的實(shí)際應(yīng)用效果。
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