城市集中供熱無人值守換熱站智能控制系統的研究與分析

郭小榕

[摘要] 本套無人值守換熱站智能控制系統主要由人機界面-PLC-變頻器、光纖以太網組成。重點闡述了二次供水溫度的自動化控制回路及具體實施，循環泵補水泵的變頻控制方案，通過以太網進行遠程監控的數據傳輸，運行證明程序模塊設計合理，算法控制精度高，遠程通信網絡可靠穩定，節省了大量的煤、電能源，經濟效果顯著。

[關鍵詞] 換熱站：可編程序控制器；PID控制；變頻調速；以太網

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

隨著人們生活水平的提高，對節能及環境保護的日益重視，近年來城市集中供熱得到了迅速發展。本文主要介紹無人值守換熱站通過采取自控技術及設備達到控制換熱站實現按需供熱，對供熱系統供、回水溫度、循環流量的集中運行調節。整個熱力網是雙管封閉式供熱系統，熱用戶只取熱，不取水。

1 換熱站智能控制系統組成

1.1 控制原理

換熱站系統采用多個壓力和溫度傳感器分別安裝在換熱器熱介質入口、熱介質出口、冷介質入口及冷介質出口等位置，采集現場溫度和壓力信號。兩臺循環泵和兩臺補水泵運行方式均為一用一備。控制系統采用含PID指令且支持多回路調節的PLC，系統結構為：人機界面-PLC-變頻器。

換熱器熱介質入口溫度和壓力信號是進行PID調節的基礎參數，調節閥用來控制熱介質入口流量。在整個系統工作之前，換熱器冷介質出口處采集的溫度信號與設定值相比較，若不同則通過PLC的PID指令進行調節，控制調節閥開度，直至相等，將滿足要求的熱水送至熱用戶。調節循環泵頻率達到既定二次供回水的流量及壓差，實現整個熱力網的水循環。根據熱用戶與換熱站垂直距離的高度設定二次網回水的壓力，二次網壓力由補水泵控制，有兩種運行方式，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，以隨時改變補水泵運行頻率的方式控制二次網壓力；第二，利用PLC給變頻器啟停信號轉動補水泵以達到設定壓力的目的。人性化的使用界面直觀反映整個換熱站的運行狀況。操作人員少，人員培訓簡單。

1.2 換熱站控制功能描述

（1） 數據采集功能：水的溫度、壓力、流量；調節閥開度；泵的工作狀態；變頻器工作狀態、頻率；水箱液位；室外溫度。

（2） 參數設定功能：二次供水溫度設定；二次供水溫度高低限設定；設備輪換間隔時長設定；二次供回水溫差設定；補水壓力高低限報警值設定；補水壓力設定值籌。

（3） 保護/報警功能：電機過流/過壓保護；二次超溫/超壓保護；二次欠壓保護；補充水箱液面低保護/高報警。

（4） 遠程監控功能：標準的通信接口可以把換熱站的各種參數傳送到熱源廠中央控制室，運行人員根據實際工況可以向換熱站下達控制指令，從而實現換熱站無人值守，中央控制室計算機預裝組態可同時監控數十個換熱站。2換熱站智能控制系統設計

由于PID控制器的標準算式為：

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，T_i為積分時間常數，T_d為微分時間常數。PID參數范圍為K_p=1.6～5，T_i=3～10m，T_d=0.5～3m。

2.1 調節閥控制策略

換熱站通過改變調節閥開度來改變熱介質入口流量，從而改變二次供水溫度，這樣在供熱系統滿足熱用戶需求量的前提下，保證最佳工況。按照供回水溫差設定值來調整機組負荷，既保證供熱質量，又做到經濟運行。同時智能控制對流量累積，并實時顯示。

2.2 補水泵控制策略

補水泵的自動控制系統有兩臺補水泵，一用一備的工作模式，通過回水管網上壓力變送器的反饋值與內部的設定值比較，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，延長使用壽命。要充分考慮熱膨脹帶來的系統壓力變化，例如：靜態時系統壓力設定為0.4MPa，動態時系統壓力設定為0.38MPa。

2.3 人機界面

觸摸屏屏控按鈕與相應PLC觸點通過軟件相連，實時監控換熱站恒溫恒壓運行。觸摸屏主控界面主要完成如下功能：①手動或自動控制調節閥和變頻器，設置控制參數；②手動或自動控制循環泵和補水泵；③當溫度或壓力過高或過低時，觸摸屏發出報警信號，報警時按順序關閉循環泵和補水泵；④監控和設置現場溫度、壓力等參數，實時顯示各種運行參數。

2.4 熱源廠中心控制室

熱源廠中央控制室的遠程監控使得換熱站實現了真正的無人值守。聲光報警系統能及時向運行人員提供準確的故障信息，數據報表系統取代了按時抄表的工作，并能夠提供滿足要求的報表，提高了管理效率，智能控制系統保證換熱機組自動運行，無須運行人員頻繁操作，控制穩定，效果良好。

3 換熱站智能控制系統實現

3.1 系統硬件

（1） 人機界面：采用觸摸屏與PLC直接相連，通過配置觸摸屏按鈕內置數據，實時改變PID參數；監測換熱器、調節閥、循環泵、補水泵及變頻器工況，顯示現場溫度、壓力信號。

（2） PLC：是控制系統的核心，可設置PID參數進行閉環控制；根據PID運算結果進行D/A變換輸出，實現手動或自動調節執行機構（調節閥、變頻器）；具有系統故障診斷，判斷異常溫度、壓力、電流等故障信號。

（3） 變頻器：通過變頻器調節循環泵與補水泵轉速，實現節能調速。

3.2 系統軟件

觸摸屏能夠通過PLC對現場設備進行實時監測、控制和報警，達到高可靠性、穩定性運行目的。無人值守換熱站的人機界面軟件具備報警管理功能，每條報警信息包含報警站點、報警發生時間、報警參數及當前值等詳細信息。軟件對過去的報警按站點或按時間進行查詢，并記錄報警的處理人和處理時間。軟件系統對運行人員、維護人員、管理人員賦予不同的權限，不同人員具有不同的操作權限，從而避免了操作不當所造成的系統故障。軟件系統還設置巡檢記錄，巡檢人員每到一個站點檢查完畢，按一下觸摸屏屏控按鈕就記錄了當前巡檢的時間，和當天已經巡檢的次數，方便了管理人員對運行人員的管理。

3.3 光纖以太網遠程通信實現

為了掌握供熱流域分配情況、小區用熱總量和調節熱用戶所用熱量并進行熱能資源優化、調度和自動化管理，系統需要對換熱站運行狀況進行監測，力求做到換熱站無人值守。

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

4 結論

在換熱站中使用變頻器及可編程控制器，充分發揮變頻器的調速和節能的優點及可編程控制器配置靈活、控制可靠、編程方便的優點，使整個系統的穩定性有了可靠保障。采用觸摸屏對換熱站運行過程進行控制，使控制過程智能化、可視化，便于操作和維護。熱力網監控系統通過以太網遠程通信，實現遠程采集、遠程控制、遠程調節的無人值守運行管理模式。該系統的智能特點為：①人機界面友好；②全面保護機組設備；③帶有遠程通信接口。通過換熱站智能控制系統的投運，過去主要依靠人工調節的手段得到了徹底改善，熱力換熱站運行得到合理控制，失調現象得到了有效地解決，消除了熱力網中各站冷熱不均的現象。按需供熱、節能降耗，改變了不合理的小溫差大流量運行方式，既保證了遠端客戶的供熱需要又避免了近端用戶的過熱現象，直接改善了供熱效果。該系統在高層樓宇等供熱領域有實用和推廣價值。