新技術(shù)下無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董 強(qiáng)

(太原市熱力公司東山分公司，山西 太原 030013)

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新技術(shù)下無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董 強(qiáng)

(太原市熱力公司東山分公司，山西 太原 030013)

對(duì)集中供熱工程的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了分析，從新型的自動(dòng)化控制技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)兩方面，提出了采用網(wǎng)絡(luò)化的無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高了企業(yè)效益并解決了運(yùn)行精度方面的需求，為今后同類工程提供參考。

無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)，集中供熱，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，中心控制室

1 集中供熱面臨的形式

集中供熱是當(dāng)今使用最多，負(fù)荷面積大，控制方便的供熱方式。其結(jié)構(gòu)為:熱源、一次管網(wǎng)、換熱站、二次管網(wǎng)、用戶。熱能由熱源產(chǎn)生通過(guò)一次管網(wǎng)輸送到換熱站，由換熱站換熱后輸送給用戶。上述流程中熱源和換熱站都有著復(fù)雜的運(yùn)行系統(tǒng)，電器設(shè)備相互按需協(xié)作運(yùn)行是節(jié)能降耗的前提條件。供熱面積大、用戶地域分布廣、加壓設(shè)備負(fù)荷、用戶管道承壓的差異性決定了換熱站種類和數(shù)量較多。一個(gè)換熱站需要6個(gè)人員才能保證值班運(yùn)行。一個(gè)熱網(wǎng)系統(tǒng)需要很多的擁有技術(shù)資格的運(yùn)行人員才能保證熱網(wǎng)的運(yùn)行。對(duì)于熱力企業(yè)減少投入的人工成本和降低人員的損耗是經(jīng)濟(jì)方面迫不及待的問(wèn)題。綜上所述需要設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)。其特點(diǎn)是換熱站能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無(wú)人值守運(yùn)行、換熱站與熱源和換熱站與換熱站之間能進(jìn)行自動(dòng)化通訊。

2 無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的分析

無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為：中心控制室部分、片區(qū)中心站部分、換熱站就地控制部分、網(wǎng)絡(luò)通訊部分、外網(wǎng)拓展部分。下文分別分析和設(shè)計(jì)這五部分內(nèi)容。

2.1 中心站控制室

中心站控制室主要完成對(duì)各換熱站就地控制的監(jiān)控功能、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一決策。系統(tǒng)流程：中控室服務(wù)器利用上位組態(tài)王軟件采集網(wǎng)絡(luò)上每個(gè)換熱站就地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過(guò)全網(wǎng)平衡軟件分析后，服務(wù)器給出控制數(shù)據(jù)發(fā)送到每個(gè)熱力站的PLC(可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程)。PLC做出響應(yīng)調(diào)節(jié)換熱站的一次網(wǎng)回水電動(dòng)閥門。使二次網(wǎng)溫度高的換熱站較一次網(wǎng)閥門關(guān)小，減少這個(gè)站的流量。同時(shí)開(kāi)大較低溫度換熱站的一次網(wǎng)閥門，讓其得到更多的熱能。這樣動(dòng)態(tài)的控制達(dá)到全網(wǎng)平衡的目的。同時(shí)中控室還具有生產(chǎn)報(bào)警功能，各換熱站PLC發(fā)送給中控室服務(wù)器的壓力、溫度、液位信號(hào)與組態(tài)軟件中的警報(bào)設(shè)定值比較，產(chǎn)生報(bào)警。通過(guò)上位組態(tài)軟件調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵啟停、變頻器頻率來(lái)讓換熱站系統(tǒng)正常運(yùn)行。中控室的組成：服務(wù)器、防火墻、交換機(jī)、路由器、網(wǎng)絡(luò)終端機(jī)、電腦終端。

2.2 片區(qū)中心站

目前大城市化的發(fā)展速度越來(lái)越快，城市覆蓋的面積以驚人的速度增長(zhǎng)。供熱居民區(qū)不僅數(shù)量多，而且分布廣。實(shí)際工作中，一個(gè)中心站控制室的人員面對(duì)300個(gè)或300個(gè)以上的熱力站進(jìn)行管理捉襟見(jiàn)肘。系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入片區(qū)中心站概念，把龐大的供熱區(qū)域分解成為幾個(gè)片區(qū)。其功能是將中控室的數(shù)據(jù)發(fā)送到片區(qū)中心，操作員通過(guò)對(duì)片區(qū)內(nèi)各站數(shù)據(jù)的分析，快速做出反應(yīng)。同時(shí)無(wú)人值守?fù)Q熱站加裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，片區(qū)中心站可以分擔(dān)中控室對(duì)視頻監(jiān)控的工作。

2.3 換熱站就地控制系統(tǒng)

換熱站系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為：一次網(wǎng)供回水管路、換熱器、二次網(wǎng)供回水管路、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵或一次直接補(bǔ)二次網(wǎng)電磁閥。根據(jù)工藝流程控制將系統(tǒng)分為以下幾部分。

2.3.1 換熱站就地監(jiān)控系統(tǒng)

以換熱站就地控制器為核心，現(xiàn)場(chǎng)的溫度、壓力、流量、熱量、閥門開(kāi)度、泵的啟停信號(hào)出送到控制器，由其進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并判斷處理，實(shí)現(xiàn)就地控制。

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行原件

現(xiàn)場(chǎng)儀表和執(zhí)行原件包括：壓力表、溫度表、液位計(jì)、流量計(jì)、熱量計(jì)、液位、變頻器、電動(dòng)閥閥門。

2.3.3 通訊系統(tǒng)

通訊系統(tǒng)可采用無(wú)線通訊、大型局域網(wǎng)通訊、大型局域網(wǎng)加互聯(lián)網(wǎng)的拓展模式通訊。

2.4 換熱站就地信息采集原理

1)溫度方面利用PT100熱電阻的特性：它的阻值跟溫度的變化成正比。PT100的阻值與溫度變化關(guān)系為:當(dāng)PT100溫度為0 ℃時(shí)它的阻值為100 Ω，在100 ℃時(shí)它的阻值約為138.5 Ω。它的工業(yè)原理:當(dāng)PT100在0 ℃時(shí)它的阻值為100 Ω，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長(zhǎng)的。現(xiàn)場(chǎng)PT100熱電阻通過(guò)變送器將變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)由通信電纜傳輸給就地控制柜，信號(hào)由控制柜中的AI模塊接受并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳輸給PLC。PLC將數(shù)字信號(hào)按比例關(guān)系轉(zhuǎn)化到寄存器中。就地控制觸摸屏和中控室服務(wù)器從相應(yīng)的寄存器讀取數(shù)據(jù)處理后顯示到屏幕。

2)壓力方面：利用壓力變送器的特性：介質(zhì)壓力直接作用于敏感膜片上，分布于敏感膜片上的電阻組成的惠斯通電橋，利用壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了壓力量向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，通過(guò)電子線路將敏感元件產(chǎn)生的毫伏信號(hào)放大為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。信號(hào)通過(guò)AI模塊到達(dá)PLC。

3)液位可采用壓力變送器測(cè)量，根據(jù)水的密度計(jì)算出壓力下水柱的高度。

4)循環(huán)泵變頻器方面：變頻器的通訊模塊發(fā)出的電流、頻率、故障信號(hào)，通過(guò)AI模塊到達(dá)PLC。

2.5 換熱站自動(dòng)化控原理

PLC通過(guò)對(duì)采集信息的處理，根據(jù)程序設(shè)定做出反應(yīng)。

1)補(bǔ)水泵啟停：補(bǔ)水泵一般對(duì)二次管網(wǎng)的回水管進(jìn)行補(bǔ)水。PLC將采集到各二次網(wǎng)壓力和程序設(shè)定值比較，如果現(xiàn)場(chǎng)值低于下限設(shè)定值則PLC發(fā)出信號(hào)到DO模塊，由DO模塊處理并發(fā)出24 V電流信號(hào)作用補(bǔ)水泵電機(jī)繼電器吸合，達(dá)到補(bǔ)水功能。如果現(xiàn)場(chǎng)值高于程序設(shè)定上限則中斷電流信號(hào)，補(bǔ)水停止。這樣完成了一次自動(dòng)補(bǔ)水。

2)循環(huán)泵的控制：中控室服務(wù)器或觸摸屏控制器對(duì)PLC發(fā)出信號(hào)，PLC接收并處理將啟停和頻率信號(hào)傳輸給變頻器，變頻器接收并完成動(dòng)作。部分采用了變頻器的補(bǔ)水泵配合補(bǔ)水程序能實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

3)一次網(wǎng)回水電動(dòng)閥門的控制：全網(wǎng)平衡軟件通過(guò)服務(wù)器給予PLC調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的信號(hào)。PLC處理信號(hào)后發(fā)送給AO模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，AO模塊將處理后的模擬信號(hào)傳輸給電動(dòng)閥，電動(dòng)閥動(dòng)作。這樣完成了一次全網(wǎng)平衡調(diào)節(jié)。

2.6 通訊部分

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)可采用兩種通訊方式分別為：GPRS DTU方式和基于通信公司網(wǎng)絡(luò)架設(shè)的專線局域網(wǎng)9(之后簡(jiǎn)稱專線局域網(wǎng))。GPRS DTU是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，利用公用GPRS網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無(wú)線長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸功能。是專門用來(lái)將串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無(wú)線終端設(shè)備。專線局域網(wǎng)是一種有線網(wǎng)絡(luò)，在通信公司的網(wǎng)絡(luò)上架設(shè)企業(yè)自己獨(dú)立的局域網(wǎng)。GPRS DTU方式用于無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于：DTU提供標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，可直接與下位機(jī)設(shè)備透明通訊。可以使非IP系統(tǒng)通過(guò)串口輕松實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet接入并提供安全、透明的傳輸信道。缺點(diǎn)：由于全網(wǎng)平衡控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)控制，受無(wú)線網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)和數(shù)據(jù)滯后影響大。專線局域網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)：構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)時(shí)，只要換熱站附近有通信公司機(jī)站就能將換熱站設(shè)備有線接入網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)傳輸穩(wěn)定，能滿足系統(tǒng)高精度的要求。

2.7 外網(wǎng)拓展部分

移動(dòng)設(shè)備的飛速發(fā)展使工作變得高效、方便、快捷。工作人員通過(guò)安裝有下位軟件的移動(dòng)設(shè)備，無(wú)論是在辦公區(qū)域、道路、車輛等位置都能完成無(wú)人值守?fù)Q熱站系統(tǒng)的操作。外網(wǎng)拓展部分根據(jù)以上需求出現(xiàn)了。其內(nèi)容主要是：通過(guò)有線或無(wú)線訪問(wèn)Internet網(wǎng)，由通信公司制定的無(wú)人值守供熱系統(tǒng)局域網(wǎng)絡(luò)的外網(wǎng)端口進(jìn)入局域網(wǎng)。設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)從網(wǎng)絡(luò)安全方面考慮，局域網(wǎng)內(nèi)的用戶不能訪問(wèn)Internet網(wǎng)。由外網(wǎng)進(jìn)入外網(wǎng)端口要有IP注冊(cè)管理、訪問(wèn)權(quán)限限制、賬戶密碼注冊(cè)。外網(wǎng)功能的拓展不僅對(duì)熱力企業(yè)人員工作效率有提升，而且用戶可以接收發(fā)布到外網(wǎng)上的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而降低了多年存在的用戶查詢不便的問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析和設(shè)計(jì)了集中供熱運(yùn)行現(xiàn)狀，根據(jù)目前先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)和高速、多功能的網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)快增長(zhǎng)的供熱需求。設(shè)計(jì)出一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)化的無(wú)人值守供熱系統(tǒng)。分析了換熱站自動(dòng)化控制原理、全網(wǎng)平衡控制架構(gòu)、通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇以及未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方向。這個(gè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明是有效可行的。

[1] 尚偉紅.供熱工程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2017.

[2] 王萬(wàn)良.自動(dòng)控制原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[3] 王冀魯.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)與Internet應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

On design for unattended heat exchange station in new techniques

Dong Qiang

(DongshanBranch,TaiyuanThermalPowerCompany,Taiyuan030013，China)

The paper analyzes the features and design demands for the central heat-supply projects, points out the internet design for the unattended heat exchange station from the new automatic control technique and network techniques, so as to improve the enterprise benefits and solve the demands for the operation accuracy, so as to provide some reference for similar projects.

unattended heat exchange station, central heat-supply, internet technique, central control room

1009-6825(2017)17-0109-03

2017-03-20

董 強(qiáng)(1983- )，男，助理工程師

TU995

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