一種換熱站節能自控柜的研究與設計

摘要：本文根據實際需求提出一種換熱站節能自控柜的設計方案，能滿足軟件平 臺對換熱站設備的遠程數據采集與監控，實現無人值守。實現換熱站高、中、低 區及商業區的二次網供水溫度的分區控制和節能控制策略。

關鍵詞：PLC 自控柜；分區節能控制；遠程數據采集域監控；無人值守

一、換熱站自控柜的現狀與設計思路

（一）換熱站自控柜的現狀

2017 年北方各省相繼推出清潔供暖的政策與措施，供熱節能改造成為一種趨 勢。換熱站作為供熱系統中一個重要環節，是供熱精細化監控與節能管理的重要 部分。因當前很多地區的換熱站控制柜還不具備數據遠程與遠程監控的功能，有 些換熱站自控柜雖有數據遠程功能，但是無法實現遠程設備的控制功能。在“互 聯網+”趨勢下，作為換熱站數據采集與監控中心的換熱站節能自控柜也是朝著 無人值守與智能化方向發展。在技術發展的趨勢下，研究與設計一種適應實際需 求的換熱站節能控制柜，既能滿足供熱節能改造的需要，又能取得較好的經濟效 益。

（二）換熱站控制對象的現狀

隨著城市的發展，城市中小區內的高層建筑越來越多。高層建筑樓層一般為 33 層左右，樓下為商業，樓上為住宅區。為較好的滿足不同樓層的供暖供水壓 力，換熱站的二次網一般分成高、中、低區三個區分別對不同的樓層供暖，并且 都會從二次網的低區分出一個支路給商業供暖。這種建筑具有多個住宅的分區， 每個住宅分區通過調節分布式變頻泵的頻率來調節二次網的供水溫度，這種建筑 還具有樓下低區商戶的分時節能控制。針對這種城市中典型的建筑特點，就需要 研究設計一種典型的換熱站節能自控柜滿足其供暖的需要。 2 這種換熱站的具有如下的自控設備：（1）一次網的供回水溫度傳感器、一 次網的供回水壓力傳感器、一次網熱量表；（2）二次網高區的供回水溫度傳感 器、供回水壓力傳感器、熱量表；（3）二次網中區的供回水溫度傳感器、供回 水壓力傳感器、熱量表；（4）二次網低區的供回水溫度傳感器、供回水壓力傳 感器、熱量表；（5）水箱的液位傳感器、室外溫度傳感器；（6）水箱補水電磁 閥 （7）高、中低區補水泵變頻控制；（8）高、中、低區循環泵變頻控制；（9） 高、中、低區分布式變頻泵控制柜；（10）攝像頭、錄像機；（11）水侵報警器。 設計換熱站自控柜時，需要確定數字量、模擬量個數，才能確定選擇多少個 數字量和模擬量模塊。每個傳感器都是一個模擬量輸入點，每個熱量表是一個數 據采集點，每個泵變頻控制都有啟停控制、故障反饋、頻率給定、頻率反饋，因 而它有一個數字量輸入、一個數字量輸出、一個模擬量輸入、一個模擬量輸出。 綜上這種換熱站有 18 個傳感器和 9 個變頻泵供需 27 個模擬量輸入點；9 個變頻 泵供需 9 個模量輸出點；補水電磁閥和 9 個變頻泵需 10 個數字量輸出點，水侵 報警器和 9 個變頻泵需要 10 個數字量輸入點。

（三）解決問題思路

結合上述換熱站自控柜子的現狀以及換熱站自控設備對象的現狀和特點。本 文研究設計的換熱站節能自控柜需要滿足先進性、穩定性、經濟性、可靠性、易 操作性、易維護性。換熱站 PLC 控制系統可獨立完成本地控制，各個換熱站利用 通訊網絡可將數據傳給監控中心，同時接受監控中心的運行參數調整。 具體本文設計的換熱站節能自控柜它能實現以下控制功能：（1）手動和自動 進行補水泵變頻控制、二次網循環泵變頻控制、補水電磁閥等控制，手動和全自 動方式可選擇。（2）商業區分時分區自動控制；（3）二次網供水溫度分時段定供 溫控制，具有氣候補償控制策略，PLC 控制器通室外溫度與供水溫度的曲線及當 前室外溫度值，實現二次網側供水溫度的自動控制，滿足用戶室溫需求；（4） 水箱自動補水控制和管網低壓補水自動控制；（5）超壓時，泄壓閥自動開啟， 進行泄壓；（6）換熱站水表、電表、熱量表、溫度傳感器、壓力傳感器、液位 傳感器、室外溫度傳感器的數據采集；（7）攝像頭視頻采集與存儲；（8）水侵報 3 警信號。既有實現手動、自動、分時段、分區域、有氣候補償的節能控制策略， 又能較好的實現換熱站數據采集與遠程監測與控制。

二、一種換熱站節能自控柜的具體設計

（一）主要設備選型 PLC 設備選型：通過比較發現，西門子系列 PLC 應用比較廣泛，通訊協議公 開，應用維護比較方便，通過對比性價比，選用西門子 S7-200 224XP 比較合適， 根據控制設備數量，確定每個柜子采用 2 個 PLC。該型號 PLC 具有 1 個模擬量輸 入點，1 個模擬量輸出點，2 路 RS485，10 個數字量輸出，14 個數字量輸入，滿 足數字量點的要求，數字量全部采用 24V 繼電器隔離輸出。 模擬量輸入輸出模塊的選型：因 PLC 選用西門子系列，因而模擬量輸入輸出 模塊也采用西門子 EM235CN 四輸入兩輸出模擬量模塊，因系統供需要 27 個模擬 量點，所以需要 7 個這種型號的模塊。7 個模塊中的其中 4 個擴展在第一個 PLC 后面，另外 3 個擴展在第 2 個 PLC 后面。 觸摸屏的選型：觸摸屏選用 10 寸大小的屏，具有 1 路 RS485 和 1 路 RS232 接口，同時還有 1 路網線接口。因換熱站控制柜實現遠程監控后，觸摸屏本地操 作次數不會很多，10 寸觸摸屏已經滿足現場設置參數的需要。 4G 無線路由器：換熱站節能自控柜內部標配 4G 路由器。4G 路由器具有 1 路 RS232 通訊接口和 4 路網線接口，滿足攝像頭、錄像機的網絡接口需要，其中 RS232 接口已經映射成路由器的 502 端口。根據現場有線網絡和無線網絡的條件。 設置上行通訊為 4G 無線方式、或 VPN 方式、或動態域名方式。當上行通訊方式 為 4G 無線方式時，不實時上傳攝像視頻信號，將視頻信號保存在刻錄機中。 24V 開關電源：選擇輸出功率為 350W 的開關電源。PLC、模擬量模塊、繼電 器、熱量表等都需要 24V 直流電源供電。 12V 開關電源：遠傳水表需要 12V 直流電源供電，因只有 4 個電表，選擇 24W 的開關電源已經滿足需求。 溫度變送器：測量范圍 0℃-150℃，感溫元件 Pt100，電壓 24VDC，輸出信 號 4-20mA。 4 室外溫度變送器：測量范圍-50℃-50℃，感溫元件 Pt100，工作電壓 24VDC， 輸出信號 4-20mA。 壓力變送器：壓力量程 0-1.6MPa，精度等級高于 0.5 級，工作電壓 24VDC， 輸出信號 4-20mA。 液位變送器：量程為水箱高度加 1 米，精度等級高于 0.2 級，工作電壓 24VDC， 輸出信號 4-20mA

（二）柜體的總體部局設計

本文研究設計的換熱站節能控制柜具有以下特點： 換熱站節能控制柜體積為高 1800mmx 寬 600mmx 厚 450mm，下面有底座高 200mmx 寬 600mmx 厚 450mm，底座與柜體之間設置一個開孔的擋板，這樣接完線 調試好后，有擋板擋著，看不到柜體下面線槽溝里面的線，所以柜子內部看上去 非常整齊。 西門子的四輸入兩輸出模擬量模塊接法有 2 種：一是溫度、壓力等傳感器的 有源 4-20mA 輸入方式，其相應輸入通道接口的 COM 接 24V 負，V+和 I-接傳感器 的負端，傳感器的正端接直流 24V；二是變頻泵的變頻器頻率反饋輸入是無源的， 其相應輸入通道接口的 COM 接頻率反饋的負端，V+和 I-接頻率反饋的正端。 換熱站節能控制柜內部設置 1 路照明燈，采用門限開關控制，當柜體門打開 是，照明燈亮，反之，照明燈滅。柜體內部設計 1 個 5 口插座，方便換熱站節能 控制柜調試時筆記本電腦取電。 換熱站節能控制柜下面 50CM 高度為接線端子，接線端子分 3 排豎著排列， 不是普通的橫向排列方式。這種排列方式在現場接線時視野比較好，不容易接錯 了。橫向排列方式，接線端子是下方接線，又由于接線端子在柜體下面位置，需 要幾乎趴在地上才能看到接線口，視野不好。

（三）柜體內通訊架構

4G 路由器通過 4G 無線網絡或者有線網絡與供熱公司的監控中心軟件平臺通 訊，當換熱站與監控中心不在同一個局域網時，有線網絡可以設置為 VPN 方式或 5 者動態域名方式。觸摸屏通過 RS232 接口與 4G 路由器通訊，4G 路由器的串口映 射成路由器的 502 端口。觸摸屏通過 RS485 接口與 PLC、水表、電表、熱量表通 訊，采集數據與遠程監測。攝像頭和刻錄機通過網線接到 4G 路由器的網線口， 當采用 4G 網絡無線通訊時，攝像頭的視頻信息存儲在刻錄機內，不實時上傳。 這樣整個柜體內的通訊網絡連通。

三、結束語

本文根據城市換熱站改造需求提出一種換熱站節能自控柜的設計方案，能滿 足軟件平臺對換熱站設備的遠程數據采集與監控，實現無人值守。該換熱站節能 自控柜具有一些自身的特點。

參考文獻： 1.任愛東 換熱站系統設計思路[J]供熱計量 2014，12

作者簡介：鄧海平，男，1985年4月，湖南東安，大學本科，廣東艾科技術股份有限公司