無人值守換熱站自動化控制設計與實現

李國強 吳倩

摘要：無人值守換熱站是指換熱站由自動化系統控制，不需要人工控制、值班。系統可以自動進行故障診斷，并在監控畫面上顯示各工況參數并控制設備運行狀態。控制器可以通過這條曲線根據室外溫度傳感器測量的室外溫度對一次供汽流量進行控制，以達到對二次供水溫度的控制。此設計的特點在于能夠通過室外溫度對二次供水的溫度進行控制，以達到節省能源，提高供熱質量的目的。

關鍵詞：無人值守；換熱站；自動化控制系統；供熱

1 集中供熱面臨的形式

集中供熱是當今使用最多，負荷面積大，控制方便的供熱方式。其結構為：熱源、一次管網、換熱站、二次管網、用戶。熱能由熱源產生通過一次管網輸送到換熱站，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雜的運行系統，電器設備相互按需協作運行是節能降耗的前提條件。供熱面積大、用戶地域分布廣、加壓設備負荷、用戶管道承壓的差異性決定了換熱站種類和數量較多。一個換熱站需要6個人員才能保證值班運行。一個熱網系統需要很多的擁有技術資格的運行人員才能保證熱網的運行。對于熱力企業減少投入的人工成本和降低人員的損耗是經濟方面迫不及待的問題。綜上所述需要設計一個無人值守換熱站系統。其特點是換熱站能實現自動化無人值守運行、換熱站與熱源和換熱站與換熱站之間能進行自動化通訊。

2 無人值守換熱站系統的分析

無人值守換熱站系統的結構分為：中心控制室部分、片區中心站部分、換熱站就地控制部分、網絡通訊部分、外網拓展部分。下文分別分析和設計這五部分內容。

2.1中心站控制室

中心站控制室主要完成對各換熱站就地控制的監控功能、對整個系統進行統一決策。系統流程：中控室服務器利用上位組態王軟件采集網絡上每個換熱站就地的實時數據，數據通過全網平衡軟件分析后，服務器給出控制數據發送到每個熱力站的PLC（可編程邏輯控制器，是一種采用一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程）。PLC做出響應調節換熱站的一次網回水電動閥門。使二次網溫度高的換熱站較一次網閥門關小，減少這個站的流量。同時開大較低溫度換熱站的一次網閥門，讓其得到更多的熱能。這樣動態的控制達到全網平衡的目的。同時中控室還具有生產報警功能，各換熱站PLC發送給中控室服務器的壓力、溫度、液位信號與組態軟件中的警報設定值比較，產生報警。通過上位組態軟件調節補水泵啟停、變頻器頻率來讓換熱站系統正常運行。中控室的組成：服務器、防火墻、交換機、路由器、網絡終端機、電腦終端。

2.2 片區中心站

目前大城市化的發展速度越來越快，城市覆蓋的面積以驚人的速度增長。供熱居民區不僅數量多，而且分布廣。實際工作中，一個中心站控制室的人員面對300個或300個以上的熱力站進行管理捉襟見肘。系統設計引入片區中心站概念，把龐大的供熱區域分解成為幾個片區。其功能是將中控室的數據發送到片區中心，操作員通過對片區內各站數據的分析，快速做出反應。同時無人值守換熱站加裝視頻監控系統，片區中心站可以分擔中控室對視頻監控的工作。

2.3 換熱站就地控制系統

換熱站系統的結構為：一次網供回水管路、換熱器、二次網供回水管路、循環泵、補水泵或一次直接補二次網電磁閥。根據工藝流程控制將系統分為以下幾部分。

2.3.1換熱站就地監控系統

以換熱站就地控制器為核心，現場的溫度、壓力、流量、熱量、閥門開度、泵的啟停信號出送到控制器，由其進行A/D轉換并判斷處理，實現就地控制。

2.3.2現場儀表和執行原件

現場儀表和執行原件包括：壓力表、溫度表、液位計、流量計、熱量計、液位、變頻器、電動閥閥門。

2.3.3通訊系統

通訊系統可采用無線通訊、大型局域網通訊、大型局域網加互聯網的拓展模式通訊。

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系為：當PT100溫度為0℃時它的阻值為 100Ω，在100℃時它的阻值約為138.5Ω。它的工業原理：當PT100在 0℃時它的阻值為100Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長的。現場PT100熱電阻通過變送器將變化的電阻信號轉換成電流信號由通信電纜傳輸給就地控制柜，信號由控制柜中的AI模塊接受并轉化為數字信號傳輸給PLC。PLC將數字信號按比例關系轉化到寄存器中。就地控制觸摸屏和中控室服務器從相應的寄存器讀取數據處理后顯示到屏幕。

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，利用壓阻效應實現了壓力量向電信號的轉換，通過電子線路將敏感元件產生的毫伏信號放大為工業標準信號。信號通過AI模塊到達PLC。

3）液位可采用壓力變送器測量，根據水的密度計算出壓力下水柱的高度。

4）循環泵變頻器方面：變頻器的通訊模塊發出的電流、頻率、故障信號，通過AI模塊到達PLC。

2.5換熱站自動化控原理

PLC通過對采集信息的處理，根據程序設定做出反應。

1）補水泵啟停：補水泵一般對二次管網的回水管進行補水。PLC將采集到各二次網壓力和程序設定值比較，如果現場值低于下限設定值則 PLC發出信號到DO模塊，由DO模塊處理并發出24V電流信號作用補水泵電機繼電器吸合，達到補水功能。如果現場值高于程序設定上限則中斷電流信號，補水停止。這樣完成了一次自動補水。

2）循環泵的控制： 中控室服務器或觸摸屏控制器對PLC發出信號，PLC接收并處理將啟停和頻率信號傳輸給變頻器，變頻器接收并完成動作。部分采用了變頻器的補水泵配合補水程序能實現恒壓供水。

3）一次網回水電動閥門的控制：全網平衡軟件通過服務器給予PLC調節電動閥的信號。PLC處理信號后發送給AO模塊進行數模轉換，AO模塊將處理后的模擬信號傳輸給電動閥，電動閥動作。這樣完成了一次全網平衡調節。

3 結語

本文分析和設計了集中供熱運行現狀，根據目前先進的自動控制技術和高速、多功能的網絡，針對快增長的供熱需求。設計出一個具有網絡化的無人值守供熱系統。分析了換熱站自動化控制原理。這個系統經過實踐證明是有效可行的。

參考文獻：

[1]李越，郝威，徐洪亮.無人值守換熱站智能控制系統的研究[J]. 商品與質量，2016（52）.

[2]尚偉紅.供熱工程[M].北京：北京理工大學出版社，2017.