智能換熱站自動控制系統設計

李 明，姚美菱，閆 巖，張 星

（1.河北省城鄉規劃設計研究院，石家莊 050021；2.石家莊郵電職業技術學院，石家莊 050031；3.河北金融學院，河北 保定 071051）

0 引言

集中供熱系統是城市重要的基礎設施之一，也是城市現代化水平的重要標志[1]。換熱站作為連接熱源與用戶的重要紐帶，起著熱量匹配、轉換和輸配的功能，其安全、可靠、穩定、經濟節能運行直接影響熱源效率及供熱質量。鑒于此，智能換熱站利用現代工業自控技術、計算機技術、通訊技術、物聯網技術、現代信息處理技術，實施更科學、更規范的監控管理，實現由傳統的人工操作模式向現代化、高度集成化、自動化、智能化的模式轉變，最終達到提高供熱質量，節約能源的目的。本文是以保定市老城區集中供熱改造設計為例。

1 換熱站工作原理

換熱站就是換熱的場所，它連接一次網和二次網，就像一個變壓器一樣把一次網的高溫熱量換熱給二次網的熱水再供給用戶。換熱站通過熱源熱水在一次網循環將熱量傳送給二次網中的循環水，經過換熱站的一次網熱水回到熱源被加熱后重復下一次循環；吸收了一次網熱量的二次網循環水由換熱站循環泵加壓后送至各供熱用戶，流經用戶散熱后的二次網循環水返回吸收一次網熱量，重復上一次循環周而復始。

圖1 換熱站工作原理Fig.1 Working principle of heat exchange station

換熱站通過流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等傳感器采集信號送至PLC，并上傳數據信息；同時，PLC還可對循環水泵、補水泵等實現遠程控制和自動控制，從而實現換熱站的無人值守[2]。PLC是熱量交換，熱量分配及系統監控、調節的樞紐，在供熱期間通過調整和保持熱媒參數（溫度、壓力和流量等），進行分時、分區節能控制和氣候補償節能控制，滿足按需供熱，實現供熱、用熱全網熱量平衡和節約能源。

2 智能換熱站控制系統組成

智能換熱站的自動控制系統由監控中心、通信網絡、本地監控站（現場控制層）3部分組成[3]，見圖2。監控中心硬件由服務器、工作站、集中顯示系統、電源系統、打印機和相應的網絡通信設備等組成。監控中心能夠實現對供熱系統監控運行、調度和能耗管理、故障診斷和報警處理、數據存儲和統計及分析、集中顯示等功能。本地監控站（現場控制層）由PLC、傳感器、變送器、執行機構、網絡通訊設備、人機界面等組成，能夠實時采集各換熱站一、二次網的壓力、溫度、流量、液位等參數，監視和調控設備運行。通信網絡將監控中心、各個換熱站、熱源、管道監控節點等連接成一個整體，是熱網監控系統的橋梁和紐帶。

3 智能換熱站現場控制層硬件設計

換熱站現場控制系統由PLC控制器、觸摸屏、電動調節閥、變頻器、壓力、溫度、流量變送器，通訊模塊等以及視頻攝像機、交換機等部件構成[4]。

控制核心PLC采用德國西門子公司的S7-300系列，其模塊化的結構、易于實現分布式的配置、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，在供熱領域應用廣泛。中央處理單元采用CPU 315-2DP，自身帶有Profibus-DP主/從現場總線通信接口；溫度測量模塊采用SM331 AI8×RTD 8點輸入熱電阻專用模塊；模擬量輸入模塊采用SM331 AI8×（9～14）bit，輸入精度9～14位可調；模擬量輸出模塊采用SM332 AO8×12bit，輸出的電流和電壓可調整；數字量輸入模塊和輸出模塊分別采用16點24VDC的SM321和32點24VDC的SM322。

圖2 智能換熱站控制系統組成Fig.2 Intelligent heat exchange station control system

圖3 智能換熱站數據采集系統圖Fig.3 Intelligent heat exchange station data acquisition system diagram

變頻器采用ABB公司的ACS510系列變頻器，內置RFI濾波器和變感電抗器，具有PID閉環調節功能，變頻器與PLC采用Profibus-DP方式通訊，由PLC控制改變變頻器的輸出頻率，調節循環泵與補水泵轉速，實現節能運行。

采用西門子TP精智系列觸摸屏作為PLC的人機界面，通過觸摸屏按鈕可調整和修改PID參數；顯示現場壓力、溫度、流量、液位等信號，監測循環泵、補水泵、調節閥、變頻器等設備工況；為了方便調節和控制整個工作過程，通過設置報警極限值可進行聲、光報警。

視頻監控攝像機為網絡攝像機，采用光纖以有線方式租用通信運行商鏈路實現換熱站和監控中心之間運行數據和視頻信號實時傳送，并接受監控中心發送的指令。智能換熱站數據采集見圖3。

4 智能換熱站主要控制策略

影響用戶供暖質量的因素主要是供熱系統中水的溫度、管道壓力及流量，調整二次側的供水溫度、供回水壓差和回水壓力就能滿足用戶對供暖的要求，通過對一次網側電動調節閥以及對二次網側循環泵和補水泵的控制即可實現對以上各參數的調節[5]。

圖4 二次網溫度調節控制原理Fig.4 Principle of secondary network temperature regulation control

圖5 二次網供回水壓差控制原理Fig.5 Principle of secondary network supply and return water pressure difference control

4.1 二次網供水溫度的調節

根據供熱對象的特性和本地的氣候條件，給出一條二次供水溫度與自然時間及室外溫度之間的對應曲線。按照當地熱負荷（曲線可以進行偏差修正）、室外溫度的變化及不利點溫度，利用PLC的強大控制功能和豐富算法，結合一天中溫度設定值的變化規律對控制算法進行修正，根據修正后的控制算法得出二次網側供熱溫度的設定值，把設定值和實測供熱溫度比較后，送入控制器，執行智能PID閉環調節，改變一次網電動調節閥的開度，實現一次側流量的量調節和二次側供水溫度的質調節，從而達到二次網供水溫度的要求。

4.2 二次網供回水壓差控制

為了滿足將熱水供至管路末端用戶，必須在換熱站二次網設置循環泵。二次網供回水要保持一個恒定壓差來保證供回水的流量，使熱量傳送給用戶。因此，循環泵須采用變頻控制。由壓力傳感器檢測供回水壓差信號并與設定值比較，通過變頻器采用智能PID方式調節循環泵的轉速，使得二次網供回水的壓差保持恒定，在保證最不利點正常供暖的前提下，既實現了分時段變流量功能，又有效地節約了電能。壓差設定值可根據經驗參數或經驗曲線進行設定。

圖6 二次網回水定壓控制原理Fig.6 Principle of secondary network return water constant pressure control

4.3 二次網回水定壓控制

熱水管網常會發生漏水現象，導致水壓不穩定，為了維持管網恒壓點壓力，在二次管網回水處設置一臺回水壓力變送器，將回水壓力信號輸送至補水泵變頻器，變頻器根據回水壓力設定值，通過內部PID控制調節補水泵的轉速，保持二次熱網的水壓恒定。

5 結語

通過采用電子信息技術、PLC控制技術和變頻調速技術等，智能換熱站控制系統實現了對溫度、壓力、流量等參數的自動控制，不僅提高了供熱系統的自動化程度及控制精度，還節省了大量的人力和物力。通過遠程通信網絡，熱力網監控系統實現了對換熱站的遠程遙測、遠程遙信、遠程遙控，利用視頻系統還可實時監視換熱站現場情況，最終達到無人值守，起到了減人增效的效果。