淺談分布式控制系統(tǒng)在熱交換機(jī)組上的應(yīng)用

曲小秋

（黑龍江省中能控制工程股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

換熱站分布式控制系統(tǒng)在城鎮(zhèn)供熱領(lǐng)域創(chuàng)新性的采用了分布式和模塊化方式設(shè)計(jì)，系統(tǒng)由智能控制箱、分布式單元箱、專用通訊總線、智能接口設(shè)備組成，通過不同模塊組合實(shí)現(xiàn)多種控制模式。分布式系統(tǒng)（distributed system）是依托于網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的軟件系統(tǒng)，處理各項(xiàng)協(xié)助的任務(wù)，然后整合出結(jié)果。是一種主從式的通訊方式。每臺(tái)供熱機(jī)組配置一個(gè)分布式單元箱，監(jiān)控本機(jī)組設(shè)備；智能控制箱統(tǒng)一下達(dá)調(diào)度指令，協(xié)調(diào)各從站工作，同時(shí)監(jiān)控?fù)Q熱站公共設(shè)備。不同于傳統(tǒng)的控制方式現(xiàn)場(chǎng)大量布線的形式，分布式設(shè)計(jì)大大減少了現(xiàn)場(chǎng)施工量，并且提高了儀表的準(zhǔn)確度。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（1）模塊化分別設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、快速組裝：這種預(yù)制模塊方式能夠大大縮短生產(chǎn)周期，快速交付、而且便于后期更換設(shè)備。（2）極強(qiáng)的擴(kuò)展能力：任意增減站內(nèi)設(shè)備，無需更改系統(tǒng)軟硬件。（3）結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便：每個(gè)控制單元都做成統(tǒng)一規(guī)格的控制面板，可減少安裝工程量，降低電纜及敷設(shè)費(fèi)用。（4）豐富的控制策略、畫面新穎、操作簡(jiǎn)單：觸摸屏組態(tài)豐富，設(shè)備啟停均使用仿真按鈕、指示燈等，可避免誤操作，降低人員培訓(xùn)成本。

3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)特點(diǎn)

3.1 多等級(jí)權(quán)限用戶，確保運(yùn)行安全：系統(tǒng)提供了3 個(gè)等級(jí)的權(quán)限用戶，分為巡檢員、運(yùn)行員、工程師。巡檢員負(fù)責(zé)定時(shí)對(duì)熱力站進(jìn)行巡檢，保證站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行正常，各運(yùn)行參數(shù)不超出正常范圍。巡檢員負(fù)責(zé)對(duì)站內(nèi)設(shè)備及相關(guān)聯(lián)鎖保護(hù)進(jìn)行投切，保證系統(tǒng)及設(shè)備處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。工程師負(fù)責(zé)制定、維護(hù)機(jī)組各個(gè)設(shè)備的整體運(yùn)行策略，為系統(tǒng)制定一套詳細(xì)的運(yùn)行方案。而且用戶的登陸工號(hào)和密碼可通過遠(yuǎn)程系統(tǒng)修改。

3.2 強(qiáng)大的系統(tǒng)配置功能，隨時(shí)滿足系統(tǒng)擴(kuò)容需求：每個(gè)系統(tǒng)均單獨(dú)擁有獨(dú)立的操作界面，機(jī)組、儀表、閥門、加壓泵等設(shè)備都在界面上有顯示和操作按鈕，如需增加系統(tǒng)，只需要更改設(shè)備配置ID號(hào)及設(shè)備名稱即可。

3.3 仿真按鈕，操作簡(jiǎn)便：操作界面上配置設(shè)備的紅色和綠色啟停按鈕，方便操作。

3.4 運(yùn)行數(shù)據(jù)分類顯示，便于能耗分析。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在顯示界面上均量化實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)累積用電量，瞬時(shí)用水量及累積用水量，瞬時(shí)供熱量及累積供熱量均分類量化顯示，清楚明了，便于能耗分析。

3.5 報(bào)警信息及時(shí)、完整，歷史報(bào)警查閱便捷。實(shí)時(shí)報(bào)警區(qū)滾動(dòng)顯示當(dāng)前存在的實(shí)時(shí)報(bào)警信息。在報(bào)警閾值界面中，用戶可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況對(duì)各個(gè)熱工數(shù)據(jù)的報(bào)警及連鎖動(dòng)作值予以設(shè)定。歷史報(bào)警界面則完整的記錄了所有設(shè)備的歷史報(bào)警信息，查詢方便。

3.6 支持在線修改量程，方便儀表維護(hù)。在量程標(biāo)定界面，用戶可針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工況以及設(shè)備維護(hù)情況，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的量程及偏差值予以修正。

3.7 控制策略豐富，滿足多種工藝環(huán)境需求。控制策略決定機(jī)組一次側(cè)和二次側(cè)的運(yùn)行方案，一套優(yōu)質(zhì)、合理的控制策略，可以在保證供熱質(zhì)量的同時(shí)，極大限度的節(jié)約熱能。控制策略分為一次側(cè)策略和二次側(cè)策略，一次側(cè)控制策略主要是規(guī)劃電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行模式，二次側(cè)控制策略則是為循環(huán)水泵的運(yùn)行指定方案。

4 系統(tǒng)詳述

系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)一次網(wǎng)及二次網(wǎng)的相關(guān)參數(shù)，如溫度、壓力、流量、熱量等；對(duì)熱力站中的設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視和遠(yuǎn)程操控功能，如分布式水泵運(yùn)行狀態(tài)反饋及控制，關(guān)鍵電動(dòng)設(shè)備可單獨(dú)切換自動(dòng)、手動(dòng)、現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程等不同的控制模式等；并將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺(tái)，并且接受監(jiān)控平臺(tái)來的控制指令。

4.1 檢測(cè)和控制的內(nèi)容

（1）機(jī)組一次網(wǎng)（調(diào)節(jié)閥前/后）供、回水的溫度；（2）機(jī)組二次網(wǎng)供水、回水溫度；（3）機(jī)組一次網(wǎng)供水、回水壓力；（4）機(jī)組二次網(wǎng)供水、回水壓力、循環(huán)泵出口壓力；（5）水箱液位；（6）室外溫度；（7）流量、熱量；【熱量計(jì)：流量（瞬時(shí)值）、熱量（瞬時(shí)值、累計(jì)值）】；（8）補(bǔ)水瞬時(shí)流量；（9）循環(huán)泵變頻單獨(dú)啟停控制、電流、頻率反饋、頻率給定；（10）分布式水泵變頻單獨(dú)啟停控制、電流、頻率反饋、頻率給定；（11）補(bǔ)水泵變頻單獨(dú)啟停控制、電流、頻率反饋、壓力給定；（12）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制給定，閥位反饋；（13）熱力站用電量（能量表）的數(shù)據(jù)采集，功率、功率因數(shù)、電壓、電流等。

4.2 系統(tǒng)參數(shù)。每臺(tái)機(jī)組配置一個(gè)終端站（以下稱分布式單元箱），接入機(jī)組傳感器、電磁泄壓閥、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、變頻器等設(shè)備。每個(gè)站配置一個(gè)控制中心（以下稱智能控制箱），負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)上傳到SCADA，并且接受SCADA的控制指令，同時(shí)采集換熱站公共設(shè)備參數(shù)如水箱液位、室外溫度、一次網(wǎng)總管溫度壓力、一、二次熱量、電量等。智能控制箱與站內(nèi)各分布式單元箱通過專用總線通訊，統(tǒng)一采集機(jī)組變頻器、傳感器參數(shù)，控制機(jī)組電磁泄壓閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器等設(shè)備。

智能控制箱帶有就地操作觸摸屏，安裝在箱面板上。操作面板可以顯示換熱站工藝過程的畫面，閥門開關(guān)、水泵啟停等不同狀態(tài)區(qū)別顯示，方便操作員監(jiān)視所有設(shè)備，并且換熱站的所有設(shè)備也應(yīng)由操作員通過觸摸屏控制，監(jiān)控中心能與觸摸屏就地進(jìn)行同樣的控制。

所有的換熱站通過VPN網(wǎng)絡(luò)與控制中心系統(tǒng)服務(wù)器相連。若某一PLC發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)也可保持正常運(yùn)行，不會(huì)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響。

4.3 系統(tǒng)主要功能。（1）參數(shù)測(cè)量：主要完成供熱管網(wǎng)實(shí)際過程的模擬量（如介質(zhì)的溫度、壓力、流量、熱量等）、離散量（如水泵的狀態(tài)、水箱水位高、低狀態(tài)等）及脈沖量的測(cè)量、并完成對(duì)應(yīng)的測(cè)量量的上下限比較、PID運(yùn)算、以及邏輯運(yùn)算等；（2）通訊功能：PLC 控制器采用開放的通訊協(xié)議，具有國際標(biāo)準(zhǔn)RJ45 接口，并支持TCP/IP協(xié)議，能將現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備運(yùn)行情況經(jīng)通訊系統(tǒng)傳送到熱網(wǎng)監(jiān)控中心供分析處理，同時(shí)可接收熱網(wǎng)監(jiān)控中心發(fā)來的指令進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，如調(diào)閥的調(diào)節(jié)及泵的啟停等控制；（3）日歷、時(shí)鐘功能：PLC設(shè)有日歷和時(shí)鐘（年、月、日、分、秒），并可接受監(jiān)控中心發(fā)來的校時(shí)命令，使整個(gè)系統(tǒng)與監(jiān)控中心時(shí)間保持一致；（4）二次網(wǎng)補(bǔ)水壓力控制：通過安裝在二次側(cè)回水管路上的壓力傳感器測(cè)得壓力信號(hào)，與控制器接收到的二次回水壓力設(shè)定值比較，經(jīng)計(jì)算輸出一個(gè)控制信號(hào)給控制器，控制器發(fā)出指令控制補(bǔ)水泵的開啟（應(yīng)考慮臨界點(diǎn)時(shí)泵的頻繁啟動(dòng)措施），并同時(shí)具備一次回水直接連接二次回水補(bǔ)水系統(tǒng)，通過電動(dòng)調(diào)節(jié)閥和電磁閥，從而實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)二次回水自動(dòng)補(bǔ)給。此回水壓力設(shè)定值也可以通過中央監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)定；（5）循環(huán)泵控制：根據(jù)二次網(wǎng)供回水壓差的設(shè)定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速；能根據(jù)二次網(wǎng)供回水溫差設(shè)定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻循環(huán)水泵的轉(zhuǎn)速，兩種調(diào)節(jié)模式應(yīng)可在軟件中切換；（6）電動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制：一次網(wǎng)調(diào)節(jié)閥運(yùn)行方式有兩種，手動(dòng)給定和程序控制。當(dāng)處于手動(dòng)給定時(shí)，通過人機(jī)界面或遠(yuǎn)程給定改變調(diào)節(jié)閥的開度；當(dāng)處于自動(dòng)位時(shí)，根據(jù)二次網(wǎng)供水溫度和其他相關(guān)控制算法通過程序控制調(diào)節(jié)閥的開度。控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的供熱曲線，通過改變機(jī)組一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度（即改變一次側(cè)供水流量），來達(dá)到控制二次側(cè)供水溫度的目的。經(jīng)過長(zhǎng)期的不斷優(yōu)化和改進(jìn)“質(zhì)調(diào)節(jié)”已經(jīng)成為目前大部分換熱站廣泛采用的控制手段；（7）開機(jī)自檢功能：機(jī)組運(yùn)行時(shí)，在二次側(cè)回水壓力會(huì)設(shè)定一個(gè)超低限保護(hù)值（在操作面板上可以調(diào)整此值），當(dāng)二次側(cè)壓力沒有達(dá)到此設(shè)定值時(shí)，不能啟動(dòng)循環(huán)泵而只能開啟補(bǔ)水系統(tǒng)補(bǔ)水，等控制器接收到信息，二次側(cè)壓力達(dá)到設(shè)定值后方可啟動(dòng)循環(huán)泵；（8）來電自啟功能：換熱機(jī)組在送電后，控制器按預(yù)先設(shè)定的控制程序自檢，待自檢合格后，自動(dòng)按順序啟動(dòng)；（9）失壓保護(hù)：當(dāng)二次側(cè)回水壓力值低于超低限設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)按程序自動(dòng)停止循環(huán)泵運(yùn)行，順序關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)投入運(yùn)行，機(jī)組開始補(bǔ)水。如果自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)投入運(yùn)行后，二次側(cè)回水壓力仍然沒有達(dá)到設(shè)定值，則發(fā)聲光信號(hào)報(bào)警（該信號(hào)也將遠(yuǎn)傳給調(diào)度中心）；（10）斷電保護(hù)：控制柜內(nèi)配備UPS 裝置，如發(fā)生停電事故，則現(xiàn)場(chǎng)控制器自動(dòng)關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并切斷一次網(wǎng)熱源。待斷電恢復(fù)后，控制器及變頻器自動(dòng)復(fù)位，系統(tǒng)中原有設(shè)定參數(shù)和狀態(tài)參數(shù)都將保持原斷電前設(shè)置；（11）超溫保護(hù)：當(dāng)二次網(wǎng)供水溫度超過85℃（操作面板可調(diào)整設(shè)定值）時(shí)，一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥就會(huì)關(guān)閉。當(dāng)一次側(cè)回水溫度超過70℃（操作面板可調(diào)整此設(shè)定值）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)高限報(bào)警保護(hù)，以一次回水溫度為目標(biāo)值，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開度。如果一次側(cè)供水溫度超過130℃時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即關(guān)閉一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥并啟動(dòng)報(bào)警聯(lián)鎖；（12）超壓保護(hù)：當(dāng)二次供水壓力超過設(shè)定超高限值（操作面板可調(diào)整設(shè)定值）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止循環(huán)泵運(yùn)行并關(guān)閉一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并啟動(dòng)報(bào)警聯(lián)鎖。

綜上所述，采用分布式控制系統(tǒng)，使得系統(tǒng)可擴(kuò)展性大大增強(qiáng)，各分布式控制箱與智能控制箱之間采用總線連接，減少了現(xiàn)場(chǎng)布線的施工量，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此控制系統(tǒng)與工藝配合可實(shí)現(xiàn)熱力站的全自動(dòng)控制，能夠安全啟停機(jī)組，達(dá)到無人值守。