當代背景下換熱站控制系統的設計與實現

李瀚軒 太原市熱力公司

1 引言

人工智能技術是實現工業4.0的基礎。隨著經濟和社會的快速發展，尤其在我國北方，供熱系統已成為冬季室內采暖的重要內容，換熱站作為系統熱源與熱負荷之間的媒介，對系統的供熱質量起著至關重要的作用。但是，在目前傳統的采暖系統中，傳統的供熱系統大多采用閥門手動操作，完全由既有熱力系統結構來決定，其問題是能耗大，勞動強度高，操作自動化程度低。本文提出了一種基于PLC、變頻器和工業組態軟件的換熱站控制系統的設計，從而達到了節能、熱效率高和運行自動化的目的。

2 工藝概況和控制要求

為更全面的對換熱站進行控制，首先提出了換熱站工藝概況和控制要求，然后提出了換熱站控制系統的方案設計。

2.1 換熱站工藝概況

換熱站由一個換熱器、3個循環泵、2個補給泵和電動控制閥組成（以一般情況下的單系統站舉例）。通過安裝在室內和室外的溫度傳感器，調節進入高溫水流量完成熱交換過程。其中換熱器是供熱系統的關鍵設備，它是一種由高溫水加熱庭院網水的熱交換器。

2.2 控制要求

控制系統的主要控制需求如下。

（1）泵。包括3個循環泵（2個運行，1個備用）和2個補給泵（1個運行，1個備用）。循環電機一種為工頻驅動，另一種為變頻驅動，各功率75kW；補充電源中，一個由工頻驅動，另一個由變頻驅動，各有3kW功率。控制信號應由供水和回水之間的壓差發出。水泵連接變功率時可無級調速。

（2）參數顯示。顯示參數包括供水溫度顯示、回水溫度顯示、室內溫度顯示、室外溫度顯示、供水壓力顯示、回水壓力顯示。

（3）蝶閥驅動。兩個蝶閥可在整個系統啟動或停止時自動開啟或關閉。

（4）電動閥門控制。根據室內外溫度傳感器的信號，連續調節閥門的開度，將供水溫度穩定在預設值內。

（5）人機界面需求。人機界面可顯示換熱站工藝流程圖及主要工藝參數，并可通過該界面傳送指令。

（6）保護功能。當換熱系統不運行時，循環泵應停止運行；當管網卻水時，補水泵自動運行；如果管網壓力達到預設值時，補水泵自動停止；水箱液位不足時，補水泵自動停止或無法啟動。

3 控制系統的硬件選擇

根據上述控制要求，控制系統的控制器既可以處理繼電器信號，也可以處理模擬信號，具有模擬量的閉環調節能力。同時，水泵可以在變頻工況下運行，因此換熱站控制系統的硬件選擇十分重要。

PLC作為主控制器。一些經驗豐富的電氣工程師知道，PLC/PC（Program Controller）是一種流行的工業計算機，它不僅能完成邏輯控制，還能完成模擬量回路調節、運動控制等許多高級功能。根據組件的輸入、輸出和控制系統的需要，選擇FXIN-60MR微三菱FX系列PLC，擁有36個輸入和24輸出，采用先進的指令如PID指令調整[2]，因為模擬信號的特性，應該擴展PLC模擬輸入/輸出功能模塊，如FX2N-4AD（4）和FX2N-4DA（4）等。一方面，采用4AD是一個12位高分辨率的4路模擬輸入模塊，可以接收0+10V電壓信號，0-20mA或4-20mA電流信號。另一方面，選用的4DA可發送標準電壓信號和/或電流信號，具有4路12位高分辨率。需要說明的是，為了避免工作現場強烈的電磁干擾，必須采用電流輸入/輸出（4-20mA）的接線形式[3]。

變頻器無級調速。目前，逆變器作為一種進口的電力電子轉換器，可以將連續的工頻轉換為連續的變頻。因此，該設備可以很容易地達到節能、降耗和降噪的目的。該控制系統選用了ABB公司ACS510系列變頻器，具有直接轉矩控制（DTC）和先進應用宏等優點。其主要優點和特點在于：采用直接勵磁可以獲得最大起動轉矩（200%法向轉矩）；利用主從函數可應用于多個驅動系統；輸入輸出可編程功能；調速精度高；保護報警措施完善。由于該逆變器的這些優點，可以很容易地實現水泵的無級調速。在ACS510系列中有很多應用宏，但這里我們應該只需要選擇手動/自動宏。

IPC作為監控接口。工控機具有很強的兼容性、擴展性和可靠性，可方便地通過RS-232串口與PLC進行連接。硬件配置選用研華IPCH610系列作為時尚的國產工業組態軟件HMIMCGS（監控生成系統）運行在研華IPC上。利用該人機界面，可以方便、直觀、形象地實現監控過程的可視化。采用傳感器/換能器、模擬輸入/輸出模塊、PLC和執行器，如逆變器、電動閥等，可精確實現蒸汽壓力的回路調節，并可對所有測點的溫度進行測量[4]。

4 控制系統的軟件設計

基于模塊化編程思想，整個程序結構可分為初始化功能、上位工控機通信功能、繼電器控制功能、模擬采樣、模糊PID調節功能和保障功能等模塊。PLC的LAD圖編程流程圖如圖1所示。在這些模塊化功能中，模糊PID調節功能是值得一提的。在某些情況下，PLC的PID指令的使用并沒有達到我們的預期；因此，根據模糊控制理論及其應用，從室內外溫度的偏差和偏差加速兩個方面，自行編制了蒸汽壓力模糊PID調節程序。

圖1 PLC的LAD圖編程流程圖

人機界面配置。為了美觀和個性化的人機操作體驗，采用MCGS-監控控制生成軟件。該工業組態軟件具有非常快速、簡單的組態開發過程，在MCGS開發環境中可通過RS422/232串口實現PLC與上位工控機之間的雙向高速通信，創建了所有需要的窗口和圖片，包括工藝流程主窗口、工藝參數顯示窗口、關鍵參數設置窗口等。在IPC運行MCGS時，通過這些精美的圖片和動畫，可以完成生動活潑的人機交互。

5 結論

本設計基于FX系列PLC、MCGS和ABB變頻器的換熱站控制系統，實現了蒸汽驅動加熱器的壓力自動調節。并能滿足節能、熱效率高、設備噪聲低的設計要求。最后通過實際運行驗證，該系統具有較高的可靠性和穩定性，大大提高了換熱站的自動化水平和壓力控制精度，滿足了節能環保驅動的設備要求。