基于PLC 的熱交換站監(jiān)控系統(tǒng)設計

溫俊霞

（寧夏工商職業(yè)技術學院，寧夏 銀川750021）

在集中供熱系統(tǒng)中，由于動態(tài)生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時性要求高，管線覆蓋區(qū)域范圍大，傳統(tǒng)的監(jiān)控方式難以實現(xiàn)。本系統(tǒng)通過典型的兩級控制，即上位機+下位機的控制方式，利用較為先進的計算機技術、PLC、測控技術，實現(xiàn)以遠程監(jiān)控運行參數(shù)為主，輔以人員巡查，基本達到?jīng)]有人員值守的目標。該系統(tǒng)可實現(xiàn)對熱交換站的實時工作狀態(tài)和反饋信息采集，并及時進行遠程調(diào)控，使熱交換站系統(tǒng)能夠在最佳工況下維持運行，達到節(jié)能減排目的，借此來取得優(yōu)異的經(jīng)濟和環(huán)保效益。

1 系統(tǒng)整體設計

熱交換站控制系統(tǒng)的最終目的是使室溫達到要求，而要實現(xiàn)這個控制要求就需要對二次側(cè)供水溫度進行自動控制。該系統(tǒng)由工控機作為上位機，PLC 作為底層的DDC 控制器[1]，搭配使用彩色顯示器以及其它高品質(zhì)的硬件設備，運用系統(tǒng)控制算法、組態(tài)等先進的軟件，能夠達到讓系統(tǒng)實時地在顯示器上顯示熱交換站運行情況[2]，從而運行在最佳狀態(tài)下。

本系統(tǒng)主要由控制和監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成。其中控制系統(tǒng)又可分為溫度控制系統(tǒng)、二次供水壓力控制系統(tǒng)與二次側(cè)定壓補水系統(tǒng)[3]。溫度控制系統(tǒng)通過PLC 調(diào)節(jié)一次循環(huán)泵的運行頻率改變一次管網(wǎng)內(nèi)的供水流量，而二次側(cè)水溫取決于一次側(cè)的控制[4]，由此可以實現(xiàn)對供熱室內(nèi)溫度的控制。二次側(cè)供水壓力控制系統(tǒng)的合理控制決定著熱交換站運行的安全性和高效性。熱交換站管道內(nèi)多為高溫熱水，若供水壓力不足，導致一些距離熱交換站較遠或是高層用戶供熱不足；但是若壓力過大會造成輸配能耗增大，并且極其不安全。本著提高控制效率同時保證節(jié)能的目標，二次供水壓力控制系統(tǒng)采用PID 算法對變頻器進行控制[5]，同時依據(jù)實際系統(tǒng)規(guī)模大小來決定變頻器與循環(huán)泵的數(shù)量。二次側(cè)定壓補水控制系統(tǒng)保持熱交換站需要的壓差。在實際供暖過程中，熱水管網(wǎng)不可避免的會發(fā)生漏水現(xiàn)象，導致整個管網(wǎng)的壓力逐漸下降，整個系統(tǒng)的供暖能效降低。本系統(tǒng)通過變頻器調(diào)節(jié)補水泵的運行頻率實現(xiàn)對系統(tǒng)的補水，使系統(tǒng)工作在恒定的壓力狀態(tài)下。

監(jiān)控系統(tǒng)采用了經(jīng)典的上、下位機兩級控制成。其中上位機應用組態(tài)王軟件設計了組態(tài)畫面，實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控管理和控制功能。現(xiàn)場設備的直接控制主要由PLC 承擔，實時采集并處理各種數(shù)據(jù)，然后及時將數(shù)據(jù)反饋至上位機。上位機與下位機的通訊通過現(xiàn)場總線進行。監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時采集與處理，對溫度與壓力進行自動控制，通過上位機實現(xiàn)遠程監(jiān)控等。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 溫度控制設計

本系統(tǒng)中選用接觸式的PT100 熱電阻溫度傳感器，其不僅溫度采集范圍大(-200℃～+850℃)而且測量精度能夠達到0.1℃,最為重要的是能夠在濕度較高的地方進行正常工作。該溫度傳感器分別安裝于系統(tǒng)一次側(cè)和二次側(cè)的供水管道上，實現(xiàn)對水溫信息采集，并將所獲得的信號轉(zhuǎn)化為4～20mA 電流傳遞到PLC 中。因此該溫度傳感器能夠滿足系統(tǒng)工作需求。

本熱交換站系統(tǒng)進行溫度控制調(diào)節(jié)的方式是通過改變一次側(cè)循環(huán)泵的運行頻率，并將其運轉(zhuǎn)頻率作為輸出值，結(jié)合溫度傳感器所反饋給PLC 的溫度參數(shù)與預設定的給定值進行比較。由此來實現(xiàn)整個控制溫度調(diào)節(jié)。整個溫度控制調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)能夠自動做出相應的反應。系統(tǒng)具體運行方式：PLC 接收溫度傳感器所給出的反饋值后，用PID 算法給一次側(cè)的變頻器做出相應的指令，由變頻器控制循環(huán)泵的運轉(zhuǎn)速率。以此實現(xiàn)對一次側(cè)高溫熱水流量的控制，同時改變了傳送到換熱器的熱能，使二次供水溫度穩(wěn)定在了設定值附近。溫度調(diào)節(jié)示意圖，如圖1 所示。

圖1 溫度調(diào)節(jié)

2.2 壓力調(diào)節(jié)控制設計

本系統(tǒng)采用抗沖擊能力強、響應時間快的PTG504 水壓傳感器，其工作電壓為24V DC 并且能夠在環(huán)境溫度濕度較高的環(huán)境中正常運行。在本系統(tǒng)計中選用量程范圍為0MPa～120MPa，同時將此水壓傳感器通過不銹鋼防水密封端子進行電氣連接，在這種濕度較大的系統(tǒng)中，延長了設備的使用壽命。該熱交換站監(jiān)控系統(tǒng)中，將水壓傳感器裝置于一、二次側(cè)管網(wǎng)的管道的內(nèi)壁上，從而實現(xiàn)對管道內(nèi)水壓的測量，并將測量的壓力值轉(zhuǎn)換成0～10V 的模擬信號量傳遞給PLC。

在整個熱交換站系統(tǒng)中，由于供暖系統(tǒng)中熱負荷是一個不穩(wěn)定值，其受到室外溫度、系統(tǒng)自身熱量流失等因素變化的影響，引起循環(huán)水流量的改變，從而導致管網(wǎng)壓力隨之發(fā)生變化。熱負荷值與室外環(huán)境溫度成反比，當室外溫度較高時，相對應的熱負荷就會較低，若仍然按照室外溫度較低時情況下的熱負荷供暖就會產(chǎn)生能源的浪費。為了杜絕產(chǎn)生浪費現(xiàn)象，本系統(tǒng)將室外溫度分為兩個階段進行調(diào)節(jié)。若室外溫度高于設定值，變頻器將會控制循環(huán)水泵以0.75 工頻運行[6]；當室外溫度低于設定值時，循環(huán)泵將正常運行。在壓力流量調(diào)節(jié)中，壓力傳感器讀取管網(wǎng)壓力后，將其所取得的數(shù)據(jù)反饋給PLC，然后PLC 對PID 調(diào)節(jié)器給出控制信號，再由調(diào)節(jié)器控制變頻器進行變頻，從而實現(xiàn)了對管網(wǎng)壓力的控制。

2.3 執(zhí)行硬件設計

熱交換站系統(tǒng)執(zhí)行硬件部分主要由換熱器、變頻器、循壞泵和補水泵等組成。換熱器是整個熱交換站系統(tǒng)中一個最為重要的部分，實現(xiàn)了熱量之間的傳遞。變頻器是系統(tǒng)運行調(diào)速的核心，由PLC 中來控制變頻器的啟停，再由PID 算法來控制變頻器的實際控制，最后供給電動機帶動循環(huán)泵以實現(xiàn)無級調(diào)速，達到循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速能夠隨著負荷的改變而進行自動調(diào)節(jié)的目的。在整個系統(tǒng)中變頻調(diào)速指令將有PLC 與變頻器合作完成，實現(xiàn)供水壓力能夠維持在設定的供水壓力數(shù)值區(qū)間的目的，以此保證整個管網(wǎng)的水壓恒定，是系統(tǒng)更加趨于穩(wěn)定。本系統(tǒng)采取變頻調(diào)速方式，主要作用體現(xiàn)在通過變頻能夠達到恒壓供水，恒溫供熱并避免不必要的資源浪費，節(jié)能效果明顯。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制系統(tǒng)流程圖

當系統(tǒng)開始運行時首先需要設定二次側(cè)的溫度、二次側(cè)水壓與補水泵工作時的水壓。將PLC 所采集到的二次側(cè)溫度與設定值進行比較，若未達到設定值，一次側(cè)循環(huán)泵變頻控制啟動，通過調(diào)節(jié)一次側(cè)高溫熱水的流量對二次側(cè)供水溫度進行控制。若達到則進行再對補水泵是否加入二次側(cè)水壓控制進行判斷如果需要補水泵加入來對二次側(cè)水壓進行控制，則補水泵變頻控制啟動。若不需要則二次側(cè)循環(huán)泵變頻控制單獨進行控制。二次側(cè)水壓反饋值與設定值進行對比，如果二次側(cè)水壓達到設定值，系統(tǒng)不再進行變頻控制。熱交換站監(jiān)控系統(tǒng)的控制流程圖，如圖2 所示。

圖2 熱交換站控制流程圖

3.2 報警流程圖

在實際生產(chǎn)過程中常會出現(xiàn)各種因素影響系統(tǒng)穩(wěn)定，這是報警系統(tǒng)就體現(xiàn)出了作用。在系統(tǒng)運行前需先設置一次側(cè)的報警溫度與報警水壓。因為一次側(cè)的高溫循環(huán)水若不能達到標準勢必會影響整個系統(tǒng)的供熱效率。所以當一次側(cè)的水溫低于設定的報警溫度時，系統(tǒng)發(fā)出報警信號。一次管網(wǎng)內(nèi)由于只通過循環(huán)泵對水壓進行控制，容錯率較低，若不能及時發(fā)現(xiàn)水壓失衡同樣會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定。

3.3 PID 算法控制

本系統(tǒng)中采用了PID 算法通過PLC 控制變頻器來改變循環(huán)泵工作效率，一次網(wǎng)管道上的變頻器運行和二次網(wǎng)供水溫度成正比。當二次網(wǎng)供水溫度低的時候，變頻器增加頻率。當二次網(wǎng)供水溫度高的時候，變頻器降低頻率。補水泵與二次循環(huán)泵也是同樣的控制方式。

4 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

本系統(tǒng)搭建組態(tài)的平臺是組態(tài)王，用戶能夠?qū)ο到y(tǒng)進行實時監(jiān)控以保證工作在最佳狀態(tài)。當總啟動開關打到啟動按鈕時，一次循環(huán)泵、二次循環(huán)泵、補水泵和三個電機的運行指示燈亮起。系統(tǒng)默認以工頻狀態(tài)啟動工作。組態(tài)能夠?qū)崿F(xiàn)對一次側(cè)循環(huán)泵變頻控制，二次側(cè)循環(huán)泵變頻控制與補水泵變頻控制，同時能夠顯示一、二次側(cè)供水壓力與溫度及循環(huán)水流量的變化。一次側(cè)循環(huán)泵變頻控制，當旋鈕打到工頻時，一次循環(huán)泵以50Hz 工頻運作，而當二次側(cè)供水溫度需要改變時，旋鈕打向變頻，可以通過調(diào)節(jié)綠色滑塊，對一次循環(huán)泵的工作頻率進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)對二次側(cè)供水溫度的調(diào)節(jié)。當二次側(cè)的供水壓力需要調(diào)整時，就需要二次循環(huán)泵與補水泵協(xié)作完成控制，操作方式與一次側(cè)循環(huán)泵變頻控制相同。二者可獨立進行控制。組態(tài)王仿真界面，如圖3 所示。

圖3 組態(tài)王仿真界面

結(jié)束語

本文針對熱交換站整體系統(tǒng)的控制要求，結(jié)合實際情況，設計了一套能進行實時檢測、站內(nèi)自動控制和報警的監(jiān)控系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括了監(jiān)控中心系統(tǒng)、熱交換站自動控制系統(tǒng)，利用PLC 配置靈活、編程方便、控制可靠的優(yōu)點再結(jié)合使用變頻器能高效利用資源的特點。使整個系統(tǒng)穩(wěn)定性有了可靠保障。而通過上、下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，保證系統(tǒng)能及時發(fā)現(xiàn)并處理緊急事件。