李曉紅，陳志軍

LI Xiao-hong，CHEN Zhi-jun

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047）

0 引言

最近十幾年來，隨著我國城市化進(jìn)程的加快，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，由此導(dǎo)致了住房建設(shè)量大增，人們對(duì)供暖的需求提高，以上所帶來的直接影響是建筑能耗的增加。因此，為了順應(yīng)社會(huì)節(jié)能減排的要求，對(duì)采暖節(jié)能方面的研究越來越受到廣泛的關(guān)注。近幾年來我國的采暖事業(yè)得到了迅速的發(fā)展，特別針對(duì)采暖系統(tǒng)安設(shè)自動(dòng)控制裝置及監(jiān)控系統(tǒng)，并向高效率的集中供熱方向發(fā)展。熱交換站作為熱源和用戶的中間環(huán)節(jié)，它的運(yùn)行效率直接決定了供暖質(zhì)量和采暖節(jié)能效果，然而一些手工操作或自動(dòng)化水平低的熱交換站，不僅導(dǎo)致了對(duì)用戶供熱的不平衡，無法有效地滿足供熱需求，同時(shí)產(chǎn)生了很大的能耗、電耗[1]。因此對(duì)熱交換設(shè)置合理有效的監(jiān)控系統(tǒng)，提高其自動(dòng)化水平是非常必要的。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 熱交換站工作原理

熱交換站是由熱源所產(chǎn)生的熱蒸汽或熱水通過管網(wǎng)供給一個(gè)區(qū)域生活取暖的一種方式，是供熱系統(tǒng)中連接熱源和用戶的中間環(huán)節(jié)，起著承上啟下的作用[1]。整個(gè)供熱系統(tǒng)由兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成：熱源側(cè)循環(huán)系統(tǒng)（一次側(cè)）以及用戶側(cè)循環(huán)系統(tǒng)（二次側(cè)）。換熱站連接于一次側(cè)與二次側(cè)之間，是熱量交換、熱量分配以及系統(tǒng)調(diào)節(jié)、監(jiān)控的中心樞紐。

熱交換站工作原理：熱源熱水經(jīng)一次側(cè)循環(huán)把熱量送入熱交換站，并通過熱交換站向二次管網(wǎng)中的循環(huán)水傳遞熱量，被吸收熱量后的一次側(cè)熱水經(jīng)回水管道流回?zé)嵩?，加熱后繼續(xù)下次循環(huán)；從用戶回來的二次側(cè)水進(jìn)入熱交換站，吸收一次側(cè)熱量進(jìn)入供水管道，再由循環(huán)泵加壓向各個(gè)用戶供熱，對(duì)用戶供熱后的水經(jīng)過回水管道再進(jìn)入熱交換站循環(huán)，如此周而復(fù)始的運(yùn)行。根據(jù)控制的具體要求，熱交換站裝置的相關(guān)設(shè)備有：溫度壓力傳感器、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、循環(huán)泵、補(bǔ)水泵、變頻器和PLC等。

熱交換站工作原理如圖1所示。

圖1 熱交換站工作原理圖

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用典型的兩級(jí)控制，即上位機(jī)+下位機(jī)的控制方式，由工控機(jī)、PLC、現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。其中上位機(jī)以MCGS組態(tài)軟件為平臺(tái)，設(shè)計(jì)組態(tài)畫面，完成對(duì)整個(gè)控制現(xiàn)場的監(jiān)控管理和部分控制功能，修改部分參數(shù)，并且在必要時(shí)可發(fā)出啟動(dòng)、停止等命令。PLC主要承擔(dān)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的直接控制功能，并實(shí)時(shí)采集和處理各種數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

由壓力、溫度等傳感器對(duì)現(xiàn)場信息進(jìn)行采集，并將采集到的溫度、壓力值經(jīng)變送器轉(zhuǎn)化為4mA～20mA或者0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換送入PLC，根據(jù)PLC程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行變換、比較、控制算法運(yùn)算等處理后，由輸出電路輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)溫度、壓力以滿足供暖需求。此過程為全自動(dòng)調(diào)節(jié)，一旦啟動(dòng)完畢，即使PLC與上位機(jī)通訊發(fā)生故障，系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行[2]。上位機(jī)通過RS485總線與PLC進(jìn)行通訊，對(duì)各個(gè)檢測點(diǎn)溫度、壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄和分析，并向現(xiàn)場控制器發(fā)出控制和參數(shù)設(shè)置的指令。

此監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理、對(duì)溫度和壓力的自動(dòng)控制、利用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)中水的溫度、管道壓力及流量均是影響用戶供暖質(zhì)量的因素，為滿足對(duì)用戶供暖的需求，系統(tǒng)主要的控制量有熱交換站二次側(cè)的供水溫度、供水壓力和回水壓力，實(shí)現(xiàn)對(duì)以上各參數(shù)的調(diào)節(jié)主要是依靠對(duì)一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以及對(duì)二次側(cè)循環(huán)泵和補(bǔ)水泵的控制。

2.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度的控制可以通過對(duì)一次側(cè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的控制實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度可以改變一次側(cè)高溫?zé)崴墓┧髁?，改變一次?cè)向二次側(cè)的熱傳遞，從而改變二次側(cè)供水溫度，達(dá)到調(diào)節(jié)用戶室溫的目的。

溫度的調(diào)節(jié)要?jiǎng)討B(tài)跟隨環(huán)境溫度變化，才能實(shí)現(xiàn)在滿足用戶需求的同時(shí)達(dá)到節(jié)約能源的目的。本系統(tǒng)采取分階段變流量的調(diào)節(jié)方式，將整個(gè)供熱期按照室外溫度的高低分幾個(gè)階段，根據(jù)外界溫度的變化制定室外溫度-供水溫度對(duì)應(yīng)曲線，實(shí)時(shí)調(diào)整供水溫度以滿足不同外界溫度下的供熱需求。然后根據(jù)節(jié)約能源、滿足用戶舒適度要求，制定一個(gè)完整的供暖策略，在一些特殊時(shí)間段，如在采暖初末期、辦公場所下班后、節(jié)假日等時(shí)間，適當(dāng)調(diào)整溫度曲線，這樣可生成一條更經(jīng)濟(jì)、合理的運(yùn)行曲線，管理人員可通過上位機(jī)軟件對(duì)此曲線進(jìn)行修改。

由PLC、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、溫度傳感器組成的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 溫度控制框圖

其控制過程為：PLC接受室外溫度傳感器檢測到的室外溫度信號(hào)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的室外溫度-供水溫度對(duì)應(yīng)曲線，調(diào)整供水溫度的設(shè)定值，同時(shí)PLC接收二次側(cè)供水溫度實(shí)際值，并根據(jù)設(shè)定溫度與實(shí)際溫度的偏差控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，調(diào)節(jié)一次測高溫水流量，使得二次側(cè)供水溫度跟隨設(shè)定值變化。

2.2 二次供水壓力控制系統(tǒng)

熱交換站管道內(nèi)多為高溫?zé)崴?，保證其安全性是非常必要的，但在保證其安全性的同時(shí)，也要滿足供暖的需求，因此供水壓力必須滿足要求，若壓力過低則無法保證高層或遠(yuǎn)端用戶的正常供暖，如果壓力過大不僅會(huì)對(duì)管網(wǎng)造成沖擊，更會(huì)造成輸配能耗增大，甚至?xí)?duì)用戶安全產(chǎn)生威脅[4]。本著節(jié)約能源和提高控制效率的目的，本系統(tǒng)對(duì)供水壓力的控制引用了變頻器的變頻控制，需根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)規(guī)模決定變頻器和循環(huán)泵的臺(tái)數(shù)，本文以“一拖二”系統(tǒng)為例，即一臺(tái)變頻器拖動(dòng)兩臺(tái)循環(huán)泵，以熱交換站二次側(cè)供水壓力作為控制參數(shù)，由PLC和變頻器處理下達(dá)變頻調(diào)速指令，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力，保持二次側(cè)系統(tǒng)供水壓力恒定，滿足供暖負(fù)荷的要求。

恒壓供水控制框圖如圖3所示。

圖3 循環(huán)泵的恒壓供水控制

在供暖系統(tǒng)中，循環(huán)泵的耗電量占運(yùn)行成本的較高比例，對(duì)循環(huán)泵的電力節(jié)能可以取得較明顯的效果，為了達(dá)到節(jié)能的目的，對(duì)循環(huán)泵采用PLC控制的變頻調(diào)速越來越受到廣泛的應(yīng)用[5]。變頻器是調(diào)速的核心，它將50Hz的交流電變?yōu)橹绷麟?，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N頻率交流電，由PLC控制變頻器的啟停，將電網(wǎng)工頻交流電通過變頻器變?yōu)殡妷汉皖l率均可調(diào)的交流電，然后供給電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)泵的無級(jí)調(diào)速，達(dá)到隨負(fù)荷的大小而自動(dòng)調(diào)整循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的目的。

變頻器節(jié)能原理[6]：根據(jù)流體力學(xué)的基本定律可知，流體流量與泵的轉(zhuǎn)速成正比壓力與轉(zhuǎn)速的平方成正比軸功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比由此可知，采用變頻調(diào)速可使電機(jī)的能耗以三次方成比例下降，使電機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)當(dāng)中的能耗降到最低。綜上所述，對(duì)循環(huán)泵采用變頻控制可帶來巨大的節(jié)能效果。

2.3 二次定壓補(bǔ)水控制系統(tǒng)

在供暖過程中，熱水管網(wǎng)常會(huì)發(fā)生漏水現(xiàn)象，其產(chǎn)生的水損若不及時(shí)補(bǔ)回，會(huì)使管網(wǎng)各處的壓力逐漸下降，影響整個(gè)系統(tǒng)的供暖質(zhì)量，同時(shí)，定壓點(diǎn)的穩(wěn)定是保證溫度控制方案實(shí)施的前提[7]，因此需要選擇合理有效的定壓方式，滿足熱交換站需要的壓差。本文選取二次側(cè)回水壓力作為補(bǔ)水壓力的恒壓測量點(diǎn)，通過變頻器改變補(bǔ)水泵的運(yùn)行頻率，對(duì)回水管道補(bǔ)水，以此彌補(bǔ)由于水損而產(chǎn)生的壓力下降。

補(bǔ)水泵同樣采用變頻器變頻控制，以避免在熱負(fù)荷較大的系統(tǒng)中，工頻補(bǔ)水造成的二次管網(wǎng)壓力的波動(dòng)，其變頻補(bǔ)水的原理同循環(huán)泵變頻控制原理相同。對(duì)補(bǔ)水泵補(bǔ)水系統(tǒng)的控制，采用了由變頻器直接控制補(bǔ)水泵的啟停及其轉(zhuǎn)速，變頻器自帶有PID控制，根據(jù)實(shí)際壓力與設(shè)定壓力的偏差，調(diào)節(jié)其輸出頻率，調(diào)節(jié)補(bǔ)水泵轉(zhuǎn)速，保證恒壓點(diǎn)的壓力維持在設(shè)定值。

3 PLC軟件設(shè)計(jì)

3.1 PLC的選型

本系統(tǒng)選擇的智能控制設(shè)備是PLC，SIMATIC S7系列PLC是西門子公司于1995年陸續(xù)推出的性能價(jià)格比較高的PLC，其中S7-200PLC以其微型著稱，產(chǎn)品主要用于輸入/輸出點(diǎn)數(shù)較少的小型機(jī)械與設(shè)備的單機(jī)控制，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

通過了解工藝控制過程及其輸入輸出信號(hào)類型和個(gè)數(shù)，對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出信號(hào)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 I/O統(tǒng)計(jì)表

從表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出系統(tǒng)需要的輸入輸出點(diǎn)數(shù)為：數(shù)字量輸入點(diǎn)9個(gè)，數(shù)字量輸出點(diǎn)13個(gè)，模擬量輸入點(diǎn)2個(gè)，模擬量輸出點(diǎn)2個(gè)?，F(xiàn)場實(shí)際控制時(shí)要求有一定的冗余，在選擇控制器時(shí)要首先滿足現(xiàn)場I/O點(diǎn)的需求，綜合考慮西門子200PLC的幾款CPU，選擇了224xpCPU，它具有兩個(gè)RS485通訊口，有利于現(xiàn)場組態(tài)通信。

3.2 “一拖二”控制原理

二次供水壓力的控制主要通過“一拖二”系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，“一拖二”系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性直接決定了供暖的質(zhì)量，其工作原理如圖4所示。

圖4 “一拖二”系統(tǒng)電氣原理圖

控制原理：根據(jù)供暖負(fù)荷的大小變化，由PLC、變頻器依照“先啟先?！钡脑瓌t自動(dòng)調(diào)整泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)及變頻工頻切換。首先1#泵變頻啟動(dòng)，變頻器頻率按給定的壓力在上下限頻率之間運(yùn)行，若負(fù)荷較大，1#泵頻率運(yùn)行至最高仍無法滿足需求時(shí)，上限頻率延時(shí)一段時(shí)間后，將1#泵切換至工頻運(yùn)行，2#泵變頻啟動(dòng)運(yùn)行，頻率逐漸加大，直到滿足供暖壓力要求。當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)，變頻器輸出頻率減小，使2#泵運(yùn)行頻率減小，若減至下限值供水壓力仍較大，則停止1#泵，2#泵繼續(xù)變頻運(yùn)行，調(diào)節(jié)頻率直至滿足壓力要求。若此后負(fù)荷又增大時(shí)，則將2#泵切換為工頻運(yùn)行1#變泵頻啟動(dòng)運(yùn)行，依次類推。

這樣的切泵過程，有效的減少了循環(huán)泵的頻繁啟停，同時(shí)在實(shí)際管網(wǎng)對(duì)水壓波動(dòng)做出反應(yīng)之前，由于變頻器的迅速調(diào)節(jié)，使水壓平穩(wěn)過渡，從而有效避免了無法供應(yīng)高樓用戶的情況發(fā)生[9]。

圖5是循環(huán)泵變頻工頻以及增泵減泵的切換流程，由于電機(jī)切換涉及到管網(wǎng)壓力大小和設(shè)定值的比較計(jì)算，因此在切換程序設(shè)計(jì)中還應(yīng)包含控制算法程序設(shè)計(jì)。

圖5 循環(huán)泵切換流程圖

4 監(jiān)控組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用MCGS組態(tài)軟件建立熱交換站的上位監(jiān)控。監(jiān)控中心實(shí)時(shí)從現(xiàn)場控制器采集數(shù)據(jù)，以動(dòng)畫形式直觀的顯示在監(jiān)控畫面上。監(jiān)控畫面還將顯示實(shí)時(shí)曲線、各設(shè)備的具體運(yùn)行情況和報(bào)警信息，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢的功能，完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的報(bào)表，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存到關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的查詢。

監(jiān)控主畫面如圖6所示。

圖6 熱交換站監(jiān)控系統(tǒng)畫面

5 結(jié)束語

該控制系統(tǒng)有效的利用了計(jì)算機(jī)和PLC的控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱交換站智能控制，既方便了監(jiān)管人員，又解決了人為操作不合理帶來的能源浪費(fèi)。同時(shí)該溫度控制系統(tǒng)的分時(shí)分段溫度調(diào)節(jié)技術(shù)，以及壓力控制系統(tǒng)的變頻調(diào)速技術(shù)都一定程度上減少了能源的浪費(fèi)。

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